本發(fā)明涉及土壤有機質(zhì)檢測，尤其涉及一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法。

背景技術：

1、如何準確而快速地分析土壤的理化性質(zhì)，一直是研究者們努力探索的重點問題。近年來，光譜遙感技術的出現(xiàn)為這一問題提供了極具潛力的解決方案。該技術能夠捕捉土壤的反射信息，無損地揭示土壤的內(nèi)在特征，并具備大規(guī)模、時效性強和效率高等特點。

2、然而，光譜遙感技術仍然存在一些問題，大致可概括為如下幾類：

3、光譜技術在反演土壤成分時主要依賴于統(tǒng)計建模方法。這類方法的一個顯著問題是它們對數(shù)據(jù)的高度依賴性，這導致在一個地區(qū)建立的統(tǒng)計模型往往難以在其他地區(qū)有效應用，具有明顯的局限性。

4、此外，土壤的光譜反射率受到眾多因素的影響并且涉及到多種物質(zhì)的相互作用和反射、散射、吸收等物理過程，現(xiàn)有的土壤輻射傳輸模型只考慮單一因素，忽略了土壤復雜的成分構成，使得模型精度無法提高。本發(fā)明擬考慮土壤有機質(zhì)和鐵氧化物對光譜反射率的綜合影響，構建土壤雙因素輻射傳輸模型，為后續(xù)的土壤成分聯(lián)合反演提供保障。

5、當前缺失土壤多成分聯(lián)合反演研究，且土壤多成分反演存在病態(tài)問題，如何解決病態(tài)反演問題是土壤遙感反演領域內(nèi)的熱點。因此，需要發(fā)展一種基于土壤多因素影響輻射傳輸模型的土壤多成分聯(lián)合反演方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問題，提供一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法。

2、本發(fā)明目的在于提供一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，具體包括如下步驟：

3、s1.采集土壤樣本，獲取土壤樣本的反射率光譜數(shù)據(jù)；

4、s2.基于所述反射率光譜數(shù)據(jù)構建土壤雙因素輻射傳輸模型；包括如下子步驟：

5、s21.建立轉(zhuǎn)換反射率r、土壤有機質(zhì)含量θsom和土壤鐵氧化物含量θsio的關系；

6、s22.利用km模型建立反射率r與所述轉(zhuǎn)換反射率r的關系，得到所述反射率r、所述土壤有機質(zhì)含量θsom和所述土壤鐵氧化物含量θsio的關系，構建土壤雙因素輻射傳輸模型；

7、s3.基于所述土壤雙因素輻射傳輸模型，采用貝葉斯方法聯(lián)合反演土壤有機質(zhì)和鐵氧化物含量。

8、優(yōu)選的，轉(zhuǎn)換反射率r、土壤有機質(zhì)含量θsom和土壤鐵氧化物含量θsio的關系的表達式如下：

9、

10、其中：

11、

12、式中，s1、k1和r1分別為有機質(zhì)和鐵氧化物含量為θsom1和θsio1時土壤的散射系數(shù)、吸收系數(shù)和反射率；ri代表入射光從空氣中入射到土壤表面的菲涅爾反射率；a1表示有機質(zhì)吸收系數(shù)ksom與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值；a2表示鐵氧化物吸收系數(shù)ksio與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值；a3表示有機質(zhì)散射系數(shù)ssom與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值；a4表示鐵氧化物散射系數(shù)ssio與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值。

13、優(yōu)選的，步驟s3包括如下子步驟：

14、s31.確定特征波長，按照比例劃分訓練集和測試集；

15、s32.基于特征波長的訓練集數(shù)據(jù)，采用遺傳優(yōu)化算法獲得模型參數(shù)的先驗分布信息，將先驗分布信息輸入到貝葉斯模型中；所述先驗分布信息為包括均值和協(xié)方差矩陣的先驗分布函數(shù)；

16、s33.基于先驗分布函數(shù)中的未知參數(shù)φ，構建聯(lián)合后驗概率密度函數(shù)；

17、s34.利用聯(lián)合后驗概率密度函數(shù)對驗證樣本進行土壤有機質(zhì)和鐵氧化物含量估測，得到驗證樣本的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物含量的點估計值。

18、優(yōu)選的，特征波長的數(shù)量為20個。

19、優(yōu)選的，特征波長采用三次單調(diào)埃爾米特插值方法確定。

20、優(yōu)選的，先驗分布函數(shù)p(φ)的表達式如下：

21、p(φ)＝p(θ)p(a)；

22、式中，θ表示土壤屬性的變量，包括土壤有機質(zhì)含量θsom和土壤鐵氧化物含量；a表示光學系數(shù)變量，包括有機質(zhì)吸收系數(shù)ksom與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值a1、鐵氧化物吸收系數(shù)ksio與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值a2、有機質(zhì)散射系數(shù)ssom與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值a3及鐵氧化物散射系數(shù)ssio與已知有機質(zhì)和鐵氧化物含量的土壤散射系數(shù)s1的比值a4。

