基于高光谱的土壤全氮含量估测

基于高光谱(350~2 500 nm)数据,研究了我国中、东部地区5种主要类型土壤全氮含量与高光谱反射率之间的定量关系,构建了基于偏最小二乘法(PLS)、BP神经网络(BPNN)和特征光谱指数的土壤全氮含量估算模型。结果表明,以500~900 nm、1 350~1 490 nm区域波段反射率经Norris滤波平滑后的一阶导数光谱为基础,构建的基于PLS和BPNN的土壤全氮含量估算模型精度较高,建模决定系数分别为0.81和0.98;独立观测资料检验结果显示,模型预测决定系数分别为0.81和0.93,均方根误差RMSE为0.219 g·kg^-1和0.149 g·kg^-1,相对分析误差RPD为2.28和3.36,说明PLS和BPNN模型对土壤全氮含量具有较高的预测精度。在光谱指数的分析中,基于近红外872 nm和1 482 nm 两个波段的差值光谱指数DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂)对土壤全氮含量最敏感,建模决定系数、预测决定系数、RMSE和RPD分别为0.66、0.53、0.31 g·kg^-1和1.60。比较而言,三种方法估算土壤氮含量的精度顺序为BPNN模型＞PLS＞DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂),基于PLS和BPNN两种方法建立的土壤全氮含量高光谱估测模型具有较高的精度,可以用来精确估算土壤全氮含量;基于两波段构建的DI(NDR₈₇₂,NDR₁₄₈₂)预测效果低于前两者,但也可以用来粗略估测土壤中的全氮含量。     

基于连续小波变换的土壤重金属镉含量的高光谱估测

选择合理的处理方法可增强土壤光谱中有效信息特征,提高模型估测精度。以新疆渭-库绿洲土壤为研究对象,基于连续小波变换(continuous wavelet transformation, CWT)与传统数学变换相结合的方法进行光谱数据处理并提取特征波段,采用偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络(BPNN)、随机森林回归(RFR)和支持向量机回归(SVMR)方法构建土壤重金属镉含量估测模型。结果表明：(1)土壤原始光谱曲线趋势基本一致,在600～2 450 nm范围内,随着重金属镉含量增加,其光谱反射率降低,二者呈负相关。(2)CWT与原始光谱一阶微分(R′)相结合的处理效果最佳,|r|值可达到0.586,为极显著负相关(P<0.001),表明数学变换与连续小波变换相结合的处理方法可有效反应光谱细节特征。(3)对比各模型的反演结果,发现CWT-R′-SVMR模型的训练集和验证集的决定系数(R²)大于0.86,均方根误差(RMSE)小于0.02 mg/kg,相对分析误差(RPD)大于2,建模效果较好,可作为最优模型对研究区土壤重金属镉含量进行估测。结合数学变换...     

湖北恩施地区土壤重金属高光谱反演模型研究

文章以恩施地区土壤重金属As、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn为研究对象,利用ASD地物光谱仪采集土壤光谱数据,在光谱预处理和相关分析的基础上,采用偏最小二乘回归(PLSR)方法,构建土壤重金属含量与光谱的反演预测模型.结果 表明,平滑处理、一阶导数、去趋势、归一化处理散射校正(SNV)4种光谱处理方法组合使用可以有效地提高模型反演精度;通过对PLSR模型RMSEC、RMSECV、RMSEP、R2Cal 、R2CV 、R2Pred、6种参数分析发现,As、Pb、Cu相比Cd、Cr、Zn在PLSR模型中的测误差值较小且模型的相关性较高,说明模型可以预测As、Pb、Cu 3种元素,该研究为后期采用高光谱遥感影像数据快速监测恩施地区土壤重金属污染情况提供了技术参考.     

城市交通绿地土壤重金属含量的高光谱反演

以交通绿地区土壤Cr、Pb、Zn为研究对象,分析重金属元素与土壤光谱在一阶、二阶等微分变换下的相关性,突出特征波段,通过多元线性逐步回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLSR)方法,建立光谱与重金属元素含量的最佳模型,并进行精度检验与模型预测。结果表明:光谱微分变换可以有效地提高土壤重金属含量与土壤光谱反射率间的相关性,土壤Cr、Pb、Zn的最大特征波段分别在1 289.41、1 408.35、1 411.9 nm;从模型稳定性和精确性来看,土壤Cr、Pb、Zn在PLSR模型中的R~2分别为0.986、0.809、0.629,依次是MLR模型的1.32、1.14、1.12倍,土壤Cr、Pb、Zn在PLSR模型中的建模RMSE均低于MLR模型,PLSR模型效果较优;与土壤Cr相比,土壤Pb、Zn的MLR和PLSR模型效果较差,这可能与人为因素影响有关。     

