[發(fā)明專利]一種基于高光譜成像和支持向量機(jī)技術(shù)的原狀土壤剖面碳組分預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110651965.7
• 申請(qǐng)日: 2021-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN113436153B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐勝祥;趙永存;史學(xué)正;潘賢章;王昌昆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所
• 主分類號(hào): G06T7/00
• 分類號(hào): G06T7/00;G06T5/00;G06V10/25;G06V10/774;G06N20/10;G01N21/25
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 唐循文

本發(fā)明涉及一種基于高光譜成像和支持向量機(jī)技術(shù)的原狀土壤剖面碳組分預(yù)測(cè)方法，基于各樣本位置預(yù)設(shè)深度土壤剖面樣本的高光譜圖像的獲得，以目標(biāo)樣本光譜區(qū)域?qū)?yīng)土壤碳組分類型的各個(gè)特征光譜波段為輸入，目標(biāo)樣本光譜區(qū)域所對(duì)應(yīng)該土壤碳組分類型的土壤碳組分?jǐn)?shù)據(jù)為輸出，通過(guò)訓(xùn)練，獲得該土壤碳組分類型所對(duì)應(yīng)的土壤碳組分預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域土壤剖面碳組分的預(yù)測(cè)；整個(gè)設(shè)計(jì)方案可以快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)原狀土壤剖面有機(jī)碳、可溶性碳、易氧化碳和土壤微生物量碳等組分含量，并實(shí)現(xiàn)精細(xì)化繪制它們?cè)谕寥榔拭嫔系目臻g分布；彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法存在的不足。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于高光譜成像和支持向量機(jī)技術(shù)的原狀土壤剖面碳組分預(yù)測(cè)方法，屬于土壤檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

土壤有機(jī)碳(SOC)對(duì)土壤的物理、化學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程起著重要的調(diào)控作用，不僅是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，也是全球碳循環(huán)的重要組成部分。土壤有機(jī)碳存在于一系列非勻質(zhì)的土壤有機(jī)質(zhì)中，總有機(jī)碳含量的高低可以表征土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量變化，但不能很好地反映其質(zhì)量和內(nèi)在組成變化。通過(guò)物理或化學(xué)分組法，土壤有機(jī)碳庫(kù)可以被分解為許多在功能性或者生物組成上不同的組分。其中土壤活性有機(jī)碳(例如可溶性碳、易氧化碳和土壤微生物量碳等)是土壤有機(jī)碳的活性部分，可以反映土壤有機(jī)質(zhì)的有效組分的變化。由于活性有機(jī)碳容易被微生物降解利用、周轉(zhuǎn)速度快、能夠更加敏感地反映出土地利用方式或者管理措施變化對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，并揭示其生物地球化學(xué)機(jī)制，近年來(lái)逐漸成為土壤質(zhì)量和管理措施的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。因此，研究土壤有機(jī)碳及活性碳組分在土壤剖面中的垂直分布，可為更好地探究深層土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和分布提供科學(xué)依據(jù)。

目前，土壤有機(jī)碳含量檢測(cè)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB?9834-88來(lái)進(jìn)行，即在外加熱(油浴或電砂浴)的條件下，用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)(碳)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，根據(jù)氧化前后氧化劑質(zhì)量差值，計(jì)算出有機(jī)碳量。同樣，可溶性碳、易氧化碳和土壤微生物量碳等碳組分的測(cè)定也需要使用一定的化學(xué)試劑浸提，提取液中有機(jī)碳含量再用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測(cè)定。按照這些分析方法雖然能夠獲得比較可靠的測(cè)量結(jié)果，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅消耗大量化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；而且需要專用的分析儀器，使用較為不便，最終測(cè)定的分析結(jié)果也只能獲得該土壤樣品不同碳組分含量的平均值，不能獲得土壤碳組分在土壤剖面上的空間分布狀況。

申請(qǐng)(專利)號(hào)為CN201720391929.0的發(fā)明公開了一種基于近紅外光譜技術(shù)的土壤有機(jī)碳含量快速檢測(cè)系統(tǒng)，它包括漫反射式Y(jié)形光纖、光源、光纖光譜儀和計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端連接光纖光譜儀的近紅外光譜數(shù)據(jù)輸出端，漫反射式Y(jié)形光纖的入射端連接光源的光信號(hào)輸出端，漫反射式Y(jié)形光纖的反射信號(hào)輸出端連接光纖光譜儀的光信號(hào)輸入端，漫反射式Y(jié)形光纖的檢測(cè)端為光纖檢測(cè)探頭。盡管該發(fā)明所述方法可提高土壤有機(jī)碳含量的檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，但不能獲取土壤剖面上有機(jī)碳的空間分布；此外，該發(fā)明也不能同時(shí)檢測(cè)可溶性碳、易氧化碳和土壤微生物量碳等碳組分含量。

高光譜成像技術(shù)是近十幾年來(lái)在多光譜成像的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的影像數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，它在可見(jiàn)至近紅外(400～2500nm)的光譜范圍內(nèi)，利用成像光譜儀對(duì)目標(biāo)物體連續(xù)成像，具有多波段、高分辨率、圖譜合一等優(yōu)點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)、作物識(shí)別、病害診斷及土壤屬性預(yù)測(cè)等方面。因此，可以考慮將高光譜成像技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)田原狀土壤剖面不同碳組分檢測(cè)及制圖領(lǐng)域，提供一種高效的無(wú)損檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于高光譜成像和支持向量機(jī)技術(shù)的原狀土壤剖面碳組分預(yù)測(cè)方法，能夠檢測(cè)土壤剖面各土壤碳組分類型含量的空間分布，設(shè)計(jì)方法檢測(cè)精度高、檢測(cè)時(shí)間短，不僅減少了環(huán)境污染，而且在一定程度上降低了檢測(cè)成本。

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于高光譜成像和支持向量機(jī)技術(shù)的原狀土壤剖面碳組分預(yù)測(cè)方法，通過(guò)如下步驟A至步驟G，獲得目標(biāo)區(qū)域中各預(yù)設(shè)土壤碳組分類型分別所對(duì)應(yīng)的土壤碳組分預(yù)測(cè)模型；并通過(guò)步驟i至步驟ii，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域土壤剖面碳組分的預(yù)測(cè)；