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基于高光谱成像的烟田土壤pH估测研究

2023-11-23分类号:S153.4

【作者】张恒   梁太波   宋效东   江鸿   郭文孟   戴华鑫   翟振   冯长春   张艳玲
【部门】中国烟草总公司郑州烟草研究院  中国科学院南京土壤研究所  四川省烟草科学研究所  
【摘要】【目的】为实现区域尺度上烟田土壤pH的快速估测。【方法】以四川省296份烟田土壤为研究对象,利用高光谱成像获取土壤390~2500 nm波段的光谱反射率,系统研究12种光谱预处理方法、2种特征波段选择方法和4种建模方法对烟田土壤pH高光谱估测模型精度的影响。【结果】在600~2500 nm范围内,不同pH的光谱反射率曲线差异明显;原始光谱经单一预处理或组合预处理方法处理后,建立的估测模型精度均有所提高;其中一阶导数(First derivative, D1)组合标准正态分布(Standard normal variate, SNV)为最佳光谱预处理方法。竞争自适应重加权采样算法(Competitive adaptive reweighted sampling, CARS)筛选出了93个土壤pH特征波段,主要集中在近红外波段800~2500 nm。无论使用光谱全波段还是主成分分析降维得到的光谱特征,核岭回归(Kernel ridge regression, KRR)和支持向量机(Support vector machine, SVM)两种建模方法都取得了比偏最小二乘回归(Partial least square regression, PLSR)和岭回归(Ridge regression, RR)更高的估测精度;但使用CARS筛选的特征波段建模时,PLSR和RR取得了比KRR和SVM更高的估测精度。其中基于D1-SNV预处理方法,使用CARS筛选特征波段建立的土壤pH PLSR估测模型精度较高,模型验证集决定系数为0.758,均方根误差为0.555,相对分析误差为2.034。【结论】运用高光谱成像技术在区域尺度上对烟田土壤pH进行较高精度估测是可行的,pH估测可采用D1-SNV-CARS -PLSR模型。
【关键词】土壤pH值  高光谱成像  竞争自适应重加权采样  偏最小二乘回归
【基金】中国烟草总公司重点研发项目(11202102037);; 四川省烟草公司科技项目(SCYC202103)
【所属期刊栏目】西南农业学报
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