GF-5高光谱遥感影像的土壤有机质含量反演估算研究

本文基于高光谱遥感影像对土壤有机质含量进行反演估算,以哈尔滨与兴安盟交界处的平原地表土壤为试验对象.首先,基于辐射和几何校正等预处理的高分五号（GF-5）高光谱遥感影像,依据五点采样法采集影像覆盖范围的地表土壤样本共100组,在实验室内进行理化分析等一系列处理获取样本土壤有机质含量数据.然后,运用偏最小二乘法建立高光谱影像土壤沙化指数、土壤退化指数、归一化亮度指数和土壤盐分指数反演土壤有机质含量的估算模型.比较基于原始反射率数据、一节微分反射率数据和4种土壤指数构建的反演模型的预测精度,通过65%的建模样本和35%的预测样本验证表明,反演模型中基于土壤指数建立的反演模型的预测验证精度最高,预测集验证中ρ为0.816,RMSE为1.7287.并将该反演模型运用到高光谱影像的土壤有机质含量的反演估算,实际测量的SOM与影像反演SOM含量变化趋势一致,相关性达到80.023%以上,验证了模型的反演估算精度.     

天山北麓土壤有机质高光谱特征分析

随着土壤遥感科学的快速发展,光谱技术及其相关理论分析在农业生产与生态规划领域得到了广泛的应用。通过对光谱反射率进行一阶微分与倒数对数形式的变换,选取相关系数较大的波段构建基于多元逐步回归与偏最小二乘法的反演模型,得到如下基本结论:土壤光谱的一阶微分的变化,显著提高了土壤有机质含量与光谱间的敏感性;在多元逐步回归分析中,反射率一阶微分的多元回归模型的稳定性及预测精度最好;在偏最小二乘法回归分析中,反射率倒数对数模型的决定系数达到了最高的0.962,而总均方根误差为最低的1.082,其模型的稳定性及预算精度优于其他模型;总体上,偏最小二乘法回归模型的稳定性及预测精度优于多元回归模型,能够进一步满足研究区土壤有机质含量估算的实际需求。     

强化生物除磷过程中污泥胞内糖原的红外光谱分析

采用傅里叶中红外光谱对强化生物除磷过程中污泥胞内糖原物质进行了表征,并将污泥样品与糖原标样的红外光谱进行对比,确认糖原物质在1020 cm-1峰附近有较明显的特征吸收贡献.因此,采用红外光谱945~1150 cm-1区域内的吸收光谱数据,结合测得胞内糖原的含量,应用偏最小二乘法和BP神经网络算法分别建立了污泥红外光谱与糖原含量的定量分析模型.结果显示,偏最小二乘法得到的测量值与预测值具有较小的平均绝对误差(MAE),其相关系数达到0.921.     

基于连续小波变换、SHAP和XGBoost的土壤有机质含量高光谱反演

针对土壤有机质含量高光谱反演中存在的光谱有效信号薄弱和光谱信息冗余问题,提出结合连续小波变换、SHAP和XGBoost的土壤有机质含量高光谱反演框架.以北京市延庆区和房山区永久基本农田土壤为研究对象,首先,基于连续小波变换处理的土壤光谱反射率数据构建初始XGBoost模型;然后,利用SHAP方法分析模型中各波段的贡献度以筛选特征波段;最后,基于特征波段重新构建和优化XGBoost模型,实现土壤有机质含量高光谱反演.发现连续小波变换尺度为25时,利用SHAP方法选取的40个特征波段构建的XGBoost模型准确性最高,有机质含量反演值和实测值之间的R²为0.80,RMSE为3.60g·kg^-1;随着连续小波变换尺度的增大,R2呈现先升高后降低的趋势,25尺度下的R2比21尺度的高0.37;SHAP方法选取的特征波段比Pearson相关分析法少682个,RMSE低0.69 g·kg^-1;XGBoost模型的R2分别比随机森林和支持向量机模型高4%和8%.验证了结合连续小波变换、SHAP和XGBoost在土壤有机质含量高光谱反演...     

预测铜生物毒性的偏最小二乘回归模型

以黄河水体中的铜作为典型污染物,单细胞淡水藻斜生栅藻作为实验生物,应用偏最小二乘回归方法建立了铜的生物毒性预测模型.结果表明,黄河水体中阳离子(K⁺、Na⁺、Mg²⁺)浓度与铜的半抑制浓度(EC₅₀)成负相关,而水体中的DOC、碱度和阴离子浓度与铜的EC₅₀成正相关;影响铜的生物毒性的主要因子是DOC、pH值、碱度和温度.     

