分数阶微分在盐渍土高光谱数据预处理中的应用-IngentaConnect.PDF

第 30 卷 第 24 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.24 2014 年 12 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Dec. 2014 151 分数阶微分在盐渍土高光谱数据预处理中的应用 ※ 张 东，塔西甫拉提·特依拜 ，张 飞，阿尔达克·克里木 （1. 新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046； 2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046 ） 摘 要：光谱微分技术在高光谱数据处理中应用广泛，为研究分数阶微分对光谱反射率与盐渍土含盐量之间相关 系数的影响，细化相关系数变化趋势，该文选取新疆塔里木南缘于田绿洲盐渍土为研究对象，以土壤样本含盐量 和反射率高光谱数据为数据源，利用 Grünwald-Letnikov 分数阶微分公式编程计算光谱反射率以及对应的均方根、 倒数、对数、对数倒数、倒数对数变换的 0～2 阶微分（间隔 0.2 阶），对比分析每种变换各阶微分与土壤含盐量 相关系数曲线的变化趋势以及微分处理对单波段相关系数的影响。结果表明：经微分处理，通过相关系数 0.01 显 著性检验水平的波段数量明显增加（0.6 阶＞1 阶＞2 阶＞0 阶），随着阶数增加，呈现先增后减的趋势，且均在分 数阶 0.6 处达到最多。在 0.6 阶处，光谱反射率及 5 种数学变换通过相关系数 0.01 显著性检验的波段数量按照从 大到小为：倒数对数变换=对数变换＞均方根变换＞倒数变换＞光谱反射率＞对数倒数变换。对于波段 2 444 、 2 423 、2 142 、2 005 nm ，微分算法能够大幅提升与含盐量之间的相关性，相关系数绝对值取最大值对应的阶数均 为分数阶。从局部到整体，分数阶微分提升相关性的效果明显优于整数阶微分。该研究结果为分数阶微分在高光 谱技术监测土壤盐渍化现象中的应用提供参考依据。 关键词：土壤；光谱分析；数据处理；盐渍化；分数阶微分；高光谱 doi ：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.24.018 中图分类号：TP79 ；S127；S155.2+93 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-24-0151-10 张 东，塔西甫拉提·特依拜，张 飞，等. 分数阶微分在盐渍土高光谱数据预处理中的应用[J].农业工程学报， 2014，30(24)：151－160. Zhang Dong, Tashpolat·Tiyip, Zhang Fei, et al. Application of fractional differential in preprocessing hyperspectral data of saline soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(24): 151 －160. (in Chinese with English abstract) 土壤盐渍化是干旱、半干旱区所面临的主要生 0 引 言 态环境问题之一，严重制约农业生产[9-10] 。土壤盐 在已有的光谱数学分析方法中，光谱微分（导 分高光谱反演模型是土壤盐渍化高光谱遥感监测 数）技术是在高光谱数据预处理中一种极具应用价 的重要研究内容之一[11] 。目前，已有大量研究对不 值的分析方法，常用于光谱信息增强[1-3] 。对高光谱 同地区的盐渍化土壤盐分进行了高光谱定量反演。 数据进行不同阶数的微