利用区域土壤光谱库研究土壤有机碳反演模型传递性_刘会增
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１ 数据与方法
１．１ 研 究 区 域 和 土 壤 采 样 钟 祥 市 （１１２°０７′Ｅ～１１３°００′Ｅ，３０°４２′Ｎ～３１°
３６′Ｎ）位于湖北省中 部，面 积 约 ４ ４８８ｋｍ２。 全 区 域地 貌 分 为 山 区、丘 陵、岗 地 和 平 原，土 壤 主 要 由 第四 纪 粘 土、近 代 河 流 冲 积 物 和 页 岩、板 岩、石 灰
图 湖 市 的 分 布 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｕｄｙ Ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎ Ｚｈｏｎｇｘｉａｎｇ Ｃｉｔｙ ａｎｄ Ｈｏｎｇｈｕ Ｃｉｔｙ
１．２ 实 验 室 分 析 与 光 谱 测 量
作为江汉平原 重 要 产 粮 区，钟 祥 和 洪 湖 两 市 的作物类 型 和 轮 作 方 式 在 湖 北 省 境 内 具 有 典 型 性 ，而 且 水 稻 土 、潮 土 和 黄 棕 壤 等 是 湖 北 省 农 用 地 的主要土壤类型，因 此 本 文 选 择 钟 祥 和 洪 湖 两 市 作为 本 文 的 研 究 区 域。 于 ２０１１ 年 １２ 月 ２０～２１ 日 和 ２０１２ 年 ８ 月 １２～１８ 日 分 别 在 钟 祥 和 洪 湖 两 市 采 集 １００ 和 ９６ 个 土 壤 样 本 。 在 每 个 采 样 点 ，移 除表土 杂 质 后，采 集 表 土 层 ０～１０ｃｍ，深 度 约 １．０ｋｇ土壤装于 样 本 袋 内 密 封 保 存，以 用 于 实 验 室内的土壤有机碳分析和光谱测量。研究区域和 采样点分布如图１所示。
将 土 壤 样 本 在 室 温 下 风 干 ，用 研 钵 磨 碎 ，然 后 用１００目网筛过滤。 采 用 ＡＳＤＦｉｅｌｄＳｐｅｃ?３ 便 携 式光谱仪在暗室 内 测 定 土 壤 光 谱，观 测 几 何 采 用 周清 提 ［８］ 出的最优 设 置，光 谱 区 间 为 ３５０～２ ５００ ｎｍ、采样间隔为１ｎｍ。对 于 每 个 土 壤 样 本，连 续 测 量 １０ 次 ，取 其 平 均 值 作 为 最 终 的 光 谱 曲 线 。 土 壤有机碳含量使用重铬酸钾容量法测定。 １．３ 光 谱 预 处 理 和 统 计 分 析
可见光－近红外光谱技术 已 广泛用于 局 部、区 域和全球范围内 土 壤 有 机 碳 的 评 估 研 究，且 基 于 单一实验区反演土壤有机碳含量能够获得较高的 反 演 精 度 。 然 而 ，大 部 分 模 型 具 有 区 域 性 特 点 ，为 了解决这个问题，有 学 者 提 出 全 球 土 壤 光 谱 库 的 设想，以便建 立 普 适 的 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型。 如 Ｂｒｏｗｎ［１］基 于 世 界 多 地 的 ４ １８４ 个 样 本 （美 国 ３ ７６８个，其他地区４１６ 个）发 现 全 球 尺 度 下 土 壤 光谱与土壤有机 碳 之 间 具 有 很 好 的 相 关 性 （Ｒ２＝ ０．８７）。但 是 ，鉴 于 土 壤 样 本 处 理 方 法 不 同 ，传 感 器
第４１卷 第７期 ２０１６ 年 ７ 月
武汉大学学报·信息科学版 Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ ２０１６
ＤＯＩ：１０．１３２０３／ｊ．ｗｈｕｇｉｓ２０１４０２９４
文 章 编 号 ：１６７１－８８６０（２０１６）０７－０８８９－０７
