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ASD | ASD FieldSpec 3地物光譜儀在確定土壤有毒元素上的應(yīng)用

來源:北京理加聯(lián)合科技有限公司   2022年12月29日 09:46  

ASD | ASD FieldSpec 3地物光譜儀在確定土壤有毒元素上的應(yīng)用

土壤質(zhì)量直接影響其有機(jī)體的健康。然而,土壤容易受到人類活動(dòng)的干擾,如采礦、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)活動(dòng),導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤污染。在各種土壤污染中,有毒元素會(huì)對(duì)人類和家畜健康以及食品安全造成威脅。因此,監(jiān)測這些污染類型的濃度和分布對(duì)于土壤修復(fù)項(xiàng)目至關(guān)重要。然而,傳統(tǒng)采樣和實(shí)驗(yàn)室分析方法成本高、費(fèi)事費(fèi)力且局限于采樣點(diǎn)位置,不能很好地具體化濃度的空間分布。因此,需要具有高空間效應(yīng)的快速有效的技術(shù)。許多研究已經(jīng)利用圖像光譜和其它輔助數(shù)據(jù)或環(huán)境變量來預(yù)測有毒元素的分布。而由于衛(wèi)星圖像中云或陰影的存在,土壤采樣和圖像獲取日期存在差距,這種情況下,需要用到具有不同光譜和空間特征圖像的融合,以增加圖像的時(shí)間分辨率。Sentinel-2A是“全球環(huán)境與安全監(jiān)測”計(jì)劃的第二顆衛(wèi)星,其攜帶一枚多光譜成像儀,可覆蓋13個(gè)光譜波段,從可見光和近紅外到短波紅外,具有不同的空間分辨率。Landsat 8是美國陸地衛(wèi)星計(jì)劃的第八顆衛(wèi)星,其攜帶的陸地成像儀包括9個(gè)波段,空間分辨率為30 m。兩者的協(xié)同應(yīng)用將改進(jìn)對(duì)地球表面的及時(shí)和準(zhǔn)確觀測,以及遙感不同學(xué)科的使用。

基于此,在本研究中,來自捷克生命科學(xué)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)于2015年8月12日在Sarcheshmeh礦山采集了120個(gè)土壤樣品,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)(As、Pb、Zn和Cr)和光譜測量(ASD Fieldspec 3地物光譜儀)。并于2015年8月13日獲取Landsat 8-OLI圖像,2016年1月20日獲取Sentinel-2A圖像。旨在探索Landsat 8-OLI和Sentinel-2A單個(gè)圖像及其相融合量化As、Pb、Zn和Cr的潛力。為了達(dá)到融合目的,作者采用了不同的融合技術(shù),即HSV色彩模型、Brovey、主成分分析(PCA)、Gram-Schmidt (GS)、小波和ATPRK。同時(shí),采用遺傳算法(GA)選取實(shí)驗(yàn)室光譜中所需的重要波長,以建立偏最小二乘回歸(PLSR)預(yù)測模型,以評(píng)估所選變量對(duì)最終模型性能的影響。

【結(jié)果】

利用全部光譜(PLSR)和選定波長(GA-PLSR)建立的有毒元素預(yù)測模型的性能。(驗(yàn)證數(shù)據(jù)集)

ASD | ASD FieldSpec 3地物光譜儀在確定土壤有毒元素上的應(yīng)用

整合了Landsat 8-OLI和Sentinel-2A波段的融合方法的定量評(píng)估

ASD | ASD FieldSpec 3地物光譜儀在確定土壤有毒元素上的應(yīng)用

將GA-PLSR應(yīng)用在圖像像素光譜中建立的有毒元素預(yù)測模型的性能

ASD | ASD FieldSpec 3地物光譜儀在確定土壤有毒元素上的應(yīng)用

【結(jié)論】

研究結(jié)果表明,與單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像的像素光譜相比,其融合產(chǎn)物的像素光譜與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測樣品的反射響應(yīng)高度一致,尤其是在VNIR區(qū)。單因素方差方法也在實(shí)驗(yàn)室光譜和融合圖像像素光譜之間產(chǎn)生了更相似的波長。對(duì)于單個(gè)Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像,GA-PLSR模型在Sentinel-2A數(shù)據(jù)上性能較好,而Landsat8-OLI對(duì)As的預(yù)測結(jié)果更好。與其它融合技術(shù)相比,將GA-PLSR模型應(yīng)用在ATPRK融合的圖像中可以產(chǎn)生更準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果??傊?,該研究表明,Landsat 8-OLI和Sentinel-2A圖像相融合可以提高土壤有毒元素預(yù)測模型的性能。

 

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