基于实验室光谱的土壤营养元素反演研究

【摘要】：本论文利用天津地区的土壤室内反射光谱研究了土壤中营养元素含量(N、P、K)与可见光/近红外光谱之间的关系。论文从数据的获取与预处理、土壤的光谱特征参数提取与特征分析到土壤光谱参数与营养元素含量间的回归分析做了全面详细的论述。本文的主要内容和结论如下: 对原始的土壤光谱曲线进行抛物线拟合校正,并利用海明窗作为滤波器对原始光谱曲线进行低通滤波。对预处理后的光谱曲线进行光谱曲线的倒数、去包络和波段深度计算,据此选择一些特征控制点,并获取土壤光谱吸收特征参数(H、W、A、S)表征土壤光谱曲线的形状特征和吸收带特征。运用逐步多元回归方法和偏最小二乘回归方法研究N、P、K元素含量与不同光谱指标(反射率Reflectance、一阶导数FDR、倒数之对数log(1/R)、波段深度Depth、波深归一化波段深度BND以及面积归一化波段深度BNA)之间的关系,建立了经验模型,并且对回归模型进行了验证;比较了两种回归方法以及不同光谱参数对营养元素含量回归分析的优劣。 本文分析表明,土壤反射率光谱与营养元素含量之间存在良好的相关性,尤其是N元素,其预测值与实测值值之间的相关系数R可达到0.89;偏最小二乘回归模型的验证精度比起多元逐步回归分析总体来说略高一些,但偏最小二乘回归模型的系数很多,这两种回归分析方法各有优劣;两种回归方法确定的最优回归光谱参数不同,在多元逐步回归分析中反演精度较高的是Reflectance和log(1/R),而在偏最小二乘回归分析中Depth和FDR的反演精度较高,且收敛速度很快;对原始光谱进行倒数之对数计算对于提高估算精度作用不大,只要原始光谱经过很好的预处理,同样可以取得满意的结果。