土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法。采集研究區(qū)內(nèi)土壤樣本的野外原位光譜數(shù)據(jù)，使用KS算法挑選具有代表性的樣本作為轉(zhuǎn)換樣本。將轉(zhuǎn)換樣本風(fēng)干研磨過(guò)篩后測(cè)量其室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)。利用DS算法分析轉(zhuǎn)換樣本的室內(nèi)光譜與野外原位光譜的差異，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)。利用轉(zhuǎn)換系數(shù)將剩余土壤樣本的野外原位光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得水分影響因素得以去除。去除水分影響因素后的野外光譜數(shù)據(jù)可以用已有的基于室內(nèi)光譜測(cè)量的大樣本光譜庫(kù)預(yù)測(cè)模型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。本發(fā)明省略了傳統(tǒng)室內(nèi)光譜測(cè)量中一系列土壤樣本的預(yù)處理步驟，避免重新利用野外光譜建立新模型的冗余。能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)信息田間實(shí)時(shí)獲取的效率。
【專利說(shuō)明】土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤有機(jī)質(zhì)含量的高光譜測(cè)量方法，尤其是涉及一種土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與常規(guī)的測(cè)量土壤有機(jī)質(zhì)含量的化學(xué)分析方法相比，基于實(shí)驗(yàn)室的土壤屬性高光譜特性研究具有無(wú)污染，快速，簡(jiǎn)便，成本低，周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，已獲得越來(lái)越多的肯定。然而一系列的土壤預(yù)處理過(guò)程如土壤樣品的采集、烘干、研磨及過(guò)篩等，仍然導(dǎo)致了土壤光譜測(cè)量的滯后性，不能滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中快速有效監(jiān)測(cè)土壤有機(jī)質(zhì)含量的需要。近年來(lái)，隨著儀器硬件的發(fā)展，土壤光譜測(cè)量得以在野外環(huán)境下進(jìn)行。但是，野外原位測(cè)量的土壤光譜會(huì)受到一系列環(huán)境因素諸如土壤水分、土壤顆粒、質(zhì)地、微聚體、土塊、環(huán)境溫度、雜散光等因素的影響，增加了在可見近紅外波段對(duì)土壤屬性特征光譜識(shí)別的難度。已有的基于室內(nèi)光譜的大型土壤光譜庫(kù)所建立的預(yù)測(cè)模型難以成功進(jìn)行土壤屬性的野外原位光譜預(yù)測(cè)。因此，研究土壤野外原位測(cè)量光譜的影響因素及去除算法非常有必要。
[0003]在諸多環(huán)境影響因素中，土壤水分對(duì)光譜的影響最大也最受關(guān)注。ViscarraRossel等(2009)將實(shí)驗(yàn)室條件下風(fēng)干過(guò)篩土樣的光譜與野外條件下未經(jīng)處理土樣的光譜進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，二者的主要區(qū)別在1400nm、1900nm和土壤礦物質(zhì)的一些非主要的特征波段。Mouazen等(2006)研究表明，利用高光譜預(yù)測(cè)土壤pH、C、N、P、CEC> Ca、Mg、Na和K含量時(shí)，土樣烘干去除水分后的預(yù)測(cè)精度有了略微的提高。
[0004]去除土壤野外測(cè)量光譜中水分影響因素的算法還鮮見報(bào)道。最新的研究進(jìn)展是Minasny等(2011)使用額外參數(shù)正交化法(External Parameter Orthogonalization, EPO)對(duì)土壤光譜中水分這一影響的去除。EPO的思想是將所有的光譜投影到與土壤水分相正交的空間上，從而達(dá)到去除這一影響因素的目的，正交化之后的光譜可以成功進(jìn)行土壤有機(jī)碳的預(yù)測(cè)。
[0005]本發(fā)明所采用的光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法是一種模型傳遞的算法(Wang等，1991)。在近紅外光譜分析中，在一臺(tái)儀器上建立的模型由于儀器響應(yīng)不同而無(wú)法應(yīng)用于另一臺(tái)儀器。光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法最初成功的運(yùn)用于這種情況下的模型傳遞，同時(shí)也適用于同一儀器由于老化或部件更新導(dǎo)致前后兩次測(cè)量響應(yīng)不同(Wang等，1991;Bouveresse和Massart, 1996; Naes等，2002 ;李慶波等，2007;林振興等，2008)而導(dǎo)致原有模型無(wú)法使用的情況。然而，還沒(méi)有人將這一算法應(yīng)于去除野外原位光譜測(cè)量中水分因素影響的去除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供了一種土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法，經(jīng)光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法(direct standardization,簡(jiǎn)稱DS)轉(zhuǎn)換后的野外光譜可以用已有的基于室內(nèi)光譜的大樣本光譜庫(kù)預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)含量的野外速測(cè)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案的步驟如下:[0008](I)野外原位土壤光譜數(shù)據(jù)的獲取:
