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基于空谱约束解混的土壤盐分高光谱遥感反演

曹见飞  
【摘要】:土壤盐渍化严重制约了我国土地资源高效利用和农业发展。高效高精度监测土壤盐渍化是土地资源改良与可持续发展规划的重要前提条件。传统土壤盐分监测方法是通过野外采样和化学分析实现,耗时耗力,且难以满足动态的、大尺度的土壤盐渍化监测。遥感技术具有易获取、尺度大、时效强等特点,很好的弥补了传统方法的不足。随着遥感技术的发展,高光谱遥感具有光谱分辨率高、波段数多、图谱合一、信息量大等特点,成为土壤盐分定量估测的新手段。然而,现实场景下的盐渍化区域下垫面受植被遮盖影响,高光谱遥感影像往往以混合像元形式存在,这也成为土壤盐分高光谱遥感定量监测的瓶颈问题。因此本文选择黄河三角洲南部区域作为试验区,设置土壤盐分含量和植被覆盖度的不同梯度分组,分别进行实验室混合场景模拟及野外植被覆盖度(FVC)原位测量,获得实验室模拟混合光谱和高光谱遥感混合像元数据集。结合土壤盐分化验数据,开展混合光谱对土壤盐分估测的影响探究;混合分解模型与遥感定量模型的耦合的思考与研究;引入光谱欧式距离度量和Heat Kernel加权,设计“唯一变异光谱”约束和“平滑空间”约束,构建面向复杂地表的空谱约束的非负矩阵分解(UVSNMF),并进行区域土壤盐分估测和制图应用验证。主要研究内容与结论如下:(1)基于实验室模拟混合光谱和高光谱遥感混合像元为数据,理清混合光谱的光谱特征以及对土壤盐分估测的影响。首先通过土壤样本采集、植被覆盖原位测量、室内光谱测定、理化性质分析等野外与室内工作为基础,开展实验室混合模拟实验和高光谱影像混合像元采集实验,并通过光谱分析和统计方法进行定量评价。混合光谱中FVC增加,植被吸收特征逐渐加强,土壤盐分影响下的吸收特征将被掩盖,从而降低了土壤盐分估测的准确性;对于实验室模拟光谱,42.28%FVC以上的分组不再具备土壤盐分含量定量估测的有效性,PLSR模型的RPD1.4。对于卫星高光谱,植被混合更大程度的影响盐分评估,当53%FVC及以上分组,光谱表现出典型的植被光谱特征,与裸土光谱几乎不具备相似性;卫星高光谱遥感混合像元构建的土壤盐分估测PLSR模型,其精度不理想(R~20.45,RMSE4.15 g·kg~(-1),RPD1.2)。不同的光谱预处理对模拟混合光谱和卫星混合像元的建模均起到了不同的弱影响作用,但并不能作为剔除混合光谱对土壤盐分估测的影响的有效手段。(2)提出了基于无监督解混的土壤盐分高光谱信息深层提取方法,解决高光谱解混与定量遥感耦合困难问题。该方法基于非负矩阵分解(NMF),发挥无监督的优势,以样本点周边像元为光谱解混输入单元,迭代获取所有样本点提纯土壤光谱,并作为遥感定量模型的光谱变量,利用PLSR、BPNN、SVR和RF进行验证光谱的有效性。结果表明:深层提纯的动态土壤土壤盐分光谱信息,大幅度提高高光谱的土壤盐分评估精度。但当混合光谱存在较高额外噪声时,NMF的分解效果存在不确定性,导致土壤盐分估测结果具有较高的不稳定性。(3)联合Spearman相关系数和VIP值分析,解释混合光谱对土壤盐分估测的影响,以及无监督解混能够提升土壤盐分估测原因。其机理为:随着混合噪声的增加,与盐分相关的重要波长逐渐被覆盖且增了很多不确定的噪声波长;无监督高光谱解混恰好能够有效的剔除了植被光谱干扰,成功提取了土壤光谱且包含了土壤盐分的光谱重要波长特征;但是当混合像元中包含63.55%及以上的FVC,无监督高光谱解混则失去了提纯土壤盐分光谱的能力。(4)提出了面向土壤盐分估测的空谱约束解混方法,提高基于无监督解混的土壤盐分高光谱信息深层提取方法的鲁棒性。通过野外实际场景调查,设计“唯一光谱变异约束(UV)”和“空间平滑约束(SA)”条件,推导端元矩阵和丰度矩阵的更新规则,联合构成一种空谱约束的非负矩阵分解(UVSNMF)方法。“唯一光谱变异约束(UV)”通过引入光谱欧式距离度量对植被光谱进行相似约束,使得土壤光谱不会被过度分解而失去盐分光谱响应特征,又能够考虑到植被变异引起的植被端元的误差。“空间平滑约束(SA)”利用Heat Kernel加权表达临近像元的光谱相似原则,限制丰度矩阵的误差积累。验证结果表明:唯一异光谱约束和平滑空间约束都能够更好的提纯光谱,提升土壤盐分估测的稳定性。联合约束后的UVSNMF算法在复杂植被混合场景下的光谱约束效果最佳,可使估测精度整体维持在较高水平,提高了无监督解混的在土壤盐分评估中鲁棒性。(5)基于UVSNMF对研究区进行高光谱遥感土壤盐分估测与区域制图研究,对UVSNMF在土壤盐分评估中的应用检验和探索。在土壤盐分估测模型构建中,部分植被覆盖地区的高光谱影像直接反演精度较低,无法满足土壤盐分估测要求。部分植被覆盖区域经NMF解混提纯土壤光谱后,一定程度提高模型估测精度;但建模集与验证集估测精度相差较大且RPD值小于1.53,再次表明NMF分解后光谱的模型具有不稳定。UVSNMF分解后光谱模型不仅精度提高了(R~20.63,RMSE3.99 g·kg~(-1),RPD1.79),其模型也具有较高的鲁棒性。另外,相比克里金插值的空间分布预测结果,NMF和UVSNMF逐像元估测的土壤盐分分布与其具有相同的空间结构,且具有更多的空间细节。UVSNMF考虑了空间平滑约束和光谱变异约束后,消除了土壤盐分异常值,比NMF制图结果更符合土壤盐分分布规律。


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