





中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (20): 4070-4084.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.20.004
雷鸣阔1,2,3(
), 查燕2,3, 王丽2, 程钢1, 温彩运2, 尹作堂2, 陆苗2,3(
)
收稿日期:2025-07-22
接受日期:2025-09-29
出版日期:2025-10-16
发布日期:2025-10-14
通信作者:
联系方式:
雷鸣阔,E-mail:212304020041@home.hpu.edu.cn。
基金资助:
LEI MingKuo1,2,3(
), ZHA Yan2,3, WANG Li2, CHENG Gang1, WEN CaiYun2, YIN ZuoTang2, LU Miao2,3(
)
Received:2025-07-22
Accepted:2025-09-29
Published:2025-10-16
Online:2025-10-14
摘要:
【背景】土壤盐渍化严重制约作物生长和生态平衡,精准监测对盐碱地改良利用、产量预测及农田管理至关重要。在自然和人为等多种因素影响下,土壤盐渍化主要受水分和盐分在土体中迁移与再分配的水盐运动过程控制,呈现垂直迁移显著、空间异质性大的特点。目前无人机遥感技术已经广泛用于田块尺度的土壤盐渍化监测,但是,遥感技术多进行表层监测,难以表征深层盐分梯度。【目的】融合机器学习与克里金插值方法,建立无人机影像分层建模的土壤深层盐渍化空间预测方法。【方法】首先,利用无人机搭载多光谱传感器获取试验田高分辨率影像,并同步测量不同深度土壤盐分数据,辅以实时动态差分定位技术确保空间精度;随后,构建包含红边波段在内的光谱特征集,并基于随机森林算法进行特征优选;在此基础上,融合机器学习与克里金插值方法,建立分层土壤盐分预测模型,生成高分辨率盐分分布图;最后,通过与三次拟合深度函数预测方法对比验证本方法在深层盐渍化空间表征中的优势。【结果】混合模型分层建模的土壤深层盐渍化空间预测各深度预测精度R2分别为0.68(0—10 cm)、0.51(10—20 cm)、0.58(20—40 cm)、0.56(40—60 cm)与0.52(60—80 cm),其中0—10 cm表层预测效果最佳。红边盐分指数在各深度均表现为重要预测因子,验证了所构建红边指数的适用性与有效性。通过混合模型与三次拟合深度函数预测的结果对比,混合模型分层建模的土壤深层盐渍化空间预测精度更高,更能真实地反映试验区不同深度的盐渍化程度。【结论】无人机遥感技术在浅层(0—10 cm)土壤盐分预测最优,土壤性质的预测精度随深度的增加而下降,深层精度仍需提升;从预测结果来看,随着深度增加,土壤盐分均值逐渐升高,表明盐分在土壤剖面中存在累积现象;相较于三次拟合深度函数方法,本研究提出的基于随机森林分层建模与克里金残差校正的混合模型在各土层展现出更高的空间预测精度,更具合理性与实用性,为区域土壤盐渍化动态监测及分层盐分精准制图提供了科学依据。
雷鸣阔, 查燕, 王丽, 程钢, 温彩运, 尹作堂, 陆苗. 基于无人机影像分层建模的土壤深层盐渍化空间预测[J]. 中国农业科学, 2025, 58(20): 4070-4084.
LEI MingKuo, ZHA Yan, WANG Li, CHENG Gang, WEN CaiYun, YIN ZuoTang, LU Miao. Spatial Prediction of Deep Soil Salinization Based on Layered Modeling Using UAV Imagery[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(20): 4070-4084.
表1
指数特征计算公式"
| 数据Data | 特征Feature | 简称Abbreviation | 计算公式Calculation formula |
|---|---|---|---|
| 光谱值 Spectral value | 绿波段Green band | G | — |
| 红波段Red band | R | — | |
| 红边Red edge | REG | — | |
| 近红外Near-infrared | NIR | — | |
| 盐度指数 Salinity index | 盐度指数Salinity index | SI | (R×NIR)/G[ |
| 盐度红边指数Salinity red-edged index | SIREG | (REG×NIR)/G | |
| 归一化盐度指数Normalized salinity index | NDSI | (R-NIR)/(R+NIR)[ | |
| 归一化盐度红边指数 Normalized salinity red-edged index | NDSIREG | (REG-NIR)/(REG+NIR) | |
| 盐度指数1 Salinity index 1 | SI1 | $ \sqrt{G \times R}$ [ | |
| 盐度红边指数1 Salinity index red-edged 1 | SI1REG | $ \sqrt{G \times R E G}$ | |
| 盐度指数2 Salinity index 2 | SI2 | $ \sqrt{G^{2}+R^{2}+N I R^{2}}$ [ | |
| 盐度红边指数2 Salinity index red-edged 2 | SI2REG | $ \sqrt{G^{2}+R E G^{2}+N I R^{2}}$ | |
| 盐度指数3 Salinity index 3 | SI3 | $ \sqrt{G^{2}+R^{2}}$ [ | |
| 盐度红边指数3 Salinity index red-edged 3 | SI3REG | $ \sqrt{G^{2}+R E G^{2}}$ | |
| 土壤指数T Soil index T | SIT | 100(R-NIR)[ | |
| 红边土壤指数T Red-edged soil index T | SITREG | 100(REG-NIR) | |
| 强度指数 Intensity index | 强度指数1 Intensity index 1 | Int1 | (G+R)/2[ |
| 强度红边指数1 Intensity red-edged index 1 | Int1REG | (G+REG)/2 | |
| 强度指数2 Intensity index 2 | Int2 | (G+R+NIR)/2[ | |
| 强度红边指数2 Intensity red-edged index 2 | Int2REG | (G+REG+NIR)/2 | |
| 植被指数 Vegetation index | 归一化植被指数 Normalized difference vegetation index | NDVI | $ \frac{N I R-R}{N I R+R}$ [ |
| 归一化植被红边指数 Normalized difference vegetation red-edged index | NDVIREG | $ \frac{N I R-R E G}{N I R+R E G}$ | |
| 土壤调节植被指数 Soil adjusted vegetation index | SAVI | $ \frac{(1+L) \times(N I R-R)}{N I R+R+L}$[ | |
| 红边土壤调节植被指数 Soil adjusted vegetation red-edged index | SAVIREG | $ \frac{(1+L) \times(N I R-R E G)}{N I R+R E G+L}$ | |
| 亮度指数Brightness index | BI | $ \sqrt{R^{2}+N I R^{2}}$ [ | |
| 红边高度指数Brightness red-edged index | BIREG | $ \sqrt{R E G^{2}+N I R^{2}}$ | |
| 氧化铁指数 Iron oxide index | IFe2O3 | $ \frac{R}{N I R}$ [ | |
| 红边氧化铁指数 Iron oxide red-edged index | IFe2O3REG | $ \frac{R E G}{N I R}$ | |
| 差异植被指数Differential vegetation index | DVI | NIR-R[ | |
| 红边差异植被指数 Differential vegetation red-edged index | DVIREG | NIR-REG |
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