





中国农业科学 ›› 2025, Vol. 58 ›› Issue (20): 4054-4069.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2025.20.003
李明丽1,2(
), 温彩运1, 马东豪3, 李存军4, 王宇文1, 康璐1, 陆苗1,2(
)
收稿日期:2025-07-23
接受日期:2025-09-24
出版日期:2025-10-16
发布日期:2025-10-14
通信作者:
联系方式:
李明丽,E-mail:2236072794@qq.com。
基金资助:
LI MingLi1,2(
), WEN CaiYun1, MA DongHao3, LI CunJun4, WANG YuWen1, KANG Lu1, LU Miao1,2(
)
Received:2025-07-23
Accepted:2025-09-24
Published:2025-10-16
Online:2025-10-14
摘要:
【目的】土壤盐渍化导致土壤结构恶化、作物减产及生态系统退化,是威胁干旱区农业可持续发展的关键环境问题。本研究旨在利用光谱变换、波段筛选以及多种机器学习方法,构建土壤盐分预测模型,快速、准确地预测土壤盐分,为盐渍化农田的科学管理提供技术支撑。【方法】以达拉特旗农田土壤为研究对象,系统采集土壤样品并测定其电导率(EC)与光谱反射率数据。首先,采用Savitzky-Golay(S-G)滤波对原始光谱(R)进行平滑去噪,在此基础上系统开展包括倒数、对数、一阶微分、二阶微分等在内的12种光谱变换处理,以挖掘隐含光谱特征。进而,分别采用相关性分析(CA)和最小角回归(LAR)方法进行特征降维,并结合竞争性自适应重加权采样(CARS)算法进一步筛选敏感特征波段。最后,基于优选特征分别构建偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)和随机森林(RF)模型,通过决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)综合评价模型性能,对比特征集在不同算法中的建模效果。【结果】原始光谱经过光谱变换后,相关系数均有不同程度的提升,表明光谱变换能显著增强土壤盐分与光谱特征的相关性;在使用竞争性自适应重加权采样进行特征波段优选时,最小角回归比相关性分析具有更好的特征降维效果;倒数对数一阶微分(ATFD)结合偏最小二乘回归模型表现最优,其验证集精度为R2=0.81、RMSE=2.04 dS·m-1;不同建模方法对比显示,偏最小二乘回归模型的预测性能优于其他3种模型(反向传播神经网络/随机森林/支持向量机),表明偏最小二乘回归模型更适合该区域土壤盐分的预测。【结论】基于ATFD-LAR-CARS-PLSR的土壤盐分高光谱预测模型精度高、预测能力最优,证实了高光谱技术结合多维度特征优化可有效实现干旱区土壤盐分预测。
李明丽, 温彩运, 马东豪, 李存军, 王宇文, 康璐, 陆苗. 基于土壤高光谱特征波段优选的盐分预测模型构建[J]. 中国农业科学, 2025, 58(20): 4054-4069.
LI MingLi, WEN CaiYun, MA DongHao, LI CunJun, WANG YuWen, KANG Lu, LU Miao. Construction of Salinity Prediction Model Based on Optimal Selection of Soil Hyperspectral Characteristic Bands[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(20): 4054-4069.
表1
土壤电导率描述性统计"
| 盐渍化等级 Salinization grade | 样本数量 Sample size | 最大值 Max (dS·m-1) | 最小值 Min (dS·m-1) | 平均值 Mean (dS·m-1) | 标准差 SD (dS·m-1) | 变异系数 CV (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 非盐渍化Non-salinized (0-2 dS·m-1) | 78 | 1.92 | 0.08 | 0.63 | 0.40 | 63.49 |
| 轻度盐渍化Slightly salinized (2-4 dS·m-1) | 14 | 3.91 | 2.10 | 3.00 | 0.57 | 16.64 |
| 中度盐渍化Moderately salinized (4-8 dS·m-1) | 37 | 7.90 | 4.05 | 6.57 | 1.07 | 16.29 |
| 重度盐渍化Heavily salinized (8-16 dS·m-1) | 36 | 15.16 | 8.08 | 11.41 | 1.92 | 16.83 |
| 盐土Saline soil (>16 dS·m-1) | 3 | 19.43 | 17.91 | 18.60 | 0.77 | 4.14 |
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