基于地物光譜和Landsat8遙感影像的土壤鉛含量反演研究

引言

土壤不僅是人們所依賴的環(huán)境，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分。隨著人類活動(dòng)的不斷產(chǎn)生，土壤環(huán)境將面臨巨大的壓力和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在土壤重金屬元素超標(biāo)和土壤生態(tài)功能退化等方面。重金屬超標(biāo)會(huì)對(duì)人們的生活造成長(zhǎng)期且緩慢的影響。因此，對(duì)重金屬的監(jiān)測(cè)能有效推動(dòng)土壤環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。目前，傳統(tǒng)土壤重金屬監(jiān)測(cè)采用樣品采集和化學(xué)分析的方法，該方法成本較高，周期較長(zhǎng)，并且需要消耗大量人力和物力，而采用遙感技術(shù)能克服傳統(tǒng)土壤重金屬監(jiān)測(cè)過程中存在的問題， 做到大區(qū)域、高效以及環(huán)保地監(jiān)測(cè)土壤重金屬含量。Cheng等采集了湖北省武漢市郊區(qū)的93份土壤樣品，發(fā)現(xiàn)鎘含量預(yù)測(cè)與土壤有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)，采用近紅外光譜與偏最小二乘模型相結(jié)合是快速監(jiān)測(cè)郊區(qū)土壤重金屬超標(biāo)的一種替代方法。吳明珠等通過對(duì)福州土壤光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，提取520~530、1440~1450、2010~2020、2230~2240 4個(gè)敏感波段，建立了土壤重金屬鉻的預(yù)測(cè)模型。隨著遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤元素研究也逐漸增多。多光譜遙感技術(shù)能通過較少的成本研究大區(qū)域范圍內(nèi)土壤元素指標(biāo)的數(shù)量和分布情況。Fard等利用偏最小二 乘法建立了反射光譜與重金屬含量之間的關(guān)系，對(duì)比了基于Landsat8波段直接反演和間接反演的 模型，發(fā)現(xiàn)直接反演的精度高于間接反演。本研究通過地物光譜與 Landsat8多光譜影像波段分別與重金屬鉛含量進(jìn)行相關(guān)性分析，提取相關(guān)性較大的波段用于建立偏最小二乘回歸預(yù)測(cè)模型，采用決定系數(shù)和均方根誤差對(duì)比不同遙感數(shù)據(jù)條件下重金屬鉛的預(yù)測(cè)模型精度，最后通過Landsat8反演模型預(yù)測(cè)鉛含量的空間分布，預(yù)測(cè) 結(jié)果符合實(shí)際鉛含量的空間分布，說明利用多光譜數(shù)據(jù)反演土壤某些重金屬元素含量具有可行性。

材料與方法

2.1 研究區(qū)概述

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市境內(nèi)，為東經(jīng)85°15' ～ 86°00'、北緯 45°38' ～ 46°13' 區(qū)域，自然坡降約3% ，平均海拔在300m左右。研究區(qū)屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候，寒暑差異懸殊，冬季積雪較厚，主要農(nóng)作物有小麥、玉米和棉花等。

2.2 土壤樣品采集

采集日期為2017年4月5日，在研究區(qū)設(shè)置采樣間距為300m × 300m，共采集0~20cm土層土壤樣品41個(gè)。采集土樣的同時(shí)利用手持GPS記錄所取樣點(diǎn)的經(jīng)緯度，并填寫野外土壤樣點(diǎn)記錄表，研究區(qū)采樣點(diǎn)如圖1所示。土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、磨碎、過0.25mm篩后分別用于光譜測(cè)量和化學(xué)測(cè)定。模型建立時(shí)，每3個(gè)樣點(diǎn)作為一組，每組從中隨機(jī)抽取一個(gè)作為驗(yàn)證樣點(diǎn)，最終得建模樣品27份，驗(yàn)證樣品14份。

2.3 光譜數(shù)據(jù)的獲取

2.3.1 地物光譜的獲取

本研究采用范圍為350~2500nm地物光譜儀。在暗室，將樣點(diǎn)土壤裝在直徑為15cm、深約2.5cm的黑色器皿內(nèi)，并用木板刮去超出器皿的土壤，保證待測(cè)土壤表面平整光滑。采用鹵素?zé)籼峁┕庠矗庠凑丈浞较蚺c垂直方向夾角為30°，光源距土壤樣品的距離為30cm，光譜儀裸露光纖距離土壤約15cm。光譜測(cè)定前，光譜儀和鹵素?zé)粝阮A(yù)熱0.5h，測(cè)定時(shí)， 每3~5個(gè)樣點(diǎn)測(cè)一次白板，保證測(cè)定的精度。光譜儀設(shè)置10次平均，每個(gè)土壤樣品分別測(cè)3個(gè)方向，每次旋轉(zhuǎn)90°，將30條區(qū)域平均后作為該樣點(diǎn)土壤的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)。

