收藏本站
收藏 | 论文排版

土壤有机质和水含量反演及光谱遥感参数研究

袁静  
【摘要】:土壤有机质(soil organic matter,SOM)及土壤水分(soil moisture,SM)含量变化是精准农业需要从土壤中获取的重要信息。掌握土壤有机质及水含量的变化是观测土壤的发育状况及时空变化规律等的基础,能为研究、保护土壤提供可靠的资料。迅猛发展的高光谱遥感技术凭借其能够获取丰富光谱信息的观测能力将逐步取代传统化学分析方法,从而成为土壤组分含量变化监测的主力方法之一。然而,目前土壤含水量及有机质含量反演模型大多为统计模型,缺乏完备的物理基础,且反演精度和模型的适用范围有限。因此,通过对土壤含水量及有机质含量反演半经验模型的构建,可以解决建立土壤特征参量与光谱信息之间的对应关系这一科学问题,从而实现对土壤有机质和水含量大范围,高精度的监测。此外,在实际应用中发现,光谱范围、光谱分辨率、信噪比等参数直接影响反演精度,对光谱遥感参数与反演精度关系研究的不足制约了数据应用领域的拓展和深入。将应用需求作为光谱遥感仪器研制的出发点和落脚点,利用所构建的土壤有机质和水含量反演模型及模型的反向形式,选取土壤有机质和含水量的敏感波长、最佳光谱分辨率以及适用的信噪比范围,使光谱遥感仪器研制更具针对性和有效性。本论文针对土壤有机质和水含量反演及光谱遥感参数研究,主要开展了以下研究工作:针对土壤含水量反演精度有待提高的问题,本研究基于Kubelka-Munk(KM)理论构建了土壤含水量反演半经验模型,深入探究了土壤含水量与反射率的关系。通过研究土壤含水量与KM模型中常被视为需要反演的未知参数或常数的漫反射率_∞的关系,从而将土壤含水量信息引入到KM模型中,进而基于KM理论构建了土壤含水量反演半经验模型。利用四种土壤的实验数据验证了模型的有效性。结果表明,在470-2400nm波长范围内,四种土壤的预测均方根误差(RMSEP)基本小于1.7%,决定系数(R~2)均大于85%,相对分析误差(RPD)均大于2.5。因此,本研究所构建的土壤含水量反演模型具有较高的预测精度,可以很好地应用于不同种类土壤的含水量估测。该土壤含水量反演半经验模型的构建对掌握土壤水分的时空变异规律具有重大意义,并为后续选取土壤含水量敏感波长、最佳光谱分辨率以及适用的信噪比范围的研究提供强有力的工具。考虑到目前有机质含量反演模型大多为统计模型,缺乏完备的物理基础,且反演精度和模型的适用范围有限等问题,本研究构建用于反演土壤有机质含量的半经验模型,为估测有机质含量提供了新方法。首先基于KM理论推导反射率R与变换反射率r之间的关系,然后使用与有机质含量相关的吸收系数及散射系数将土壤有机质含量引入模型,从而构建了土壤有机质含量反演模型。利用验证集数据验证了模型的有效性和可靠性。结果表明,在450-2400nm波长范围内,模型具有很高的估测精度,尤其在552-950nm波长范围内,模型精度最高(RMSEP:0.18%,R~2:89.9%,RPD:3.2)。相比目前有机质含量估测大多采用的统计模型,该模型具有更强的理论基础和适用性,能克服在大区域反演土壤有机质含量受到的限制。土壤有机质含量反演半经验模型的构建为后续选取土壤有机质敏感波长、最佳光谱分辨率以及适用的信噪比范围的研究提供强有力的工具。为使仪器研制更具针对性和有效性,本文基于所构建的土壤有机质和水含量反演模型及模型的反向形式,对光谱遥感参数进行了研究:(1)考虑到传统的波长选择方法需要大量的实际测量数据,其性能与“训练数据”的质量和代表性直接相关等问题,提出了基于土壤辐射传输模型(土壤有机质和水含量反演模型的反向形式)的敏感性分析--连续投影法联合选取敏感波长的方法。使用实验数据集在选定的波长上进行土壤组分含量反演估测,验证该方法的有效性,并与传统波长选择方法进行了对比分析。