收 稿 日 期 ：２０１５－０４－０１ 项 目 资 助 ：林 业 公 益 性 行 业 科 研 专 项 基 金 （２０１４０４３０５）。 第 一 作 者 ：刘 会 增 ，硕 士 ，主 要 从 事 环 境 遥 感 定 量 反 演 理 论 与 方 法 研 究 。ｚｈｏｎｇｚｈｅｎｇ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通 讯 作 者 ：邬 国 锋 ，博 士 ，教 授 。ｇｕｏｆｅｎ．ｗｕ＠ｓｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
土壤有机碳的动态平衡不仅影响土壤肥力和 作物产量，而且其 固 存 与 排 放 对 温 室 气 体 含 量 和 全球气候变 化 也 有 重 要 影 响。 因 此，人 们 不 断 探 索如何准确有效地评估土壤有机碳储量及其变化 的方法。近年来，光 谱 分 析 技 术 在 土 壤 有 机 碳 反 演研究 中 广 受 关 注 。 ［１，２］ 与 传 统 方 法 相 比，光 谱 技 术 具 有 方 便 快 捷 、价 格 低 廉 和 无 损 等 特 点 ，且 有 自动化实 地 测 量 和 同 时 分 析 多 种 土 壤 属 性 的 潜 力 。 ［３］
洪 湖 市 （１１３°０７′Ｅ～１１４°０５′Ｅ，２９°３８′Ｎ～３０° １２′Ｎ）位于湖北省 中 南 部、长 江 中 游 北 岸，面 积 约 ２ ５１９ｋｍ２。洪湖市地貌为冲积平原，以 第 四 纪 冲 积 、湖 积 物 为 主 ，地 势 广 阔 平 坦 。 气 候 属 东 南 亚 热 带季 风 气 候，水 热 资 源 丰 富；土 壤 主 要 为 水 稻 土 （６２．４％ ）和 潮 土 （３７．５％ ），土 壤 肥 沃 ，全 区 域 以 种 植双季稻为主 。 ［７］
移除低 信 噪 比 的 ３５０～４０９ｎｍ 和 ２ ４５１～ ２ ５００ｎｍ 波段，保留４１０～２ ４５０ｎｍ 区 间 的 土 壤 光谱用于后续的处理。为了提高模型的可靠性， 采用主成分分 析 法 探 测 异 常 样 本［９］，在 钟 祥 市 和 洪湖市数据集中各发现并剔除４和３个异常样本
点。之后，按照土 壤 有 机 碳 含 量 分 别 把 钟 祥 市 和 洪湖市两样本集 由 低 到 高 分 成 三 组，然 后 计 算 和 分 析 各 组 样 本 的 平 均 光 谱。 使 用 Ｋｅｎｎａｒｄ－ Ｓｔｏｎｅ［１０］方法根据土壤 光 谱 分 别 在 钟 祥 市 和 洪 湖 市 样 本 集 各 选 择 ３０ 个 最 具 有 光 谱 代 表 性 的 样 本 ， 剩下的 样 本 分 别 组 成 ６６ 和 ６３ 个 样 本 子 集，并 对 各样本集的土壤有机碳含量进行统计分析。为了 进一步检测两个 样 本 集 的 光 谱 结 构，对 两 区 域 样 本合集的光谱进行主成分分析。
利用区域土壤光谱库研究土壤有机碳 反演模型传递性
刘 会 增１，２，３ 石 铁 柱１，２，３ 王 俊 杰１，２，３ 陈 奕 云１，２，３ 邬 国 锋２，３
１ 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，４３００７９ ２ 海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室 ，广东 深圳，５１８０６０
３ 深圳大学生命科学学院，广东 深圳，５１８０６０
第 ４１ 卷 第 ７ 期
刘 会 增 等 ：利 用 区 域 土 壤 光 谱 库 研 究 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 传 递 性
８９１
光谱预处理，预处 理 方 法 的 优 劣 根 据 模 型 交 叉 验 证的精度确定。
１．４ 模 型 校 准 与 验 证 基于钟祥市和洪湖市数据集及其组合分别建