圖1 采樣點(diǎn)分布

2.3.2 Landsat8多光譜數(shù)據(jù)的獲取

采用Landsat8作為多光譜數(shù)據(jù)源，Landsat8共有11個(gè)波段，從中選取可見光到紅外光的前8個(gè)波段，空間分辨率為30m。對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等處理后，根據(jù)采樣點(diǎn)地理坐標(biāo)位置，從Landsat8影像上提取采樣點(diǎn)的多光譜波段數(shù)據(jù)。

2.4 地物光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于光譜儀在測(cè)定中會(huì)受到光源、視場(chǎng)及儀器本身等因素的影響，產(chǎn)生不同程度的噪聲，因此 需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。本研究采用9點(diǎn)加權(quán)平均移動(dòng)法進(jìn)行光譜曲線的平滑降噪處理。為方便提取土樣光譜數(shù)據(jù)中的特征波段，增強(qiáng)可見光區(qū)域光譜差異，將平滑處理后的土樣光譜曲線進(jìn)行一階微分處理。以一階微分曲線峰和 谷的斜率表示原始反射率變換的最大值和最小 值。一階微分計(jì)算公式:

(1)式中，λi + 1、λi、λi － 1均為相鄰波段，Ｒ'λ(i)為一階微分處理后的反射率。

2.5 土壤重金屬含量反演方法

偏最小二乘法集中了主成分分析、典型相關(guān)分析和線性回歸分析方法的特點(diǎn)，很好地解決了多重共線性問題，并且容許樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)少于變量個(gè)數(shù)。因此作為本次研究的預(yù)測(cè)方法。為了避免建模的主成分過多，導(dǎo)致預(yù)測(cè)重金屬P 的模型出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，本研究采用交叉驗(yàn)證法中的外部證實(shí)算法來選擇偏最小二乘回歸模型中的最佳主成分?jǐn)?shù)。具體做法: 先用建模樣點(diǎn)建立主成分個(gè)數(shù)為1的預(yù)測(cè)模型，將驗(yàn)證樣點(diǎn)中對(duì)應(yīng)反射率帶入該模型，計(jì)算出預(yù)測(cè)的Pb含量， 再計(jì)算預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的均方根誤差; 不斷增加主成分個(gè)數(shù)，重復(fù)計(jì)算不同主成分個(gè)數(shù)的均方根誤差，直到新增主成分使得預(yù)RMSE的減少不超過2%為止，此時(shí)的成分?jǐn)?shù)為最佳主成分?jǐn)?shù)，相應(yīng)偏最小二乘回歸模型為預(yù)測(cè)土壤重金屬最優(yōu)模型。

2.6 精度評(píng)價(jià)

在模型的驗(yàn)證中，采用決定系數(shù)Ｒ2和均方根誤差ＲMSE來判斷， 決定系數(shù)與所建立模型的穩(wěn)定性呈現(xiàn)正比例關(guān)系，均方根誤差ＲMSE與建立模型的預(yù)測(cè)能力呈 現(xiàn)反比例關(guān)系，因此模型建立和驗(yàn)證的精度通過Ｒ2 和 ＲMSE 來評(píng)價(jià)。

式中，n為樣本數(shù)，Yi為實(shí)測(cè)值，

為預(yù)測(cè)值，

為實(shí)測(cè)值均值。其中,Ｒ2越大,ＲMSE越小，建模效果越好，建立的模型為土壤重金屬鉛的最優(yōu)模型。

結(jié)果與分析

3.1 地物光譜模型的建立

利用軟件中的相關(guān)分析功能對(duì)鉛含量與實(shí)測(cè)地物光譜的原始和一階微分處理后的光譜波段進(jìn)行相關(guān)分析。由圖 2可知，原始反射率與重金屬Pb含量呈單一正相關(guān)性，并且相關(guān)系數(shù)曲線變化較為平緩; 反射率經(jīng)一階微分處理后與Pb含量的相關(guān) 曲線則呈現(xiàn)上下波動(dòng)。根據(jù)光譜反射率曲線特征劃分波段范圍，選擇特征波段范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)最大的波段為敏感波段。敏感波段選取結(jié)果如表 1 所示。以0.01水平顯著相關(guān)性判斷: 原始光譜曲線的敏感波段在377.4、399.0、418.9、421.9、465.8、603.6nm附近; 一階微分變換后的曲線敏感波段在395.9、414.3、465.8、1436.0、1571.6、1668.0、2057.2、2265.2nm 附近。以0.05水平顯著相關(guān)性判斷: 原始曲線的敏感波 段在873.6、1022.0、1382.6、1917.4nm附近; 一階微分變換后曲線的敏感波段在377.4、958.5 nm 附近。