研究结果表明:土壤有机质的敏感波长区间为450-1020nm,有机质敏感波长点为468nm、476nm、496nm、599nm、775nm以及900nm,在选定的六个波长处有机质含量的反演精度均较高(RMSEP0.234%),特别是在599nm,有机质含量估测的准确性最高,RMSEP为0.176%,R~2为90.4%;土壤含水量的敏感波长区间为853-1125nm和1900-1988 nm,土壤含水量敏感波长点为1010nm、1068nm、1915nm、1946nm以及1988nm,在选定的5个波长处土壤含水量的反演精度均较高(RMSEP1.21%),特别是在1915nm,土壤含水量估测的准确性最高,RMSEP为1.04%。(2)在选取的敏感波长范围对光谱数据进行重采样得到不同光谱分辨率的数据,探究光谱分辨率对本研究所构建模型的反演精度的影响,从而在相对应的敏感波长范围确定土壤养分的最佳光谱分辨率。研究结果表明:在土壤有机质敏感波长区间上,光谱分辨率小于17nm时反演精度均较高;在土壤有机质敏感波长点上,光谱分辨率为13nm时反演精度最高;在土壤含水量敏感波长区间上,光谱分辨率小于29nm时反演精度均较高;在土壤含水量敏感波长点上,光谱分辨率为34nm时反演精度最高。(3)通过给土壤辐射传输模型模拟的无噪光谱数据加上高斯随机噪声,以模拟不同信噪比下的光谱数据。研究不同信噪比对所构建模型的反演精度的影响,得出能用于土壤理化成分定量测量的信噪比范围。研究结果表明:在有机质敏感波长区间,光谱分辨率为17nm时,适用的信噪比范围为140至340;在有机质敏感波长点,光谱分辨率为13nm时,适用的信噪比范围为150至360;在含水量敏感波长区间,光谱分辨率为29nm时,适用的信噪比范围为150至340;在含水量敏感波长点,光谱分辨率为34nm时,适用的信噪比范围为150至350。研究成果为基于光谱遥感的土壤有机质和水含量定量反演、专用速测光谱仪器的开发提供坚实的理论支撑与技术支持。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 江威;;武夷山地区土壤有机质高光谱模型建立与评价[J];安徽农业科学;2012年22期
2 王婷;刘振华;彭一平;胡月明;;华南地区土壤有机质含量高光谱反演[J];江苏农业学报;2020年02期
3 郑永红;张治国;陈永春;安士凯;邓永强;陈芳玲;任韩煜;张晓慧;张凤玲;;复垦土壤有机质时空变化特征——以潘一矿复垦区为例[J];淮南职业技术学院学报;2020年06期
4 杨剑波;杨曦;;测定土壤有机质影响因素的探讨[J];质量安全与检验检测;2020年06期
5 刘丽;;土壤有机质含量与作物产量的相关性[J];水土保持应用技术;2021年01期
6 ;土壤有机质影响用肥的“三关系”[J];北方园艺;2021年07期
7 李随云;杨飞;杨载熙;邹院兵;蒋之飞;陈松;;京山市钱场—新市两镇表层土壤有机质含量分布及影响因素[J];资源环境与工程;2021年02期
8 李梦佳;王磊;刘洪斌;武伟;;不同模型预测土壤有机质含量空间分布对比分析[J];西南农业学报;2021年03期
9 胡永方;;秸秆还田对农田土壤有机质提升的探索研究[J];农业开发与装备;2020年01期
10 谢国雄;胡康赢;王忠;楼玲;章秀梅;;耕地土壤有机质提升的几点思考[J];江西农业学报;2020年04期
11 陈宜勇;;商品有机肥替代部分化肥对冬瓜产量和土壤有机质含量的影响[J];东南园艺;2020年02期
12 杨荣荣;曹广超;曹生奎;吴成永;袁杰;张卓;兰垚;刁二龙;陈治荣;陈真;;祁连山南坡表层土壤有机质含量反演[J];生态科学;2020年05期
13 马新立;;有机冬小麦优质高效栽培技术方案[J];科学种养;2018年12期
14 赵建华;;浅谈微生物转化土壤有机质的过程[J];现代农业;2017年06期