[0009]在光譜儀上配備接觸式反射探頭，在野外將反射探頭壓在土壤表面，進(jìn)行可見近紅外光譜測(cè)量，得到土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)；
[0010](2)轉(zhuǎn)換樣本的選取:
[0011]先對(duì)土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果，再采用Kennard-Stone算法選擇出具有代表性的土樣作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回，轉(zhuǎn)換樣本經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后用同樣的光譜儀測(cè)量其對(duì)應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)；
[0012](3)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù):
[0013]根據(jù)轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜與對(duì)應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算水分因素對(duì)野外光譜造成的影響，建立野外光譜與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0014](4)水分影響因素的去除:
[0015]利用步驟3)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將剩余的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的野外光譜中水分因素被去除；
[0016](5) 土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測(cè):
[0017]轉(zhuǎn)換后的野外光譜數(shù)據(jù)由于水分影響因素已經(jīng)被去除，用已有的基于室內(nèi)光譜測(cè)量的大樣本光譜庫(kù)所建立的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的野外可見近紅外光譜預(yù)測(cè)。
[0018]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0019]本發(fā)明利用光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法去除了基于野外原位測(cè)量的土壤光譜中水分影響因素，使得已存在的基于室內(nèi)光譜測(cè)量的大樣本光譜庫(kù)預(yù)測(cè)模型可以直接用來(lái)預(yù)測(cè)野外光譜數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了利用野外光譜數(shù)據(jù)重新建模的時(shí)間和精力。另外，在光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法中，只有一小部分土壤樣本需要帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)光譜測(cè)量，節(jié)省了以往需要對(duì)所有土壤樣本進(jìn)行風(fēng)干研磨過(guò)篩的時(shí)間和精力，為更加快速的獲取土壤有機(jī)質(zhì)含量提供了一種可行的方案。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是室內(nèi)光譜與野外光譜的對(duì)比圖。
[0021]圖2是光譜標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換法使用前后土壤有機(jī)質(zhì)的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]在浙江省內(nèi)不同地區(qū)選擇9塊水稻田作為研究區(qū)域，在每個(gè)田塊隨機(jī)選擇8?16個(gè)土壤采樣點(diǎn)，本次實(shí)驗(yàn)一共選取了 104個(gè)土壤采樣點(diǎn)。研究區(qū)域分布于N29° 03'?N30° IOi，E119° IOi?E122° 4V之間。實(shí)驗(yàn)于2011年11月，水稻田收割10天后進(jìn)行。此時(shí)，水稻田中的水已排出并干燥一段時(shí)間以確保野外光譜采集實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。
[0024]( I) 土壤野外光譜的測(cè)量:
[0025]在每個(gè)采樣點(diǎn)，用方形土壤采樣器進(jìn)行土壤樣品的采集。使用該采樣器采集的土壤樣品為一個(gè)20cm深,橫截面為IOcmX IOcm的土壤立方體。在該土樣的垂直面上隨機(jī)選3個(gè)位置進(jìn)行野外原位土壤光譜的采集，每個(gè)位置采集10條光譜，30條光譜算術(shù)平均后作為該采樣點(diǎn)耕層土樣的野外原位光譜數(shù)據(jù)。在采樣過(guò)程中注意將土壤垂直面小心弄平整，但同時(shí)不要涂抹表面以致過(guò)于光滑。在野外光譜測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)注意避開土樣中可能存在的石頭、作物根系以及其他雜物、大孔隙等。野外土壤光譜的測(cè)量采用ASD公司生產(chǎn)的Fieldspec ProFR 便攜式野外光譜儀(Analytical Spectral Devices, Boulder, CO, USA)進(jìn)行。為了進(jìn)行野外原位光譜測(cè)量，本次實(shí)驗(yàn)為該儀器配備了接觸式反射探頭。在每個(gè)土壤采樣點(diǎn)測(cè)量之前對(duì)光譜儀進(jìn)行一次白板校正。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析。
