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的干擾，如采礦、工業(yè)化和農(nóng)業(yè)活動，導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤污染。在各種土壤污染中，有毒元素會對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，以評估所選變量對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）
 

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

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
 

【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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