15 齐雁冰;王茵茵;陈洋;刘姣姣;张亮亮;;基于遥感与随机森林算法的陕西省土壤有机质空间预测[J];自然资源学报;2017年06期
16 刘同洲;王珊;张亚莉;姜美玲;姚栋;董炜华;;公路运营期两侧防护林土壤有机质含量变化特征[J];广东蚕业;2017年02期
17 高继莲;;紫云英种植对土壤有机质的提升作用分析[J];乡村科技;2017年17期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 沙晋明;陈鹏程;陈松林;;土壤有机质光谱响应特性研究[A];土地覆被变化及其环境效应学术会议论文集[C];2002年
2 李伟;陈岳龙;杨忠芳;黄春雷;李大鹏;;山西省土壤有机质和粘粒对元素地球化学行为的影响研究[A];中国矿物岩石地球化学学会第11届学术年会论文集[C];2007年
3 朱立志;邱君;魏赛;;我国土壤有机质提升的现状分析与对策建议[A];中国人口·资源与环境2013年专刊——2013中国可持续发展论坛(一)[C];2013年
4 张旭东;诸葛玉平;解宏图;何红波;梁超;王晶;;土壤有机质的功能及其可持续管理[A];中国土壤学会第十次全国会员代表大会暨第五届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集(面向农业与环境的土壤科学综述篇)[C];2004年
5 唐志坚;;提高耕地土壤有机质,促进农业增产增收[A];贵州省土壤学会2012年学术研讨会论文集[C];2012年
6 马文林;段瑞文;;不同管理方式对农田土壤有机质变化的影响研究进展[A];2015年中国环境科学学会学术年会论文集[C];2015年
7 宝音陶格涛;张璐;;群落生物量、土壤有机质对改良措施的的动态响应[A];2017中国草学会年会论文集[C];2017年
8 陈辉;;柴达木盆地东部土壤有机质分布规律[A];2005青藏高原环境与变化研讨会论文摘要汇编[C];2005年
9 李曦;史舟;;基于全谱数据挖掘技术的土壤有机质高光谱预测建模研究[A];面向未来的土壤科学(上册)——中国土壤学会第十二次全国会员代表大会暨第九届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集[C];2012年
10 吕贻忠;廉晓娟;刘武仁;;保护性耕作对土壤有机质特性的影响[A];中国农作制度研究进展2008[C];2008年
11 汤娜;刘焕军;胡言亮;于晓静;杨振华;;土壤有机质与水分光谱响应特征与模型研究[A];第十七届中国遥感大会摘要集[C];2010年
12 卢艳丽;白由路;杨俐苹;王磊;王贺;;东北平原不同类型土壤有机质含量高光谱反演模型同质性研究[A];中国植物营养与肥料学会2010年学术年会论文集[C];2010年
13 张伟华;;腐植酸在盐碱土改良中的应用及前景[A];第八届全国绿色环保肥料(农药)新技术、新产品交流会论文集[C];2009年
14 姜益娟;郑德明;吕双庆;万素梅;李立平;;连续施用棉籽饼和棉秆还田及化肥配施的培肥效应[A];氮素循环与农业和环境学术研讨会论文(摘要)集[C];2001年
15 陶贞;沈承德;孙彦敏;高全洲;易惟熙;李英年;;土地利用变化对高寒草甸土壤有机质更新的影响[A];中国地理学会2004年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会论文摘要集[C];2004年
16 张淑娟;王凤花;张海红;赵华民;;基于近红外光谱技术的土壤养分检测方法[A];纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会(CSAE 2009)论文集[C];2009年
