張清文，吳風(fēng)華，宋敬茹，汪金花，張永彬，劉明月,2,3,4，李孟倩，李春景，郝玉峰，滿衛(wèi)東,2,3,4*

基于光譜變換的濱海濕地土壤全氮含量建模預(yù)測(cè)①

張清文1，吳風(fēng)華1，宋敬茹1，汪金花1，張永彬1，劉明月1,2,3,4，李孟倩1，李春景5，郝玉峰6，滿衛(wèi)東1,2,3,4*

(1 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山 063210；2 唐山市資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063210；3 河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北唐山 063210；4 礦產(chǎn)資源綠色開發(fā)與生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，河北唐山 063210；5延邊大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，吉林延吉 133002；6 河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島 066001)

光譜變換；土壤全氮含量；偏最小二乘回歸；隨機(jī)森林回歸；支持向量機(jī)回歸

氮元素是土壤中最大的限制性營(yíng)養(yǎng)元素，在動(dòng)植物生長(zhǎng)、微生物呼吸中有著不可或缺的作用[1]。土壤全氮(TN)含量的高低直接影響濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力，且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)等其他生物化學(xué)循環(huán)有重要影響[2]。濱海濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的緩沖區(qū)，在凈化水體、涵養(yǎng)水源和保持生物多樣性等方面有重要作用[3]，同時(shí)也是全球氣候變化和人類活動(dòng)共同作用下的生態(tài)敏感區(qū)，生態(tài)脆弱性高。人類生產(chǎn)生活排放已經(jīng)造成濱海濕地氮循環(huán)失衡[4]，所以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤TN含量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)有重要意義。

傳統(tǒng)化學(xué)分析方法測(cè)定土壤TN含量精度較高，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力財(cái)力消耗多，且產(chǎn)生大量環(huán)境污染[5]。高光譜技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)便、無污染估測(cè)土壤各種理化性質(zhì)提供了新的方法。很多學(xué)者通過對(duì)原始光譜進(jìn)行變換、計(jì)算光譜指數(shù)、篩選敏感波段等方法確定自變量，再基于數(shù)學(xué)模型對(duì)土壤各種理化性質(zhì)進(jìn)行估測(cè)，如土壤含水量[6]、重金屬含量[7]、有機(jī)質(zhì)含量[8]、有機(jī)碳含量[9]等，均達(dá)到了較好的預(yù)測(cè)效果。高光譜所含土壤信息豐富，合理選取建模波段對(duì)土壤TN含量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極其重要。劉凡等[10]利用677 nm和1 414 nm波段反射率建立了土壤TN含量模型，但2個(gè)波段難以概括全部土壤信息，所建模型有一定的局限性。李焱等[11]選取Pearson相關(guān)系數(shù)最大的10個(gè)波段與土壤TN含量進(jìn)行建模分析，建模效果得到一定程度的改進(jìn)。于雷等[12]比較了全波段建模與敏感波段建模，發(fā)現(xiàn)雖然基于全波段建模精度要優(yōu)于敏感波段，但敏感波段建立的模型復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全波段建模。為了包含絕大部分光譜信息，同時(shí)盡量降低模型復(fù)雜度，篩選敏感波段是必要的。

目前，用于估測(cè)土壤理化性質(zhì)的線性模型有多元線性回歸、多元逐步回歸和偏最小二乘回歸(Partial Least Square Regression，PLSR)等[13-14]。其中，多元線性回歸適用于自變量少，且自變量之間相關(guān)性較小的情況，對(duì)于土壤光譜，波段數(shù)較多且波段之間相關(guān)性強(qiáng)，所以多元線性回歸有一定的局限性[15]；多元逐步回歸可以篩除干擾變量，選擇合適的解釋變量回歸，但是依然不能解決波段間的共線性問題；而PLSR通過提取主成分的方法可以解決這一問題，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部波段信息的概括，建模效果優(yōu)于多元線性回歸和多元逐步回歸[16]。除此之外，機(jī)器學(xué)習(xí)算法中如決策樹回歸、隨機(jī)森林回歸(Random Forest Regression，RFR)和支持向量機(jī)回歸(Support Vector Regression，SVR)等具有極強(qiáng)的非線性擬合能力，被廣泛應(yīng)用于土壤性質(zhì)的估算[17]。決策樹回歸復(fù)雜度低且適用于高維數(shù)據(jù)，是構(gòu)建非線性模型的常用方法，但單棵決策樹回歸容易過擬合，泛化能力差。RFR由多棵決策樹集成，改善了單棵決策樹的缺點(diǎn)，更加穩(wěn)定，是高光譜估測(cè)土壤理化性質(zhì)的理想方法[18]。除機(jī)器學(xué)習(xí)外，深度學(xué)習(xí)也被廣泛應(yīng)用，有學(xué)者比較了RFR、SVR和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，結(jié)果表明RFR優(yōu)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVR[19]。