立４个 ＰＬＳＲ 土壤有机碳反演模型：钟祥市９６个 样本（钟祥模型），洪 湖 市 ９３ 个 样 本 （洪 湖 模 型）、 钟祥市９６个样本和洪湖市 ３０ 个样本（钟祥－洪湖 模型），洪湖市９３ 个 样 本 和 钟 祥 市 ３０ 个 样 本 （洪 湖－钟祥模 型 ）。ＰＬＳＲ 模 型 由 ＰＬＳ＿ＴｏｏｌＢｏｘ［１２］ 实 现 ，光 谱 预 处 理 方 法 和 因 子 数 根 据 “留 －法 ”交 叉 验 证 的 最 小 均 方 根 误 差 （ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ， ＲＭＳＥ）确 定 ，偏 最 小 二 乘 主 成 分 用 来 辅 助 解 释 模 型的预测精 度 。 ［１３］ 交 叉 验 证 的 决 定 系 数 （ｃｏｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ－ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｒ２ＣＶ ）、 均 方 根 误 差 （ＲＭＳＥ ｏｆ ｃｒｏｓｓ－ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＲＭ－ ＳＥＣＶ ）用 来 评 价 模 型 的 校 准 效 果 。
参 数 差 异 ，共 享 机 制 及 共 享 平 台 的 缺 失 ，可 供 全 球 使用的土壤光谱库至今尚未建立。
尽管土壤光谱在反演土壤有机碳研究中受到 广 泛 关 注，但 模 型 的 区 域 局 限 性 和 重 复 采 样 问 题［４，５］一直是限 制 其 普 遍 应 用 的 主 要 因 素 。 基 于 湖北钟祥市和洪湖市两个研究区的土壤光谱和土 壤有机碳量测数 据，本 文 旨 在 探 究 土 壤 有 机 碳 反 演模型在区域间 的 传 递 性，即 基 于 区 域 数 据 建 立 的土壤有机碳反 演 模 型 能 否 适 用 于 另 一 区 域，区 域土壤光谱库与少量目标区域样本相结合能否提 高土壤有机碳的估测精度。
摘 要：土壤有机碳的有效评估对全球碳循环和农 业 可 持 续 发 展 具 有 重 要 作 用 。 可 见 光－近 红 外 光 谱 技 术 已 广泛用于土壤有机碳含量的反演研究。然而，基于可见 光－近 红 外 光 谱 的 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 通 常 具 有 一 定 的 区 域 局 限 性 。 本 文 基 于 湖 北 钟 祥 市 和 洪 湖 市 两 个 区 域 的 土 壤 光 谱 和 有 机 碳 量 测 数 据 （样 本 数 分 别 为 １００ 和 ９６），探 究 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 在 不 同 区 域 间 的 传 递 性 。 结 果 表 明 ，钟 祥 市 或 洪 湖 市 区 域 模 型 都 不 能 用 于 另 一 个区域，但 基 于 钟 祥 样 本 全 集 与 洪 湖 区 域 ３０ 个 土 壤 样 本 数 据 建 立 的 模 型 对 洪 湖 区 域 土 壤 有 机 碳 含 量 有 很 好 的预测效果（Ｒ２＝０．８８，ＲＭＳＥ＝２．５１ｇ·ｋｇ－１）。尽 管 模 型 在 不 同 区 域 间 的 传 递 性 非 常 有 限 ，但 将 少 量 目 标 区域样本添加到现有区域土壤光谱库中所建立的偏最小二乘回归模型能够估算目标区域土壤有机碳的含 量 ，降 低 目 标 区 域 的 采 样 和 量 测 成 本 。 关 键 词 ：可 见 光 －近 红 外 光 谱 ；土 壤 有 机 碳 ；传 递 性 ；偏 最 小 二 乘 回 归 中 图 法 分 类 号 ：ＴＰ７５１；Ｐ９５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ
８９０
武 汉大学学报·信息科学版
２０１６ 年 ７ 月
岩 、紫 色 砂 土 等 母 质 演 变 而 成 ，黄 棕 壤 （４３．６５％ ）、 水 稻 土 （３３．６％ ）和 潮 土 （２２．４％ ）占 绝 大 部 分 。 气 候属东南亚热带 季 风 气 候，汉 江 自 北 而 南 穿 过 其 中，耕作方式以旱田－水田轮作为主 。 ［６］
由于不同的光谱预处理方法对模型精度影响 较大，且预处理方 法 的 选 择 可 能 因 建 模 样 本 和 回 归 方 法 的 不 同 而 变 化［１１］，因 此，建 模 前 使 用 Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ（ＳＧ）平 滑、吸 收 率 转 换 （ｌｏｇ（１／ Ｒ））、均值中 心 化、ＳＧ 导 数 变 换、基 线 校 正、连 续 统去除和归一化等多种常用的方法及其组合进行
模型建立后，钟 祥 模 型 和 钟 祥－洪 湖 模 型 应 用 于 洪 湖 市 样 本 ６３ 个 样 本 ，洪 湖 模 型 和 洪 湖 －钟 祥 模 型应用于钟 祥 市 ６６ 个 样 本 ，分 别 预 测 土 壤 有 机 碳 含 量 ，进 行 模 型 的 独 立 验 证 。 验 证 的 决 定 系 数 （ｃｏ－ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｒ２Ｖａｌ）、均 方根 误 差 （ＲＭＳＥ ｏｆ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＲＭＳＥＶａｌ）、预 测 偏差（Ｂｉａｓ）和 相 对 分 析 误 差［１４］（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｄｉｃ－ ｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ＲＰＤ）用 来 评 价 模 型 的 预 测 精 度 。
１．１ 研 究 区 域 和 土 壤 采 样 钟 祥 市 （１１２°０７′Ｅ～１１３°００′Ｅ，３０°４２′Ｎ～３１°
３６′Ｎ）位于湖北省中 部，面 积 约 ４ ４８８ｋｍ２。 全 区 域地 貌 分 为 山 区、丘 陵、岗 地 和 平 原，土 壤 主 要 由 第四 纪 粘 土、近 代 河 流 冲 积 物 和 页 岩、板 岩、石 灰
图 湖 市 的 分 布 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｕｄｙ Ａｒｅａ ａｎｄ ｔｈｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｏｉｌ Ｓａｍｐｌｅｓ ｉｎ Ｚｈｏｎｇｘｉａｎｇ Ｃｉｔｙ ａｎｄ Ｈｏｎｇｈｕ Ｃｉｔｙ
１．２ 实 验 室 分 析 与 光 谱 测 量
作为江汉平原 重 要 产 粮 区，钟 祥 和 洪 湖 两 市 的作物类 型 和 轮 作 方 式 在 湖 北 省 境 内 具 有 典 型 性 ，而 且 水 稻 土 、潮 土 和 黄 棕 壤 等 是 湖 北 省 农 用 地 的主要土壤类型，因 此 本 文 选 择 钟 祥 和 洪 湖 两 市 作为 本 文 的 研 究 区 域。 于 ２０１１ 年 １２ 月 ２０～２１ 日 和 ２０１２ 年 ８ 月 １２～１８ 日 分 别 在 钟 祥 和 洪 湖 两 市 采 集 １００ 和 ９６ 个 土 壤 样 本 。 在 每 个 采 样 点 ，移 除表土 杂 质 后，采 集 表 土 层 ０～１０ｃｍ，深 度 约 １．０ｋｇ土壤装于 样 本 袋 内 密 封 保 存，以 用 于 实 验 室内的土壤有机碳分析和光谱测量。研究区域和 采样点分布如图１所示。