17 张一扬;周冀衡;杨虹琦;胡志明;;基于地统计与GIS技术的土壤有机质空间变异性研究——以湖南主产烟区为例[A];中国烟草学会2006年学术年会论文集[C];2007年
18 王迎春;杨黎;王立刚;;黑土带土壤有机质研究进展[A];2015年中国农业资源与区划学会学术年会论文集[C];2015年
19 王燕飞;黄炎和;蔡志发;林永贤;李发林;林敬兰;;不同生草物料对土壤有机质质量的影响[A];福建省第十二届水利水电青年学术交流会论文集[C];2008年
20 窦森;李凯;;土壤有机质化学研究进展[A];中国土壤学会第十一届全国会员代表大会暨第七届海峡两岸土壤肥料学术交流研讨会论文集(上)[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 袁静;土壤有机质和水含量反演及光谱遥感参数研究[D];中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所);2021年
2 李志斌;基于地统计学方法和Scorpan模型的土壤有机质空间模拟研究[D];中国农业科学院;2010年
3 姜利;九宫山垂直带土壤有机质矿化特征及其稳定性机制[D];华中农业大学;2016年
4 吴嵩;典型黑土区土壤有机质含量反演研究[D];吉林大学;2016年
5 宋金红;基于DEM和空间自相关分析的土壤有机质空间模拟研究[D];吉林农业大学;2015年
6 卓荦;基于高光谱遥感的土壤重金属空间分布研究[D];武汉大学;2010年
7 段德超;胡敏酸影响茶树(Camellia sinensis L.)铅生物有效性和毒性的作用机制[D];浙江大学;2014年
8 刘晓秋;吉林省主要类型土壤中正构烷烃分布特征及其意义[D];吉林大学;2013年
9 王合玲;艾比湖流域土壤有机质与影响因素响应系研究[D];新疆大学;2013年
10 卜晓莉;武夷山不同海拔植被土壤有机质化学结构表征及降解[D];南京林业大学;2010年
11 董智;秸秆覆盖免耕对土壤有机质转化积累及玉米生长的影响[D];沈阳农业大学;2013年
12 张彬;三峡水库消落带土壤有机质、氮、磷分布特征及通量研究[D];重庆大学;2013年
13 张玲娥;典型县域耕地肥力质量时空演变规律及驱动力分析[D];中国农业大学;2014年
14 徐丹;不同尺度农田土壤有机质和全氮空间变异及三维模拟研究[D];河南理工大学;2016年
15 汤水荣;日本东北地区稻田土壤有机质和秸秆分解的温度敏感性以及对水分的响应[D];华中农业大学;2017年
16 单军;食土蚯蚓对土壤有机质和酚类有机污染物降解转化研究[D];南京大学;2011年
17 杨建军;污染土壤重金属分子形态及其根际转化机制研究[D];浙江大学;2011年
18 郑亮;华北典型高产粮田土壤有机质时空变异规律与水氮优化管理[D];中国农业大学;2014年
19 雷宏军;黄淮海平原集约种植条件下土壤有机碳动态建模及应用[D];中国农业大学;2005年
20 刘凯;团聚体保护和微生物周转对激发效应的影响:模型模拟研究[D];中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所);2020年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 汪红霞;有机肥施用对土壤有机质变化及其组分影响的研究[D];河北农业大学;2014年
2 黄焱宁;甘肃省土壤有机质含量空间分布及与土地利用的关系[D];甘肃农业大学;2009年
3 于涛;基于模糊识别的土壤有机质高光谱估测模型研究[D];山东农业大学;2013年
4 石平超;青海省西宁市北川河流域土壤有机质的空间变异性及影响因子研究[D];青海师范大学;2016年
5 张月鲜;我国西北地区不同类型草原土壤有机质的稳定碳同位素组成及其差异[D];北京林业大学;2012年