濱海濕地土壤受潮汐影響大，海水?dāng)y帶的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多，理化性質(zhì)更新快，濕地土壤TN含量與內(nèi)地差異較大。由于野外采樣受漲潮影響，采樣可達(dá)性差，所以基于原始光譜及其多種光譜變換形式的濱海濕地土壤TN含量建模研究較少?；诖耍狙芯客ㄟ^PLSR、RFR和SVR三種建模方法結(jié)合不同光譜變換構(gòu)建土壤TN含量的預(yù)測(cè)模型，分析模型效果優(yōu)劣，探求可用于濱海濕地土壤TN含量的光譜預(yù)測(cè)方法，以期為估測(cè)濱海濕地土壤TN儲(chǔ)量提供方法依據(jù)，同時(shí)為揭示濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)提供幫助。

1 材料與方法

1.1 土樣的采集與制備

采用環(huán)刀法采集133個(gè)唐山市和秦皇島市濱海濕地表層土樣(采樣深度為0 ～ 20 cm)，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。為減少外界因素對(duì)樣品TN含量的影響，對(duì)所采集的土樣進(jìn)行室內(nèi)自然風(fēng)干，剔除異物，碾磨，過100目篩，然后分為2份，分別用于凱氏蒸餾法測(cè)定土樣TN含量[20]和高光譜數(shù)據(jù)采集。

土壤TN含量統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。土壤TN含量最大值為3.124 g/kg，采集于蘆葦濕地；TN含量最小值為0.024 g/kg，采集于海邊砂土；TN平均含量為0.733 g/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為0.501 g/kg，變異系數(shù)為68.5%。133個(gè)土樣中包含84個(gè)粉土和49個(gè)砂土，不同質(zhì)地的土樣土壤TN含量平均值有顯著差異，粉土TN含量平均值為0.881 g/kg，砂土TN含量平均值為0.478 g/kg。砂粒含量較高的土樣TN含量低，粉粒含量高的土樣TN含量高[21]。

1.2 土樣光譜測(cè)定與預(yù)處理

(該圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為 GS(2020)4619 的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改)

表1 土壤質(zhì)地及其TN含量描述性統(tǒng)計(jì)特征

本研究對(duì)土壤TN含量與光譜反射率及其各種變換形式進(jìn)行相關(guān)性分析，Pearson相關(guān)系數(shù)范圍為–1.0 ～ 1.0，絕對(duì)值越大，其相關(guān)性越高，波段越敏感；選取相關(guān)系數(shù)大于0.4的波段，進(jìn)行<0.01水平上的顯著性檢驗(yàn)，通過顯著性檢驗(yàn)的波段確定為敏感波段，用于土壤TN含量高光譜模型的估算。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1 偏最小二乘回歸(PLSR) PLSR兼顧了多元線性回歸、主成分分析和自變量因變量相關(guān)性分析3種分析方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅能解決自變量相關(guān)性較強(qiáng)的問題，還可以通過提取主成分的方式降低自變量維數(shù)，在樣本數(shù)遠(yuǎn)小于自變量數(shù)的情況下建模。本研究通過判斷留一法(leave One Out，LOO)交叉驗(yàn)證的預(yù)測(cè)均方根誤差(Root Mean Square Error of Prediction，RMSEP)確定主因子個(gè)數(shù)。理想的RMSEP值隨主因子個(gè)數(shù)的增加先遞減，達(dá)到最低點(diǎn)后隨主因子個(gè)數(shù)的增加出現(xiàn)微小上升或波動(dòng)。取RMSEP最小時(shí)對(duì)應(yīng)的主因子個(gè)數(shù)建立PLSR模型可有效避免過擬合問題。本研究選擇與土壤TN含量相關(guān)性強(qiáng)的成分，不考慮全部的自變量，因此建立的模型有更好的魯棒性。采用R軟件中“pls”包完成PLSR建模。

