ASD FieldSpec光譜儀在預(yù)測土壤水力特性上的應(yīng)用

 

      土壤水力參數(shù)，如田間持水量（FC）和永久萎蔫點（PWP），在灌溉管理、干旱風(fēng)險評估和土地利用規(guī)劃等方面發(fā)揮著重要作用。這些水力特性是動態(tài)的，隨土壤類型、作物類型和生長季而變化。傳統(tǒng)方法估算大尺度水力特性費時費力，而土壤傳遞函數(shù)（PTF）作為一種替代方法，已被用于使用易測量的土壤特性（如土壤粒級、有機碳和容重）來估計土壤水力特性。這些預(yù)測參數(shù)在很大程度上受各種內(nèi)在土壤特性如土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)、容重和孔隙度的影響。隨著光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，因其快速、低成本和無損測量，許多研究者已經(jīng)利用可見近紅外（Vis-NIR）光譜預(yù)測了土壤特性，而使用光譜數(shù)據(jù)繪制印度土壤類型水力特性的研究非常有限。

      基于此，在本研究中，一組研究團(tuán)隊在印度卡納塔克邦高原北部地區(qū)收集了558個土壤樣本，在實驗室中測量了其FC， PWP和土壤含水量，并利用ASD FieldSpec光譜儀測量土壤光譜反射率。通過支持向量機、隨機森林和偏最小二乘回歸三個模型預(yù)測FC和PWP。其中，2/3的數(shù)據(jù)集用于校準(zhǔn)（368個樣品），1/3的數(shù)據(jù)集用于驗證（190個樣品）。本研究目標(biāo)為通過不同統(tǒng)計技術(shù)檢驗實驗室Vis-NIR光譜數(shù)據(jù)估算水力參數(shù)的有用性。
 

【結(jié)果】
 

FC和PWP預(yù)測模型的性能（50 次迭代）
 

驗證集FC和PWP預(yù)測值和觀測值散點圖（RF方法）（變性土-綠點，淋溶土-紅點，弱育土-藍(lán)點，新成土-黃點）。傳統(tǒng)PTF方法預(yù)測驗證集FC和PWP含水量的性能。

【結(jié)論】

      驗證結(jié)果表明，與PLSR模型相比，RF和SVM性能較好。與田間持水量（R2=0.66-0.69和RMSE=7.25-7.51%）相比，永久萎蔫點預(yù)測良好（R2=0.70-0.74，RMSE=5.44-5.74%）。在土綱中，Vis-NIR光譜（R2=0.34&0.42）對變性土FC和PWP的預(yù)測不佳，對淋溶土（0.44&0.52）和弱育土（0.55&0.65）的預(yù)測結(jié)果一般，而對新成土（0.83&0.76）預(yù)測結(jié)果較好。總體而言，結(jié)果與傳統(tǒng)PTF方法相當(dāng)。目前結(jié)果表明，可見近紅外光譜有助于快速準(zhǔn)確地估計該國半干旱地區(qū)的水力特性。

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