圖 2 鉛含量與光譜反射率的相關(guān)系數(shù)利用選取的原始光譜

利用選取的原始光譜及其一階微分光譜的敏感波段的反射率作為自變量，樣本實(shí)測(cè)值作為因變量，通過驗(yàn)證均方根誤差來選擇偏最小二乘回歸模型的最佳主成分。由表2可見，2種模型中，原始光譜反射率模型的決定系數(shù)較低，經(jīng)過一階微分變換后的模型決定系數(shù)明顯提高。一階微分可以消除一定的基線變動(dòng)和平緩背景干擾的影響，提供更高分辨率的光譜和更清晰的光譜輪廓，從而增強(qiáng)土壤中重金屬的光譜信息。因此基于一階微分光譜建立的土壤鉛含量反演模型為最佳模型，模型如下:

式中，Y為Pb含量預(yù)測(cè)值，Xn為第n波段所代表的反射率值。

表 1 地物光譜不同變換的反射率與重金屬Pb含量的最大相關(guān)系數(shù)

表 2 基于地物光譜的土壤鉛含量 偏最小二乘回歸模型檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 多光譜模型的建立

由表3可見，Landsat8影像存在10個(gè)與重金屬Pb含量相關(guān)的波段組合，其中B1－B7、B2－B7這2個(gè)波段組合達(dá)到極顯著水平( P＜0.01) ， B3－B4、B1－ B4、B2－B4、B3－B7、B1/B3、 B1/B4、B2/B4 和B3/B4 這8個(gè)波段組合達(dá)到顯著水平( P＜ 0.05) 。B1、B2、B3、B4、B7雖然與土壤重金屬Pb含量相關(guān)不顯著，但其組合后與土壤重金屬Pb含量則具有較高的相關(guān)性，因此，選用這10個(gè)影像波段組合建立重金屬鉛的反演模型。

表 3 影像波段與重金屬 Pb 含量的相關(guān)系數(shù)

將Landsat8與重金屬Pb含量相關(guān)的波段作為自變量，土壤重金屬含量作為因變量，采用偏最小二乘回歸法建立反演模型。建模Ｒ2為0.37,驗(yàn)證Ｒ2為0.47，建模和預(yù)測(cè)效果相對(duì)較好(表 4) 。

表 4 Landsat8波段反演土壤鉛含量的偏最小二乘回歸模型檢驗(yàn)結(jié)果

多光譜預(yù)測(cè)土壤重金屬 Pb 模型如公式( 5) 所示。

式中，Y為Pb含量預(yù)測(cè)值，Xn為第n波段所代表的反射率值。

3.3 基于地物光譜與Landsat8波段建立模型的對(duì)比

將驗(yàn)證樣點(diǎn)的反射率帶入基于地物光譜和Landsat8 波段反演模型中，利用驗(yàn)證樣點(diǎn)的Pb含量實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值繪制散點(diǎn)圖，如圖3所示。橫坐標(biāo)代表驗(yàn)證樣點(diǎn)的 Pb含量實(shí)測(cè)值，縱坐標(biāo)代表驗(yàn)證樣點(diǎn)的Pb含量預(yù)測(cè)值?；谠嫉匚锕庾V、一階微分地物光譜和 Landsat8波段建立的土壤Pb含量預(yù)測(cè)模型三者間比較，模型穩(wěn)定性和建模精度為一階微分地物光譜 ＞ Landsat8波段＞原始地物光譜; 而所建立的回歸模型經(jīng)驗(yàn)證后，模型穩(wěn)定性和建模精度為L(zhǎng)andsat8波段 ＞一階微分地物光譜＞原始地物光譜。證明: 基于一階微分地物光譜的偏最小二乘回歸模型的建模精度與穩(wěn)定性最高，驗(yàn)證精度與穩(wěn)定性較高，為預(yù)測(cè)土壤重金屬 Pb含量的最優(yōu)模型; 基于Landsat8影像波段的偏最小二乘回歸模型建模和驗(yàn)證的精度與穩(wěn)定性較高，可以粗略地 預(yù)測(cè)研究區(qū)土壤重金屬Pb含量。