将 土 壤 样 本 在 室 温 下 风 干 ，用 研 钵 磨 碎 ，然 后 用１００目网筛过滤。 采 用 ＡＳＤＦｉｅｌｄＳｐｅｃ?３ 便 携 式光谱仪在暗室 内 测 定 土 壤 光 谱，观 测 几 何 采 用 周清 提 ［８］ 出的最优 设 置，光 谱 区 间 为 ３５０～２ ５００ ｎｍ、采样间隔为１ｎｍ。对 于 每 个 土 壤 样 本，连 续 测 量 １０ 次 ，取 其 平 均 值 作 为 最 终 的 光 谱 曲 线 。 土 壤有机碳含量使用重铬酸钾容量法测定。 １．３ 光 谱 预 处 理 和 统 计 分 析
可见光－近红外光谱技术 已 广泛用于 局 部、区 域和全球范围内 土 壤 有 机 碳 的 评 估 研 究，且 基 于 单一实验区反演土壤有机碳含量能够获得较高的 反 演 精 度 。 然 而 ，大 部 分 模 型 具 有 区 域 性 特 点 ，为 了解决这个问题，有 学 者 提 出 全 球 土 壤 光 谱 库 的 设想，以便建 立 普 适 的 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型。 如 Ｂｒｏｗｎ［１］基 于 世 界 多 地 的 ４ １８４ 个 样 本 （美 国 ３ ７６８个，其他地区４１６ 个）发 现 全 球 尺 度 下 土 壤 光谱与土壤有机 碳 之 间 具 有 很 好 的 相 关 性 （Ｒ２＝ ０．８７）。但 是 ，鉴 于 土 壤 样 本 处 理 方 法 不 同 ，传 感 器
第４１卷 第７期 ２０１６ 年 ７ 月
武汉大学学报·信息科学版 Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ ２０１６
ＤＯＩ：１０．１３２０３／ｊ．ｗｈｕｇｉｓ２０１４０２９４
文 章 编 号 ：１６７１－８８６０（２０１６）０７－０８８９－０７
收 稿 日 期 ：２０１５－０４－０１ 项 目 资 助 ：林 业 公 益 性 行 业 科 研 专 项 基 金 （２０１４０４３０５）。 第 一 作 者 ：刘 会 增 ，硕 士 ，主 要 从 事 环 境 遥 感 定 量 反 演 理 论 与 方 法 研 究 。ｚｈｏｎｇｚｈｅｎｇ＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通 讯 作 者 ：邬 国 锋 ，博 士 ，教 授 。ｇｕｏｆｅｎ．ｗｕ＠ｓｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
土壤有机碳的动态平衡不仅影响土壤肥力和 作物产量，而且其 固 存 与 排 放 对 温 室 气 体 含 量 和 全球气候变 化 也 有 重 要 影 响。 因 此，人 们 不 断 探 索如何准确有效地评估土壤有机碳储量及其变化 的方法。近年来，光 谱 分 析 技 术 在 土 壤 有 机 碳 反 演研究 中 广 受 关 注 。 ［１，２］ 与 传 统 方 法 相 比，光 谱 技 术 具 有 方 便 快 捷 、价 格 低 廉 和 无 损 等 特 点 ，且 有 自动化实 地 测 量 和 同 时 分 析 多 种 土 壤 属 性 的 潜 力 。 ［３］
洪 湖 市 （１１３°０７′Ｅ～１１４°０５′Ｅ，２９°３８′Ｎ～３０° １２′Ｎ）位于湖北省 中 南 部、长 江 中 游 北 岸，面 积 约 ２ ５１９ｋｍ２。洪湖市地貌为冲积平原，以 第 四 纪 冲 积 、湖 积 物 为 主 ，地 势 广 阔 平 坦 。 气 候 属 东 南 亚 热 带季 风 气 候，水 热 资 源 丰 富；土 壤 主 要 为 水 稻 土 （６２．４％ ）和 潮 土 （３７．５％ ），土 壤 肥 沃 ，全 区 域 以 种 植双季稻为主 。 ［７］
