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分数阶微分在土壤盐渍化遥感监测中的应用研究

张东

  土壤作为一种重要的自然资源,为人类生产食物和纤维,并维持地球生态系统平衡;同时,土壤作为人类社会及一切社会活动的基本条件,承担重要的载体作用。然而,土壤盐渍化是干旱、半干旱区所面临的重要生态环境问题之一,土壤盐渍化引起的土壤板结、肥力下降、酸碱失衡、土地退化等后果,严重制约我国农业发展,影响当前我国可持续发展的战略大局。遥感技术因其尺度大、范围广、时效性强、经济性强等特点,很好的弥补了传统盐渍化现象监测方法的不足,为定量监测土壤盐渍化现象提供了崭新的途径。在前人利用遥感技术对土壤盐渍化现象进行监测等研究与应用的基础上,本研究选取位于新疆维吾尔自治区准噶尔盆地西南缘艾比湖流域的典型盐渍化土壤为研究对象,通过土壤样本采集、室内光谱测定、理化性质分析等野外与室内工作,明确该流域土壤理化性质特征,从光谱维和空间维探讨分数阶微分在遥感技术监测土壤盐渍化中的应用的可行性。在光谱维度上,利用Grünwald-Letnikov分数阶微分公式对可控光源条件下测定的盐渍化土壤光谱反射率数据进行0~2阶微分(阶数间隔0.1)处理,结合极差、相关系数、变异系数、光谱信息散度等指标,探讨分数阶微分对光谱反射率数据的影响,并以此为基础,利用偏最小二乘回归及组合建模理论建立土壤含盐量定量估算模型。在空间维度上,构建分数阶微分算子,对Landsat 8 OLI获取的多光谱遥感影像进行滤波处理,结合锐化程度、信息熵、结构相似性指数、峰值信噪比等图像质量评价指标,研究分数阶微分算子在图像增强中的作用,并在选取较为适合艾比湖保护区盐渍化信息空间可视化表征的盐分指数后,探讨分数阶微分滤波对盐分指数提取时产生的影响。主要结论如下:(1)艾比湖流域表层土壤含盐量变异性强,均值为33.838 g/kg,大于盐土20 g/kg的分级标准,流域内土壤盐渍化现象普遍而又严重;阳离子含量Na~+>Ca~(2+)>K~+>Mg~(2+),阴离子含量SO_4~(2-)>Cl~->HCO_3~-,结合相关性分析结果,NaCl和CaSO_4是主要的盐分,艾比湖流域土壤主要以碱性和强碱性为主,盐化类型主要以Cl~-盐型和SO_4~(2-)盐型为主。(2)艾比湖流域内,土壤中砂粒含量最多,黏粒含量最少,根据国际制土壤质地分类标准,流域内土壤可分为粉质壤土、壤土、砂质壤土、砂土及壤质砂土;分形维数与黏粒、粉粒、砂粒均呈现较好的非线性关系;利用逐步多元回归方法,建立基于土壤机械组成的分形维数估算模型,该模型为2.844 0.002 0.006D clay sandy(28)(10)x-x,决定系数0.720;根据描述性统计结果,黏粒、粉粒与分形维数随着盐渍化程度的加深而增加,砂粒含量随着盐渍化程度的加深而减少。(3)不同盐渍化程度土壤光谱曲线形态基本相似,在400~500 nm、550~700 nm、1000~1850 nm以及2250~2400 nm这4个范围内,区分明显;在1400 nm和1900 nm附近这两个吸收带,随着盐分含量的增加,光谱中水的吸收谷加深;在2340 nm这个吸收带,吸收深度随着盐渍化程度的降低而加深;在400~1875 nm范围内,反射率与土壤含盐量相关系数均通过了0.01极显著性检验,而在1876~2400 nm,则没有波段通过检验。(4)对于光谱反射率的5种数学形式,与土壤含盐量的相关系数通过显著性检验的波段数量:未微分>一阶微分>二阶微分;将阶数间隔进行细化后,相关系数曲线呈现一定的渐变趋势,部分细节信息得以体现,相关系数通过显著性检验的波段数量呈现先减少,再增加,而后再减少的趋势;随着微分阶数的增加,光谱微分值趋近于0,数据范围减小;结合消除量纲影响的变异系数,虽然数据范围减小,但是数据的离散程度总体上呈现增加的趋势;光谱信息散度随着阶数的增加呈现非线性的增加趋势,且从0阶到1阶增加的幅度大于从1阶到2阶的幅度,这表明分数阶微分能够细化相关系数、极差、变异系数、光谱信息散度等指标的变化趋势,并且在一定程度上可以增加光谱数据的离散程度,增强光谱间的差异性。(5)针对光谱反射率的5种数学形式0~2阶微分数据,利用偏最小二乘回归建立的105个土壤盐分估算模型中,基于原始光谱反射率均方根变换1.9阶微分数据建立的模型最优,该模型的RMSE_C=26.206 g/kg,R~2C=0.787,RMSEP=24.955 g/kg,R~2P=0.819,RPD=2.352。对简单平均法进行改进,根据RPD的值对每个子模型赋予权重,通过对21个RPD≥2的模型进行加权性质的组合,组合后的模型RMSE_C=26.291 g/kg,R~2C=0.786,RMSEP=24.332 g/kg,R~2P=0.828,RPD=2.413,定量估算土壤含盐量的精度与预测能力得到进一步提升。(6)对于真彩色和标准假彩色合成后的图像,在分数阶微分算子的阶数大于0.8时,R、G、B三个通道的平均峰值信噪比小于20 d B,图像失真程度不可接受;对于分数阶微分滤波后的图像,与原图相比,虽然在一定程度上丢失了图像信息,破坏了与原图的结构相似性,但是PSNR和锐化程度在0.6~0.7阶之间达到平衡,图像增强的效果达到最优。此外,当微分阶数大于1时,分数阶微分算子对图像中的某些边缘双重响应,产生双像素边界。(7)针对艾比湖保护区,盐分指数SI_5(28)(B′R)/G与土壤含盐量的相关系数为0.3532,通过了0.01显著性检验,较为适合保护区内盐渍化信息空间可视化表征;从经过0.1~0.8阶微分滤波增强后图像提取盐分指数SI_5,与土壤含盐量的相关系数呈现先增加再减少的趋势,并在微分阶数为0.4时,达到最大值0.3583;在微分阶数为0.8时,相关系数大幅降低且仅通过0.05显著性检验,表明分数阶微分算子在进行图像增强处理时,微分阶数在一定范围内有利于提取土壤盐渍化信息;而超过这个范围,会对盐分信息的提取产生不利影响。另外,随着微分滤波器阶数的增加,盐分指数空间分布的部分细节信息得以体现,这与分数阶微分算子图像增强的能力息息相关。本研究将分数阶微分引入到遥感数据预处理中,为基于遥感数据提取地物信息提供更多的辅助性方法,也为机载、星载遥感技术在大尺度上对盐渍化专题信息提取、土壤盐渍化现象监测以及遥感专题制图等提供应用参考,以期满足未来对土壤盐渍化现象监测、精准农业等应用的更高要求。……   
[关键词]:土壤盐渍化;遥感;光谱反射率;分数阶微分;光谱建模;图像增强
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:新疆大学2017年