圖 3 重金屬 Pb 含量偏最小二乘回歸模型實(shí)測(cè)值與估算值的比較

3.4 基于多光譜模型的土壤鉛空間分布反演

模型的精度評(píng)價(jià)僅能反映土壤鉛模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間數(shù)值的差異，很難發(fā)現(xiàn)土壤鉛預(yù)測(cè)的空間分布是否符合實(shí)際情況。因此，本研究采用地統(tǒng)計(jì)插值法，得到土壤重金屬實(shí)測(cè)值的空間分布圖( 圖 4) 。再采用平臺(tái)上 的波段計(jì)算和裁剪功能，利用預(yù)處理后的Landsat8影像波段反射率反演出研究區(qū)農(nóng)田土壤鉛的空間分布狀況( 圖 5) 。

圖4 土壤 Pb 含量實(shí)測(cè)值的空間分布

圖 5 土壤 Pb 含量基于 Landsat8 數(shù)據(jù)反演的空間分布

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)Pb含量和Landsat8反演的土壤Pb 含量都主要集中在研究區(qū)東部，呈自西向東增加的趨勢(shì)?；贚andsat8數(shù)據(jù)反演的鉛含量在研究區(qū)西部存在少量條形的含量較高區(qū)域，經(jīng)證實(shí)，這些區(qū)域?yàn)榈缆芳捌渲苓呁寥?。根?jù)可借用的觀點(diǎn)，人類活動(dòng)是表層土壤鉛污染的重要來源，工業(yè)廢棄物、汽車尾氣、生活垃圾等人為污染源是城市表層土壤鉛污染最可能的來源。道路 及其周邊表層土壤中鉛的高含量與使用含鉛汽油導(dǎo)致的汽車尾氣排放大氣沉積有關(guān)。因此，基于Landsat8 數(shù)據(jù)反演的土壤鉛空間分布符合實(shí)際土壤重金屬鉛的空間分布，說明利用遙感技術(shù)反演土壤某些重金屬元素含量具有可行性。

4、討論

重金屬元素由于在土壤中的含量較低，在反射光譜中很難有固定的特征范圍。農(nóng)業(yè)土壤的重金屬含量很少達(dá)到高污染水平，因此，從重金屬對(duì)光譜吸收特征的角度，利用光譜直接預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)土壤重金屬含量將變得非常困難。有研究者研究了湖北省武漢市反射光譜與 農(nóng)業(yè)土壤中Pb和Zn含量間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Pb和Zn的光譜檢測(cè)主要依賴于它們與土壤有機(jī)質(zhì)的共變。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中所有含碳的有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)主要通過螯合和絡(luò)合作用與重金屬離子結(jié)合，是吸附重金屬離子最主要的土壤組分。因此，可以利用有機(jī)質(zhì)與光譜之間的特征，達(dá)到預(yù)測(cè)土壤重金屬含量的目的。本研究對(duì)此也進(jìn)行了 探索研究: 首先計(jì)算了41個(gè)樣點(diǎn)的土壤有機(jī)質(zhì)含量與光譜反射率的相關(guān)性，然后利用趨勢(shì)線功能并基于各波段反射率對(duì)重金屬進(jìn)行擬合，結(jié)果(表 5) 顯示，反射率與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性越高，反射率與Pb含量的擬合效果越好。表明，雖然重金屬元素不能直接影響土壤光譜產(chǎn)生固定的光譜特征，但可以通過它們與土壤有機(jī)質(zhì)含量的協(xié)同變化， 利用反射光譜對(duì)其含量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表 5 單變量回歸方法預(yù)測(cè)結(jié)果

5、結(jié)論

本研究以實(shí)測(cè)地物光譜和Landsat8多光譜影像波段為遙感數(shù)據(jù)源，利用偏最小二乘回歸分析方法，結(jié)合實(shí)地采集土樣的Pb含量數(shù)據(jù)，分析了土壤重金屬Pb含量與兩種光譜數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并分別建立了基于兩種光譜數(shù)據(jù)的土壤重金屬Pb含量預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)克拉瑪依市某區(qū)域土壤重金屬Pb含量的反演研究，得到如下結(jié)論: ( 1) 對(duì)地物光譜進(jìn)行一階微分變換能更好地提取光譜特征波段，所建立的模型為最優(yōu)模型，能滿足預(yù)測(cè)重金屬 Pb 含量的精度要求。(2) 多光譜影像通過波段差值以及波段比值等方式也能使組合波段與土壤重金屬具有較高的相關(guān)性，并且基于Landsat8影像數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的土壤Pb含量空間分布與基于土壤實(shí)測(cè)樣點(diǎn)鉛含量的空 間分布相符，證明Landsat8影像對(duì)部分土壤重金屬 具有較好的響應(yīng)能力，其時(shí)間和空間覆蓋能力可對(duì)將來大區(qū)域的土壤重金屬含量反演提供幫助。

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審核編輯黃宇