6 黄智磊;湘西保靖县耕地土壤有机质和全氮现状及其影响因素研究[D];湖南农业大学;2012年
7 潘世娟;长期定位施肥条件下水田土壤有机质和全氮累积变化研究[D];西北农林科技大学;2011年
8 梁卓娅;土壤有机质的近红外光谱信息提取及定量分析[D];山西农业大学;2016年
9 蒋龙刚;基于土壤有机质供氮能力推荐的旱地小麦施氮方法研究[D];西北农林科技大学;2020年
10 张宏伟;荒漠—绿洲过渡带斑块状植被区土壤有机质空间异质性及环境影响因素研究[D];兰州交通大学;2017年
11 黄兆琴;秸秆燃烧对土壤有机质组成的影响[D];南京农业大学;2009年
12 陈曦;秸秆还田对土壤有机质元素组成及化学结构的影响[D];安徽农业大学;2016年
13 杜佩颖;平原丘陵过渡地带土壤有机质空间变异规律及其影响因素研究[D];华中农业大学;2017年
14 王征;三峡库区消落带土壤有机质和氮素含量及分布特征研究[D];重庆大学;2012年
15 崔成;文登市土壤有机质和氮磷钾空间分布特征及影响因素分析[D];山东农业大学;2015年
16 冯程程;土壤有机质品质与地力提升关系研究[D];吉林农业大学;2012年
17 罗璐;亚热带地区长期施肥措施下稻田土壤有机质稳定性研究[D];西安建筑科技大学;2013年
18 刘宇;鲜水河上游流域地形因子与土壤有机质、氮、磷和钾相关性研究[D];四川农业大学;2007年
19 王阳;长期施用化肥对土壤有机质含量及其组成的影响[D];吉林农业大学;2015年
20 王钰婷;基于小尺度的白沙村农业园区土壤有机质及氮素空间变异及影响因素分析[D];四川农业大学;2014年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 李鑫 记者 刘畅;八五四分公司 提高土壤有机质含量0.05%[N];黑龙江日报;2020年
2 农药百科;土壤有机质的重要性[N];山东科技报;2019年
3 张馨月;五招助您提高果园土壤有机质[N];农业科技报;2018年
4 朱广凯;提升土壤有机质方法多[N];农资导报;2016年
5 ;提高土壤有机质含量的几条途径[N];山西科技报;2007年
6 通讯员 刘林;房县实施土壤有机质提升工程[N];十堰日报;2016年
7 金晓明 衡水市林果病虫害防治检疫站;增加果园土壤有机质的有效措施[N];河北科技报;2015年
8 记者 张颖;我市40万亩土地实施土壤有机质提升项目[N];通辽日报;2012年
9 李友良;提升土壤有机质的有效途径[N];农民日报;2013年
10 通讯员 王发祥 钟茂富;武平积极推进土壤有机质提升项目[N];闽西日报;2011年
11 胡启山;四条途径增加土壤有机质[N];湖南科技报;2008年
12 记者 曾四丹;我市三县成为国家土壤有机质提升试点县[N];桂林日报;2007年
13 冯果;新建大棚如何补充土壤有机质[N];瓜果蔬菜报.农业信息周刊;2009年
14 记者 庄俊康;我省实施土壤有机质提升项目[N];甘肃经济日报;2011年
15 记者 黄海;平昌8万亩土壤有机质提升项目启动[N];巴中日报;2010年
16 冯果;新建大棚如何补充土壤有机质[N];瓜果蔬菜报.农业信息周刊;2009年
17 衡水市农牧局 张海滨;新建大棚注意 补充土壤有机质[N];河北科技报;2012年
18 李凤娇;提高果园土壤有机质七法[N];山东科技报;2015年
19 记者 王朝霞 实习生 刘婉琼;土壤有机质低 有害重金属含量低[N];甘肃日报;2010年
20 特约通讯员 梁祖江;思南列入全省土壤有机质提升试点县[N];铜仁日报;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978