1.3.2 隨機(jī)森林回歸(RFR) RFR是多個(gè)決策樹集成的學(xué)習(xí)器，可以高精度地處理大數(shù)據(jù)集，具有數(shù)據(jù)適應(yīng)性強(qiáng)、不易受極大值或極小值的影響即穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，所以模型穩(wěn)定性比PLSR高。RFR通過對(duì)多個(gè)決策樹的集成融合，輸出結(jié)果為多棵決策樹的平均值。構(gòu)建RFR模型：

1.3.3 支持向量機(jī)回歸(SVR) SVR是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。SVR使用核函數(shù)將數(shù)據(jù)投影到高維空間，并進(jìn)行回歸。在SVR建模中，選取徑向核函數(shù)，調(diào)整兩個(gè)參數(shù)gamma和cost。其中，cost為懲罰系數(shù)，cost過大，容易出現(xiàn)過擬合，cost過小，容易擬合不充分；gamma決定數(shù)據(jù)映射到高維空間后的分布，gamma越大，支持向量越少，gamma值越小，支持向量越多。本研究利用“caret”包的網(wǎng)格搜索法確定最優(yōu)參數(shù)gamma和cost，采用預(yù)測(cè)誤差最小的參數(shù)組合進(jìn)行最終建模。使用R軟件“e1071”包建立SVR模型。

1.3.4 模型精度驗(yàn)證 建立土壤TN預(yù)測(cè)模型，采用LOO交叉驗(yàn)證。模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)采用預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的決定系數(shù)(2)、均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)和平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error，MAE)。其中，RMSE用來衡量觀測(cè)值同真值之間的偏差；MAE是絕對(duì)誤差的平均值，能更好地反映預(yù)測(cè)值誤差的實(shí)際情況。模型精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，2越接近1，擬合效果越好，RMSE、MAE值越小，說明模型估算精度越高。計(jì)算公式為：

表2 模型整體精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[24]

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤光譜特征和全氮含量的相關(guān)性

由圖2可以看出，研究區(qū)土壤樣本的原始光譜反射率()曲線形態(tài)基本一致，各曲線間差異較小，呈曲折上升的弧形，在1 410、1 920、2 210 nm出現(xiàn)3個(gè)明顯的水分吸收谷。其中，在可見光波段(350 ～ 780 nm)范圍內(nèi)，迅速上升；除吸收谷外，在近紅外波段780 ～ 1 900 nm范圍內(nèi)緩慢上升，各樣本光譜間差異較大，至2 100 nm處達(dá)到最大值；在近紅外波段2 150 ～ 2 500 nm范圍內(nèi)，平緩下降。結(jié)合野外采樣點(diǎn)，砂土樣品的曲線在2 300 ～ 2 400 nm處出現(xiàn)明顯吸收谷，此區(qū)間是硅酸鹽礦物中的水分子羥基(–OH)伸縮振動(dòng)的合頻譜帶，由于砂土中硅酸鹽礦物含量較大[25]，所以在圖2中砂土樣品的反射率曲線在2 300 ～ 2 400 nm出現(xiàn)明顯吸收谷，與粉土樣品曲線出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。

圖 2 供試土壤樣本原始光譜反射率

表3 不同變換形式下土壤TN含量與光譜波段的相關(guān)性

注：*、**分別表示在<0.05和<0.01水平顯著相關(guān)。

2.2 模型對(duì)比分析

表4 各預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證與對(duì)比

對(duì)進(jìn)行7種光譜變換之后，建模2、RMSE和MAE得到了改善，但不同變換形式所建模型精度差異較大。和'、1/和(1/)'、lg和(lg)'相比，一階微分變換參數(shù)建模效果顯著優(yōu)于未經(jīng)過一階微分變換參數(shù)。經(jīng)一階微分變換，反射率大小與土壤TN含量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為反射率斜率與土壤TN含量之間的關(guān)系，消除了反射率大小中的噪聲，所以一階微分變換參數(shù)建模的效果普遍較好。和1/、'和1/'在3種建模方法中表現(xiàn)相近，說明經(jīng)簡(jiǎn)單的倒數(shù)運(yùn)算對(duì)光譜信息的挖掘能力較弱。Brunet等[30]、徐永明等[31]也比較了基于微分變換與其他光譜變換所建立的預(yù)測(cè)模型精度，結(jié)果證明，一階微分變換所建模型精度更高。因此，對(duì)進(jìn)行合適的光譜變換，對(duì)于提高土壤TN含量預(yù)測(cè)模型的精度和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用。