珠江口海域总无机氮的遥感提取研究

利用珠江口海域2个航次36个站位的实测遥感反射率和总无机氮(TIN)数据,基于偏最小二乘回归思想,建立了珠江口海域无机氮浓度估算的遥感模型.建模中考虑了6种比值法.结果发现,不同波段与第6波段比值所建立的模型精度最高,故选用该比值法所建立的模型作为珠江口海域无机氮遥感提取模型.利用该模型得到的珠江口海域18站位无机氮浓度和实测值相比,其总体平均相对误差为9.06%,相对误差最大值为18.2%.将该模型用于1998年12月31日的SeaWiFS资料,得到了较好的估算结果.与1998年12月31日的实测资料进行对比分析,实测值与估算值的平均相对误差为31.9%,说明该模型的稳定性较好,能够适用于不同时相的SeaWiFS图像,可为珠江口海域无机氮含量的分布以及富营养化问题研究提供了实时监测的依据.     

春季人工湿地常用植物对总氮去除效果的数学模型研究

选取芦苇、菖蒲、美人蕉和香蒲等4种南京地区常见的人工湿地常用植物作为供试植物,对其在春季对生活污水总氮(TN)去除效果的数学模型进行研究.通过监测引种植物后污水中TN浓度,利用回归分析建立湿地植物去除污染物的数学模型.结果表明:在毒季种植植物后污水中的TN浓度按线性关系减少,其中芦苇、菖蒲和香蒲对污染物的去除效果明显,其直线的相关系数分别达到0.927,0.929和0.979;美人蕉在春季对TN的去除能力较差,其线性仅为0.561.     

基于高光谱特征提取的藻类叶绿素a反演模型

选取自然界中分布较广泛的小球藻和铜绿微囊藻为研究对象,进行室内藻类光谱试验,同步测定其ρ(叶绿素a),并分别建立基于混合高斯函数的小球藻和铜绿微囊藻高光谱信息模型. 在此基础上,利用模拟退火算法实现模型的非线性参数拟合,提取这2种藻的高光谱特征,通过非线性回归分析,反演得到分解后的高光谱信息模型的峰高(h_i)与ρ(叶绿素a)的定量模型,实现对水体中小球藻和铜绿微囊藻ρ(叶绿素a)的预测. 结果表明:藻类高光谱特征提取算法能有效揭示小球藻和铜绿微囊藻的光谱本质特征,并得出相应的小球藻和铜绿微囊藻叶绿素a反演模型.      

湿地植物对外源氮、磷输入的响应研究

通过人工控制试验,研究了氮、磷输入对沼泽湿地植物地上生物量,相对密度以及植物对氮、磷吸收量的影响.结果表明:营养物质氮、磷的长时间累积,导致湿地植物地上生物量和相对密度均呈逐渐下降的年际变化趋势,地上生物量和相对密度之间表现为微弱的单峰变化关系.在氮输入下,随着氮施用量的升高,氮的吸收率从62.3%下降到5.5%;在磷输入下,随着磷施用量的升高,磷的吸收率从3.1%下降到0.8%.氮、磷的施用量愈高,植物对氮、磷的吸收率愈小.氮、磷输入有可能改变湿地生态系统的物种组成和结构及湿地生态系统的稳定和保护,应当考虑湿地中营养物质的长期作用.      

循环流廊道湿地中氮归趋过程模拟研究

针对新型高效脱氮循环流廊道(CFC)湿地,构建了涵盖6种氮形态、3类介质、10种代谢途径的N循环模型,探索了湿地内N迁移转化模式.结果表明,沸石吸附(53.3%)、植物吸收NH+4-N(27.6%)、NO-3-N反硝化(10.2%)、植物吸收NO-3-N(2.9%)和NO-2-N短程反硝化(1.5%)对TN去除贡献依次降低.NH+4-N去除机制存在季节差异,其中1月NH+4-N主要通过沸石吸附去除(84.5%);4~6月通过植物吸收去除(76.4%~85.3%);7月通过沸石吸附(36.1%)、亚硝化(45.8%)及植物吸收(21.4%)共同去除.此外,定期收获植物、按期再生沸石及种植水生植物可分别提升TN去除率1.7%~7.7%、43.1%~72.2%和19.8%~36.2%.综之,CFC湿地去除途径多样性保障了TN的长期高效去除.     

