本發(fā)明涉及遙感圖像處理及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，提供了一種土壤含鹽量估算方法。

背景技術(shù)：

1、據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鹽堿地面積為9.5×109hm2。及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)土壤水鹽動(dòng)態(tài)對(duì)于區(qū)域生態(tài)保護(hù)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。土壤鹽堿化主要是由于在環(huán)境因素和人為活動(dòng)的影響下，土壤中水鹽的遷移和重新分布過程。隨著氣候的反復(fù)循環(huán)變化，鹽堿土成為結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、力學(xué)性能差、生產(chǎn)力水平低、生態(tài)系統(tǒng)脆弱的不利地質(zhì)土壤，制約了我國(guó)干旱半干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

2、在土壤水鹽監(jiān)測(cè)研究中，傳統(tǒng)的田間采樣雖然精度高，但采樣費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、不連續(xù)，無法實(shí)現(xiàn)土壤水鹽的大面積、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。遙感技術(shù)的發(fā)展為監(jiān)測(cè)大區(qū)域、多時(shí)相的鹽堿地特性時(shí)空變化提供了有效的技術(shù)手段。與非鹽漬土相比，鹽漬土通常表現(xiàn)出更高的反射率，這為光學(xué)遙感反演土壤鹽分提供了依據(jù)。目前土壤鹽分反演主要通過篩選最佳光譜波段及指數(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法(包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(bpnn)、梯度提升回歸樹(gbrt)、偏最小二乘回歸(plsr)、隨機(jī)森林回歸(rfr)、支持向量回歸(svr)等)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠矸囱輰?shí)現(xiàn)。例如：采用plsr-pcc模型繪制了賈夫納半島沿海地區(qū)水稻種植地的土壤鹽分分布圖。然而，這類方法由于未考慮入射角、方位角、地表粗糙度等信息，使得模型的可遷移性差。

3、雙向反射分布函數(shù)(brdf)在表征土壤方向和光譜特性、生成區(qū)域或全球陸地表面產(chǎn)品方面具有一定優(yōu)勢(shì)。因此，在光學(xué)數(shù)據(jù)上使用brdf來反演土壤水鹽含量。hapke模型(1984)描述了裸露土壤的雙向反射率，在此基礎(chǔ)上jacquemoud(1992)提出了一個(gè)近似于勒讓德多項(xiàng)式的相位函數(shù)p(g，g')，可用于解釋光滑土壤(即soilspect模型)的后向和前向散射。2012年，hapke提出了陰影模型的概念，將平均坡度角參數(shù)考慮進(jìn)模型中，形成了hapke擴(kuò)展模型。學(xué)者們應(yīng)用hapke模型及擴(kuò)展模型反演地表的宏觀粗糙度、單次散射反照率ω，并將hapke模型擴(kuò)展到光譜域以表征土壤物理性質(zhì)。比如:將等效水厚度引入soilspect模型，用于估計(jì)土壤含水量、利用hapke模型進(jìn)行光度測(cè)量。這些研究表明，hapke模型在土壤高光譜雙向特征表征中具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，目前的hapke模型未考慮土壤含鹽量的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決目前光學(xué)遙感的土壤含鹽量方法由于未考慮入射角、方位角、地表粗糙度，使得模型的可遷移性差的技術(shù)問題，提供了一種基于hapke模型的土壤含鹽量估算方法。

2、基于hapke模型的土壤含鹽量估算方法如下：

3、步驟一、對(duì)于不同含鹽量的土壤，獲得多個(gè)天頂角的反射率和方位角的反射率及雙向反射率因子brf(bidirectional?reflection?factor)；

4、步驟二、通過實(shí)測(cè)或公開的數(shù)據(jù)集獲得土壤表面粗糙度，用于計(jì)算平均坡度角

5、

6、式中a(θ)為傾角θ的函數(shù)，a和b是常數(shù)；

7、步驟三、基于平均坡度角建立hapke擴(kuò)展模型；

8、

9、其中，i'、e'分別表示經(jīng)過平均坡度改正后的入射角、出射角；為粗糙度修正函數(shù)，由公式4得到；ω為單次散射反照率；

10、步驟四、基于hapke擴(kuò)展模型實(shí)現(xiàn)ω反演及模型優(yōu)化；

11、以步驟一中實(shí)測(cè)雙向反射率因子brf和觀測(cè)天頂角的反射率、方位角的反射率和平均坡度角作為參數(shù)輸入，(ω,b0,h,b,c,b',c')作為輸出，給定參數(shù)初始值后，基于步驟三中hapke擴(kuò)展模型，利用非線性最小二乘擬合算法求取各參數(shù)的最優(yōu)解；其中，誤差函數(shù)為：