本研究選取敏感波段為自變量，以土壤TN含量為因變量進(jìn)行PLSR、RFR和SVR，建立及其7種光譜變換形式對(duì)土壤TN含量的預(yù)測(cè)模型。圖3顯示了3種回歸方法各自的最優(yōu)模型的土壤TN含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)圖，可以明顯看出，SVR模型預(yù)測(cè)的土壤TN含量與實(shí)測(cè)值的擬合曲線比PLSR和RFR模型更接近1∶1線，表明實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值較為接近，模型預(yù)測(cè)精度更高。

圖3 PLSR、RFR、SVR建模中最優(yōu)模型土壤TN含量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

3 結(jié)論

1) 濱海濕地土壤原始光譜反射率與TN含量有較好的相關(guān)性，可以用于對(duì)土壤TN含量進(jìn)行估測(cè)，而對(duì)原始光譜反射率曲線進(jìn)行變換，可進(jìn)一步提高光譜反射率與土壤TN含量的相關(guān)性，其中提高最明顯的變換形式為(1/)'。微分變換可以有效消除噪音，提高光譜反射率對(duì)土壤全氮含量的敏感度，故利用土壤光譜反射率預(yù)測(cè)土壤TN含量是可行的。

2) 根據(jù)光譜反射率及其變換形式建立的PLSR、RFR和SVR模型，每種算法里均有較好的預(yù)測(cè)模型可以粗略預(yù)測(cè)土壤TN含量。在PLSR模型中，基于(1/)' 建立的模型預(yù)測(cè)精度最高，可以粗略預(yù)測(cè)土壤TN含量；在RFR模型中，基于' 建立的模型可精確預(yù)測(cè)土壤TN含量；在SVR模型中，基于1/()'建立的模型可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤TN含量。在建立的模型中，經(jīng)光譜變換后建立的模型預(yù)測(cè)精度比基于建立的模型精度有所提升，故對(duì)變換后建模是科學(xué)的。

3) 基于1/()'建立的SVR模型2為0.987，RMSE為0.057 g/kg，MAE為0.050 g/kg，是預(yù)測(cè)濱海濕地土壤TN含量的最優(yōu)模型。

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Estimating of Soil Total Nitrogen Content in Coastal Wetland Based on Spectral Transformation

ZHANG Qingwen1, WU Fenghua1, SONG Jingru1, WANG Jinhua1, ZHANG Yongbin1, LIU Mingyue1, 2, 3, 4, LI Mengqian1, LI Chunjing5, HAO Yufeng6, MAN Weidong1, 2, 3, 4*

(1 College of Mining Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan, Hebei 063210, China;2 Tangshan Key Laboratory of Resources and Environmental Remote Sensing, Tangshan, Hebei 063210, China; 3 Hebei Industrial Technology Institute of Mine Ecological Remediation, Tangshan, Hebei 063210, China; 4 Collaborative Innovation Center of Green Development and Ecological Restoration of Mineral Resources, Tangshan, Hebei 063210, China; 5 College of Geography and Ocean Sciences, Yanbian University, Yanji, Jilin 133002, China; 6 The 8thGeological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resource Exploration, Qinhuangdao, Hebei 066001, China)

Spectral transformation; Soil total nitrogen content; Partial least squares regression; Random forest regression; Support vector regression

S151.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.022

張清文, 吳風(fēng)華, 宋敬茹, 等. 基于光譜變換的濱海濕地土壤全氮含量建模預(yù)測(cè). 土壤, 2023, 55(4): 880–886.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41901375，42101393)和河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(D2022209005)資助。

(manwd@ncst.edu.cn)

張清文(1998—)，男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境遙感研究。E-mail：zhangqingwen@stu.ncst.edu.cn