[0026](2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:
[0027]每個(gè)土樣的光譜曲線去除噪聲較大的邊緣波段350~399nm和2451~2500nm波段，再以IOnm為間隔將2051個(gè)波長(zhǎng)壓縮簡(jiǎn)化成206個(gè)波長(zhǎng)。光譜反射率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成吸收率數(shù)據(jù)(1glO (I/反射率))，并進(jìn)行Savitzky-Golay平滑去噪處理。
[0028](3)轉(zhuǎn)換樣本的選擇:
[0029]對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的104個(gè)土壤樣本的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析；根據(jù)主成分分析結(jié)果，采用Kennard-Stone (KS)算法選擇出具有代表性的10個(gè)土壤樣本作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨并通過(guò)2_孔篩后進(jìn)行室內(nèi)光譜測(cè)量。10個(gè)轉(zhuǎn)換樣本均包含有對(duì)應(yīng)的野外原位光譜(灰色)和室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)(黑色)，如圖1所示。
[0030](4)使用DS算法計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù):
[0031]根據(jù)10個(gè)轉(zhuǎn)換樣本的野外原位光譜與室內(nèi)光譜的差別，計(jì)算水分及其他環(huán)境因素對(duì)野外光譜造成的影響，建立起野外與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)；
[0032]DS算法的具體步驟是:
[0033]在轉(zhuǎn)換樣本中存在關(guān)系
[0034]Xl = XfB+E (1)
[0035]其中，XJmXp)為轉(zhuǎn)換樣本的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)；XF(mXp)為轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)換樣本的個(gè)數(shù)，此處為10，P為波段數(shù)，此處為206 ；B(pXp)是“標(biāo)準(zhǔn)化法”的轉(zhuǎn)換矩陣，用以衡量室內(nèi)土壤光譜\與野外土壤光譜Xf之間的差異；E(mXp)是殘差矩陣，用來(lái)校正野外不同于室內(nèi)測(cè)量環(huán)境下所產(chǎn)生的基線偏移。因此，E可以寫成如下形式:
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種土壤野外原位測(cè)量光譜中去除水分影響因素的方法，其特征在于，該方法的步驟如下: (1)野外原位土壤光譜數(shù)據(jù)的獲取: 在光譜儀上配備接觸式反射探頭，在野外將反射探頭壓在土壤表面，進(jìn)行可見近紅外光譜測(cè)量，得到土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)； (2)轉(zhuǎn)換樣本的選取: 先對(duì)土壤樣品野外光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果，再采用Kennard-Stone算法選擇出具有代表性的土樣作為轉(zhuǎn)換樣本；將所選擇的轉(zhuǎn)換樣本帶回，轉(zhuǎn)換樣本經(jīng)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后用同樣的光譜儀測(cè)量其對(duì)應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)； (3)計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù): 根據(jù)轉(zhuǎn)換樣本的野外光譜與對(duì)應(yīng)的室內(nèi)光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算水分因素對(duì)野外光譜造成的影響，建立野外光譜與室內(nèi)光譜之間的相關(guān)關(guān)系，計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)； (4)水分影響因素的去除: 利用步驟3)中的轉(zhuǎn)換系數(shù)，將剩余的野外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的野外光譜中水分因素被去除； (5)土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測(cè): 轉(zhuǎn)換后的野外光譜數(shù)據(jù)由于水分影響因素已經(jīng)被去除，用已有的基于室內(nèi)光譜測(cè)量的大樣本光譜庫(kù)所建立的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的野外可見近紅外光譜預(yù)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01N21/3563GK103712923SQ201310719523
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】紀(jì)文君, 史舟, 陳頌超, 李碩 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)