12、

13、式中，n為多角度譜觀測(cè)角組合數(shù)，rk為視角方位角(θs,θ0,φ)的多角度譜觀測(cè)值，r為模型的模擬值；求最小值時(shí)的算法可以選擇levenberg-marquardt、牛頓法或梯度法，采用決定系數(shù)r2、均方誤差mse表示模型精度：

14、

15、式中，yi表示真實(shí)值，fi表示預(yù)測(cè)值，表示均值，n表示樣本數(shù)量；決定系數(shù)r2值越大，均方誤差mse值越小，模型精度越高；將通過精度結(jié)果比較并選擇最優(yōu)算法；

16、最后，視參數(shù)(ω,b0,h,b,c,b',c',ξ,rs)的敏感度情況，舍棄一些不敏感的參數(shù)以簡(jiǎn)化模型；

17、步驟五、根據(jù)步驟四的反演模型得到單次散射反照率ω，根據(jù)ω計(jì)算定向半球反射率dhrf(directional?hemisphere?reflectivity?factor)；

18、

19、式中雙半球反射率r0，是從表面向所有方向散射的光與入射的未準(zhǔn)直光的比率：

20、

21、由公式(3)、(8)、(9)聯(lián)合可知，

22、

23、步驟六、計(jì)算土壤鏡面反射率sr(specular?reflectance)；

24、sr＝brf-dhrf??????(11)

25、式中brf由光譜儀實(shí)測(cè)得到，dhrf由步驟五得到；

26、步驟七、根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)sr與土壤含鹽量，建立二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型；

27、步驟八、根據(jù)步驟七sr與土壤含鹽量的關(guān)系，由步驟六的sr計(jì)算土壤含鹽量；

28、步驟九、基于任意衛(wèi)星光譜及地表粗糙度，重復(fù)步驟四～步驟八，可以實(shí)現(xiàn)土壤含鹽量的估算。

29、該方法包括模型構(gòu)建與應(yīng)用兩部分。在模型構(gòu)建時(shí)，首先通過測(cè)試不同含鹽量土壤的多角度反射率及brf，結(jié)合粗糙度參數(shù)輸入擴(kuò)展的hapke模型，反演得到單次散射反照率ω，基于ω計(jì)算dhrf,并結(jié)合brf計(jì)算鏡面反射率sr，最后基于實(shí)測(cè)sr與含鹽量，構(gòu)建二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型。在模型應(yīng)用時(shí)，利用衛(wèi)星光譜數(shù)據(jù)帶入擴(kuò)展的hapke模型，通過最優(yōu)化方法得到單次散射反照率ω，并計(jì)算dhrf，結(jié)合brf計(jì)算鏡面反射率sr，最后基于實(shí)測(cè)sr與含鹽量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型得到土壤含鹽量。

30、本發(fā)明的有益效果是：

31、較傳統(tǒng)的土壤含鹽量室內(nèi)測(cè)量方法，本發(fā)明提供了一種大面積、快速的土壤含鹽量估算方法；較常用的基于光譜反演土壤含鹽量的方法，本發(fā)明提供了一種可遷移的土壤含鹽量估算方法。該方法計(jì)算速度快、可遷移性強(qiáng)、成本低，不需要取樣測(cè)量，可以獲取大面積、長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤含鹽量估算結(jié)果，節(jié)約了大量的人力物力，對(duì)研究土壤鹽分的時(shí)空變化具有重要意義。本發(fā)明將基于實(shí)測(cè)的多角度brdf數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于hapke模型的土壤含鹽量估算方法，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)特征：

1.基于hapke模型的土壤含鹽量估算方法，其特征在于所述基于hapke模型的土壤含鹽量估算方法如下：

技術(shù)總結(jié)
基于Hapke模型的土壤含鹽量估算方法，本發(fā)明涉及遙感圖像處理及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，提供了一種土壤含鹽量估算方法。本發(fā)明是為了解決目前光學(xué)遙感的土壤含鹽量方法由于未考慮入射角、方位角、地表粗糙度，使得模型的可遷移性差的問題。方法如下：獲得多個(gè)天頂角的反射率和方位角的反射率及雙向反射率因子；計(jì)算平均坡度角建立Hapke擴(kuò)展模型，實(shí)現(xiàn)ω反演及模型優(yōu)化；得到單次散射反照率ω，計(jì)算定向半球反射率DHRF；計(jì)算土壤鏡面反射率；建立實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)sr與土壤含鹽量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型；計(jì)算土壤含鹽量；本方法計(jì)算速度快、可遷移性強(qiáng)、成本低，不需要取樣測(cè)量，可以獲取大面積、長(zhǎng)時(shí)間序列的土壤含鹽量估算結(jié)果，節(jié)約了大量的人力物力。

技術(shù)研發(fā)人員：李曉潔,李穎燁,王彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6