土壤重金属Cu含量遥感反演的波段选择与最佳光谱分辨率研究.PDF

土壤重金属Cu含量遥感反演的波段选择 与最佳光谱分辨率研究 黄长平；刘 波；张 霞；童庆禧 中国科学院遥感应用研究所遥感科学国家重点实验室 中国科学院研究生院 摘要：高光谱数据以其高光谱分辨率和多而连续的光谱波段为预测土壤重金属污染提供了有力工 具，但波段选择方法与光谱分辨率的影响不容忽视。利用实验室测定的181令土壤光谱样本数据， 利用逐步回归法进行土壤Cu含量反演的波段选择，进而利用偏最小二乘方回归PLSR方法建模， 分析了波段数对Cu含量反演的影响；此外，采用高斯响应函数重采样方法，探讨了光谱分辨率降 低对反演精度的影响。实验表明，预测重金属元素Cu含量的最佳波段数为 10个，模型可决系数 R~2=0．7523，拟合均方根误差RMSE=0．4699；预测Cu含量的最佳光谱采样间隔为32nm，R~2= 0.7028，RMSE=0.5147。该结果可能为将来设计低廉实用的高光谱卫星传感器提供指标论证，为 模拟卫星传感器波段预测土壤重金属含量提供理论依据。 Cu含量遥感预测；高光谱数据；光谱重采样；PLSR；波段选择 1 引 言 内土壤光谱与Hg含量的预测模型，二者相关系数R 一0。69，预测均方根误差RMSE-0*15。 伴随工业化的快速进程，土壤重金属污染不断加 然而，在对土壤光谱分析时，国内外学者往往忽 重。土壤在农业生态系统中扮演重要角色，然而由于 略了波段的选择和光谱分辨率对土壤重金属预测的 无节制的矿产开采，废水、废渣和废气的不合理排放， 重要性，进而导致预测精度不能进一步提高。此外， 导致矿床周边土壤退化，甚至遭受严重污染n]。铜 在建模算法选择方面，由于高光谱数据波段众多且 (Cu)作为一种重要的重金属，其对土壤乃至整个生态 冗余性高，利用Ml。R和PCR法建模反演重金属含 系统的危害已引起国内外科学工作者和政府的高度 量都不是最佳选择，尤其是基于MLR的预测模型 重视野‘，土壤重金属污染监测及修复工作迫在眉睫。 易出现过拟合现象，而PLSR法能够在波段个数相 随着高光谱遥感技术的发展，其以光谱分辨率 对较多且严重自相关的情况下进行回归建模，适用 高、波段多且连续性强等特点将逐步取代传统以化学 于对连续光谱的分析5]‘。 分析为主的监测方法，高光谱遥感可以 得地物的精 细光谱信息，为定量预测分析土壤重金 污染提供了 本文对在南京城郊采集的181个土壤样本数据 强有力的工具。Kemperc3]等利用 FieldSpecProFR 进行实验室Cu含量化验分析和室内光谱测量，研 分光辐射光谱仪测得土壤光谱反射率，并基于多线性 究了在不同入选波段数、不同光谱采样间隔下，基予 回归Ml．R建模以预测 As、Cd、Cu、Fe、Hg、Pb、S、Sb PI。SR法构建土壤高光谱反射特征与重金属元素 和Zn等9种土壤重金属含量，其中有 6种重金属含 Cu含量的预测模型，并提出了预测重金属Cu的最 量的预测精度超过70%(R20.7)，但Cd、Cu和Zn 佳入选波段数和最佳光谱采样间隔，以期为土壤重 的预测效果不明显。吴昀昭n1等用PCR法建立了室 金属的高光谱遥感预测提供新思路，同时可能为将 国家自然科学基金；国家科技支撑计划项目(2007BAH15B01)；国防科工委民用航天空间应用项 目“