湿地植物对郊区污水中氨氮净化效果的研究

采用实验模拟潜流式人工湿地的方法,通过测定污水中的氨氮指标,研究芦苇、香蒲对污水的净化效果。结果表明：单种芦苇、单种香蒲及芦苇香蒲交叉种植对氨氮的去除率分别为84．45％、72．77％、72．10％。     

水培植物净化系统不同氮磷去除作用的贡献

文章通过采用生活污水分别水培吊兰、空心菜和水芹,研究了水培植物净化系统不同氮磷去除作用对氮磷去除的贡献.结果表明,吊兰、空心菜和水芹三种水培植物净化系统中,微生物及其它作用对氮磷去除的贡献最大,植物吸收作用对氮磷去除的贡献次之;而沉淀作用、粘附作用和吸附作用对氮磷去除的贡献相对较小.在吊兰、空心菜和水芹三种水培植物净化...     

人工湿地系统中氮、磷迁移转化规律试验研究

基于美人蕉垂直流人工湿地装置,研究废水中不同形态的氮和磷在人工湿地中的迁移转化规律,探讨人工湿地在脱氮除磷过程中填料、植株与微生物之间的关系和作用.结果表明,湿地装置1#出水口中各种污染物的去除效率均优于其他出水口,处理效果总体上沿程下降;装置中的基质对废水中氮、磷的吸附能力在湿地运行初期最强;美人蕉对氮、磷的累积量地上部分为1 407.68 mg/m2和260.52 mg/m2,地下部分为460.76mg/m2和62.01 mg/m2.表明植物对氮、磷污染物的吸收主要集中在地上部分.     

养猪废水中磺胺嘧啶对湿地底泥中氮转化微生物及过程影响

为探讨养殖废水中兽用抗生素对湿地系统中氮素转化及相关微生物过程的影响,以养殖废水中常见的抗生素SD（磺胺嘧啶）为例,设置0、10、100和1 000 μg/L 4个添加浓度开展模拟试验.通过qPCR（实时荧光定量PCR）技术,测定了湿地底泥中氨氧化和反硝化功能基因丰度,结合Pearson相关分析,分析了养殖废水中不同氮素形态与底泥中氮转化功能基因丰度的关联性.结果表明:①与CK组比较,添加SD对湿地TN的最终去除效果无显著性差异,4个处理组的TN去除率为75.4%~80.5%,但在培养前期（0~14 d）,SD对水体NH₄+-N和NO₃--N转化的抑制率最高分别达53.0%和99.5%,随着SD浓度的增加,抑制作用越强,到培养后期（14~28 d）,各处理水体中不同形态的氮浓度无显著差异.②由qPCR测试结果得出,湿地底泥中AOA（氨氧化古菌）的丰度比AOB（氨氧化细菌）高出1~2个数量级,表明AOA在氨氧化过程中起主导作用,另外在培养第7天,AOB发生显著抑制现象,对SD更敏感;与CK相比,在第7天和第14天,反硝化基因narG、nirS、nirK和nosZ丰度随SD浓度的增加而逐渐降低.③相关性分析结果表明,AOA与ρ（NH₄+-N）呈极显著正相关（P < 0.01）,AOB与ρ（NO₃--N）呈极显著正相关（P < 0.01）,nirK与ρ（NO₂--N）呈极显著正相关（P < 0.01）.研究显示,SD能抑制湿地底泥中氮转化微生物及相关氮转化过程,且SD浓度越大,抑制作用也越大,但随着培养时间的增加抑制作用会减弱.      

污染物负荷与组成对潜流人工湿地脱氮效果影响研究

为研究污染物负荷与组成对人工湿地系统脱氮效果的影响,在构建小试湿地试验装置的基础上,使用模拟污水进行了TN去除试验．试验的影响因素包括：水力学停留时间,单一污染物负荷量,P（C）：P（N）,TN组成,有机质（以COD计）-氨氮-硝氮比例等。其中,3种污染物最佳比例试验采用正交试验法进行。停留时间试验、单一负荷试验、p（C）：p（N）试验、TN组成试验得到各自的变化趋势,并能够用人工湿地基本理论解释。正交试验确定的3种污染物的最佳比例质量浓度为：有机质：氨氮：硝氮=20：3：3。结论认为．湿地脱除污染物的不同机理是影响TN去除效果根本原因。氨氮的去除主要是依靠好氧微生物的作用．硝氮的去除则主要依靠反硝化菌的作用．并需要充足的碳源。TN组成问题应综合考虑氨氮和硝氮的负荷总量和水力学停留时间,3种污染物对TN去除影响的主次顺序为：氨氮〉硝氮〉有机质．最优方案的理论TN去除率达到92．26％。此外．可能还存在着其它重要的影响人工湿地TN去除率的因素。