移除低 信 噪 比 的 ３５０～４０９ｎｍ 和 ２ ４５１～ ２ ５００ｎｍ 波段，保留４１０～２ ４５０ｎｍ 区 间 的 土 壤 光谱用于后续的处理。为了提高模型的可靠性， 采用主成分分 析 法 探 测 异 常 样 本［９］，在 钟 祥 市 和 洪湖市数据集中各发现并剔除４和３个异常样本
点。之后，按照土 壤 有 机 碳 含 量 分 别 把 钟 祥 市 和 洪湖市两样本集 由 低 到 高 分 成 三 组，然 后 计 算 和 分 析 各 组 样 本 的 平 均 光 谱。 使 用 Ｋｅｎｎａｒｄ－ Ｓｔｏｎｅ［１０］方法根据土壤 光 谱 分 别 在 钟 祥 市 和 洪 湖 市 样 本 集 各 选 择 ３０ 个 最 具 有 光 谱 代 表 性 的 样 本 ， 剩下的 样 本 分 别 组 成 ６６ 和 ６３ 个 样 本 子 集，并 对 各样本集的土壤有机碳含量进行统计分析。为了 进一步检测两个 样 本 集 的 光 谱 结 构，对 两 区 域 样 本合集的光谱进行主成分分析。
利用区域土壤光谱库研究土壤有机碳 反演模型传递性
刘 会 增１，２，３ 石 铁 柱１，２，３ 王 俊 杰１，２，３ 陈 奕 云１，２，３ 邬 国 锋２，３
１ 武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉，４３００７９ ２ 海岸带地理环境监测国家测绘地理信息局重点实验室 ，广东 深圳，５１８０６０
３ 深圳大学生命科学学院，广东 深圳，５１８０６０
第 ４１ 卷 第 ７ 期
刘 会 增 等 ：利 用 区 域 土 壤 光 谱 库 研 究 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 传 递 性
８９１
光谱预处理，预处 理 方 法 的 优 劣 根 据 模 型 交 叉 验 证的精度确定。
１．４ 模 型 校 准 与 验 证 基于钟祥市和洪湖市数据集及其组合分别建
立４个 ＰＬＳＲ 土壤有机碳反演模型：钟祥市９６个 样本（钟祥模型），洪 湖 市 ９３ 个 样 本 （洪 湖 模 型）、 钟祥市９６个样本和洪湖市 ３０ 个样本（钟祥－洪湖 模型），洪湖市９３ 个 样 本 和 钟 祥 市 ３０ 个 样 本 （洪 湖－钟祥模 型 ）。ＰＬＳＲ 模 型 由 ＰＬＳ＿ＴｏｏｌＢｏｘ［１２］ 实 现 ，光 谱 预 处 理 方 法 和 因 子 数 根 据 “留 －法 ”交 叉 验 证 的 最 小 均 方 根 误 差 （ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｅｒｒｏｒ， ＲＭＳＥ）确 定 ，偏 最 小 二 乘 主 成 分 用 来 辅 助 解 释 模 型的预测精 度 。 ［１３］ 交 叉 验 证 的 决 定 系 数 （ｃｏｅｆｆｉ－ ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ－ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｒ２ＣＶ ）、 均 方 根 误 差 （ＲＭＳＥ ｏｆ ｃｒｏｓｓ－ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＲＭ－ ＳＥＣＶ ）用 来 评 价 模 型 的 校 准 效 果 。
参 数 差 异 ，共 享 机 制 及 共 享 平 台 的 缺 失 ，可 供 全 球 使用的土壤光谱库至今尚未建立。
尽管土壤光谱在反演土壤有机碳研究中受到 广 泛 关 注，但 模 型 的 区 域 局 限 性 和 重 复 采 样 问 题［４，５］一直是限 制 其 普 遍 应 用 的 主 要 因 素 。 基 于 湖北钟祥市和洪湖市两个研究区的土壤光谱和土 壤有机碳量测数 据，本 文 旨 在 探 究 土 壤 有 机 碳 反 演模型在区域间 的 传 递 性，即 基 于 区 域 数 据 建 立 的土壤有机碳反 演 模 型 能 否 适 用 于 另 一 区 域，区 域土壤光谱库与少量目标区域样本相结合能否提 高土壤有机碳的估测精度。
