博斯腾湖湖滨绿洲土壤表层盐分离子含量高光谱估算模型

赵 慧，李新国*,靳万贵，麦麦提吐尔逊·艾则孜，牛芳鹏

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 土壤样品采集及测定

土壤光谱测定采用ASD FieldSpec3便携式地物光谱仪，波段范围为350～2500 nm，光谱采样间隔在350～1000、1000～2500 nm分别为1.38、2 nm,光谱仪最后数据重采样间隔为1 nm。野外测量需要选择晴朗无风的天气，采集光谱前对光谱仪白板校正[21]。每个土壤样品重复测量20条光谱曲线，取其平均值作为此样本的光谱数据。

1.3 数据处理与研究方法

1.3.1 光谱指数 根据研究区土壤盐分离子状况结合前人的研究结果，采用比值盐分指数(RSI Ratio salt indices)、差值光谱指数(DSI Difference spectral indices)、亮度光谱指数(BSI Brightness spectral indices)、归一化光谱指数(NDSI Normalized difference spectral indices)。Ri和Rj是土壤盐分离子在第i波段和第j波段的土壤光谱反射率。根据全光谱的第i波段和第j波段的所有组合计算二维相关系数，绘制形成光谱系数矩阵图。光谱指数计算公式[16]见表1。

表1 土壤盐分的光谱指数及其公式

2 结果与分析

2.1 土壤盐分离子描述性统计

2.2 光谱反射率与相关性分析

2.3 基于光谱指数的土壤盐分离子估算模型

光谱矩阵系数图能够对土壤盐分离子含量和光谱指数之间的相关性进行可视化表达，依据不同颜色反映敏感波段[27]。由图3～10可知:通过建立主要土壤盐分离子含量、土壤盐分含量、土壤电导率与高光谱数据在光谱指数SI、RSI、BSI、DSI、NSDI的光谱矩阵系数图，光谱指数SI和BSI在土壤盐分离子下构建的二维相关矩阵图具有相似性，光谱指数RSI、DSI、NDSI构建的二维相关矩阵图具有相似性。在光谱指数SI和BSI光谱矩阵系数图中，EC、Cl-、Na++K+的正相关系值较高，反映在二维相关性图上的图例范围在-0.4～0.6；与光谱指数RSI、DSI、NDSI的相关系数高值区相反，RSI、DSI、NDSI的图例范围在0.6～-0.6。EC的相关系数绝对值最大值是光谱指数DSI，为0.77，最佳估算参数为(2294，2313)；Cl-的相关系数绝对值最大值是光谱指数DSI，为0.72，最佳估算参数为(2203，2262)；Na++K+的相关系数绝对值最大值是光谱指数RSI和NDSI，为0.79，最佳估算参数为(1809，1942)；其他土壤盐分离子、TS的最佳估算参数在1562～2354 nm，相关系数绝对值在0.47～0.77。综上，采用光谱指数SI、RSI、BSI、DSI、NSDI筛选的主要土壤盐分离子的特征波段主要集聚在近红外波段。

表2 土壤盐分离子及TS、EC描述性统计

表3 土壤盐分离子的PLSR建模集回归模型

3 讨 论

4 结 论

(1)土壤表层光谱反射率与土壤盐分离子Cl-、EC、Na++K+呈极显著正相关，与土壤盐分离子Ca2+呈极显著负相关(P<0.01)。土壤盐分离子Cl-在350～500 nm波段内相关性较强，平均相关系数达到0.63。

(2)SI和DSI的二维相关性图具有相似性，对于土壤盐分离子敏感波段对应的最大相关性值整体较低，绝对值最小为0.20，绝对值最大为0.68；RSI、DSI、NDSI的二维相关性图具有相似性，绝对值最小为0.42，绝对值最大为0.79，对于土壤盐分离子敏感波段都位于近红外波段，主要位于900～1000 nm和1800～2500 nm。

(3)Na++K+在NDSI和RSI的相关系数绝对值最大值在1809、1942 nm，相关系数为0.79，建立的偏最小二乘回归模型效果较好，土壤盐分离子含量的高光谱模型为Y=0.67+73.56x1809-75.75x1942，建模集R2=0.96，RMSE=0.38，验证集R2=0.82，RMSE=0.64。