23、優(yōu)選的，聯(lián)合后驗概率密度函數(shù)表達式如下：

24、

25、式中，p(r)為歸一化常數(shù)，p(ε)表示模型誤差的先驗分布函數(shù)，p(r|φ,ε)為似然函數(shù)；p(r|φ,ε)的表達式為：

26、

27、其中，ri表示在第i個波段的實測反射率，rφ,表示以變量φ輸入到土壤雙因素輻射傳輸模型中在第i個波段模擬的土壤反射率，σ2為方差。

28、優(yōu)選的，在所述步驟s2中還包括模型性能評估，具體方法如下：利用最小二乘算法獲取未知的光學參數(shù)a1、a2、a3和a4，并采用絕對系數(shù)和均方根誤差兩個指標評價土壤雙因素輻射傳輸模型的估測性能。

29、優(yōu)選的，所述步驟s1具體包括如下子步驟：

30、s11.在暗室內(nèi)對地物光譜儀進行預熱和白板標定處理；

31、s12.使用地物光譜儀對土壤樣本進行反射光譜測量，每個土壤樣本采集多條光譜，將土壤樣本的多條光譜曲線的算術平均值作為反射率光譜數(shù)據(jù)。

32、優(yōu)選的，訓練集和測試集使用ks算法按照7：3的比例劃分。

33、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

34、本發(fā)明擬結合貝葉斯方法和土壤雙因素輻射傳輸模型實現(xiàn)土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演，解決病態(tài)反演問題：(1)構建綜合考慮土壤有機質(zhì)和鐵氧化物對光譜反射率影響的土壤雙因素輻射傳輸模型，該模型在模擬光譜反射率方面具有極高的準確性，為后續(xù)的土壤成分反演應用提供保障；(2)提出結合貝葉斯方法和土壤雙因素輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，解決病態(tài)反演問題，為未來的土壤成分反演工作提供了新的解決思路。

技術特征：

1.一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述轉(zhuǎn)換反射率r、土壤有機質(zhì)含量θsom和土壤鐵氧化物含量θsio的關系的表達式如下：

3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述步驟s3包括如下子步驟：

4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述特征波長的數(shù)量為20個。

5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述特征波長采用三次單調(diào)埃爾米特插值方法確定。

6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述先驗分布函數(shù)p(φ)的表達式如下：

7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述聯(lián)合后驗概率密度函數(shù)表達式如下：

8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：在所述步驟s2中還包括模型性能評估，具體方法如下：利用最小二乘算法獲取未知的光學參數(shù)a1、a2、a3和a4，并采用絕對系數(shù)和均方根誤差兩個指標評價土壤雙因素輻射傳輸模型的估測性能。

9.根據(jù)權利要求8所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：所述步驟s1具體包括如下子步驟：

10.根據(jù)權利要求9所述的一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法，其特征在于：訓練集和測試集使用ks算法按照7：3的比例劃分。

技術總結
本發(fā)明涉及土壤有機質(zhì)檢測技術領域，尤其涉及一種基于輻射傳輸模型的土壤有機質(zhì)和鐵氧化物聯(lián)合反演方法。包括：S1.采集土壤樣本，獲取土壤樣本的反射率光譜數(shù)據(jù)；S2.構建土壤雙因素輻射傳輸模型；包括子步驟：建立轉(zhuǎn)換反射率r、土壤有機質(zhì)含量θ<subgt;SOM</subgt;和土壤鐵氧化物含量θ<subgt;SIO</subgt;的關系；利用KM模型建立反射率R與所述轉(zhuǎn)換反射率r的關系，得到所述反射率R、所述土壤有機質(zhì)含量θ<subgt;SOM</subgt;和所述土壤鐵氧化物含量θ<subgt;SIO</subgt;的關系，構建土壤雙因素輻射傳輸模型；S3.基于所述土壤雙因素輻射傳輸模型，采用貝葉斯方法聯(lián)合反演土壤有機質(zhì)和鐵氧化物含量。優(yōu)點在于：土壤雙因素輻射傳輸模型在模擬光譜反射率方面具有極高的準確性；聯(lián)合反演方法解決病態(tài)反演問題。

技術研發(fā)人員：袁靜,顏昌翔,于博,徐嘉蔚,劉雨騰
受保護的技術使用者：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17