摘 要：土壤有机碳的有效评估对全球碳循环和农 业 可 持 续 发 展 具 有 重 要 作 用 。 可 见 光－近 红 外 光 谱 技 术 已 广泛用于土壤有机碳含量的反演研究。然而，基于可见 光－近 红 外 光 谱 的 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 通 常 具 有 一 定 的 区 域 局 限 性 。 本 文 基 于 湖 北 钟 祥 市 和 洪 湖 市 两 个 区 域 的 土 壤 光 谱 和 有 机 碳 量 测 数 据 （样 本 数 分 别 为 １００ 和 ９６），探 究 土 壤 有 机 碳 反 演 模 型 在 不 同 区 域 间 的 传 递 性 。 结 果 表 明 ，钟 祥 市 或 洪 湖 市 区 域 模 型 都 不 能 用 于 另 一 个区域，但 基 于 钟 祥 样 本 全 集 与 洪 湖 区 域 ３０ 个 土 壤 样 本 数 据 建 立 的 模 型 对 洪 湖 区 域 土 壤 有 机 碳 含 量 有 很 好 的预测效果（Ｒ２＝０．８８，ＲＭＳＥ＝２．５１ｇ·ｋｇ－１）。尽 管 模 型 在 不 同 区 域 间 的 传 递 性 非 常 有 限 ，但 将 少 量 目 标 区域样本添加到现有区域土壤光谱库中所建立的偏最小二乘回归模型能够估算目标区域土壤有机碳的含 量 ，降 低 目 标 区 域 的 采 样 和 量 测 成 本 。 关 键 词 ：可 见 光 －近 红 外 光 谱 ；土 壤 有 机 碳 ；传 递 性 ；偏 最 小 二 乘 回 归 中 图 法 分 类 号 ：ＴＰ７５１；Ｐ９５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ
８９０
武 汉大学学报·信息科学版
２０１６ 年 ７ 月
岩 、紫 色 砂 土 等 母 质 演 变 而 成 ，黄 棕 壤 （４３．６５％ ）、 水 稻 土 （３３．６％ ）和 潮 土 （２２．４％ ）占 绝 大 部 分 。 气 候属东南亚热带 季 风 气 候，汉 江 自 北 而 南 穿 过 其 中，耕作方式以旱田－水田轮作为主 。 ［６］
由于不同的光谱预处理方法对模型精度影响 较大，且预处理方 法 的 选 择 可 能 因 建 模 样 本 和 回 归 方 法 的 不 同 而 变 化［１１］，因 此，建 模 前 使 用 Ｓａｖｉｔｚｋｙ－Ｇｏｌａｙ（ＳＧ）平 滑、吸 收 率 转 换 （ｌｏｇ（１／ Ｒ））、均值中 心 化、ＳＧ 导 数 变 换、基 线 校 正、连 续 统去除和归一化等多种常用的方法及其组合进行
模型建立后，钟 祥 模 型 和 钟 祥－洪 湖 模 型 应 用 于 洪 湖 市 样 本 ６３ 个 样 本 ，洪 湖 模 型 和 洪 湖 －钟 祥 模 型应用于钟 祥 市 ６６ 个 样 本 ，分 别 预 测 土 壤 有 机 碳 含 量 ，进 行 模 型 的 独 立 验 证 。 验 证 的 决 定 系 数 （ｃｏ－ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，Ｒ２Ｖａｌ）、均 方根 误 差 （ＲＭＳＥ ｏｆ ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ＲＭＳＥＶａｌ）、预 测 偏差（Ｂｉａｓ）和 相 对 分 析 误 差［１４］（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｐｒｅｄｉｃ－ ｔｉｏｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ，ＲＰＤ）用 来 评 价 模 型 的 预 测 精 度 。