基于Sentinel-1/2改进极化指数和纹理特征的土壤含盐量反演模型

目前Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的研究大多是基于Sentinel-2光谱信息和Sentinel-1后向散射系数,没有考虑Sentinel-2光谱信息容易受土壤亮度等信息影响,Sentinel-1后向散射系数容易受土壤粗糙度和水分影响。为进一步提高Sentinel-1/2协同反演植被土壤含盐量的精度,用水云模型对雷达卫星后向散射系数进行校正,消除植被影响;然后协同Sentinel-2纹理特征,基于VIP、OOB、PCA 3种变量筛选和RF、ELM、Cubist 3种机器学习回归模型构建植被土壤含盐量反演模型。研究结果表明:经过水云模型去除植被影响后的雷达后向散射系数及其极化组合指数与土壤含盐量的相关性有一定程度的提高。不同变量选择方法与不同机器学习方法耦合模型在反演土壤含盐量中,OOB变量筛选方法与RF、ELM和Cubist 3种机器学习方法的耦合模型精度最佳,建模集和验证集的R2都在0.750以上,且验证集的RMSE和MAE均最小;其中OOB-Cubist耦合模型精度最高,且R_(v)^(2)/R_(c)^(2)为0.955,具有良好的鲁棒性。研究可为机器学习协同物理模型、光学卫星协同雷达卫星在土壤含盐量反演中的进一步应用提供思路。

基于透射图像的高压脉动腌制咸鸭蛋含盐量检测

含盐量是衡量咸鸭蛋品质的重要指标。为了利用机器视觉技术实现高压脉动腌制咸鸭蛋含盐量的无损检测。该研究采用工业相机和透射光源搭建咸鸭蛋的透射图像采集装置。采用图像整体特征和长轴截面光强度特征两种特征提取方法,利用多元线性回归、支持向量机回归两种算法,建立对蛋清、蛋黄及全蛋含盐量以及蛋黄指数的定量预测模型。结果表明,随着咸鸭蛋腌制时间的增加,其透光性显著提高。同时,透射图像蛋黄的所在视野区域会随着含盐量的增加而呈现规律性的变化。基于图像整体特征建立的蛋清、蛋黄、全蛋含盐量模型较优,在蛋黄指数预测下基于长轴截面光强度特征所建模型较优。其中,基于图像整体特征所建立的蛋黄含盐量支持向量机回归(support vector regression,SVR)模型最优,测试集相关系数(test set correlation coefficient,Rp)、测试集均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEp)、相对分析误差(residual predictive deviation,RPD)分别达到0.8460、0.3416、1.898;基于长轴截面光强度特征建立的蛋黄指数多元线性回归(multiple linear regression,MLR)模型最优,测试集相关系数Rp、均方根误差RMSEp、相对分析误差RPD分别为0.8318、0.0743、1.916。该研究结果为咸鸭蛋含盐量的快速检测提供理论依据和技术支持。

达拉特旗黄河南岸盐碱化土壤不同含盐量估算模型对比

内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗黄河南岸由于气候干旱,降水量少,年蒸发量远大于年降水量,靠近黄河地下水位高,导致土壤盐渍化问题突出。以达拉特旗黄河南岸盐碱地为研究对象,基于Sentinel-1、Sentinel-2、Landsat-8和SRTM DEM多源数据,采取相关性分析和连续变量投影结合索套回归(Lasso)、随机森林回归(Random forset,RF)、轻量梯度提升机模型(Light gradient boosting machine,LightGBM)、极端梯度提升模型(Extreme gradient boosting,XGBoost)、一维卷积神经网络(One dimensional convolutional neural networks,1DCNNs)、深度神经网络(Deep neural network,DNN)6种模型进行春季裸土期与植被覆盖期土壤含盐量估算。结果表明:XGBoost模型精度最高,春季裸土期、植被覆盖期测试集决定系数(R2)为0.76、0.58;均方根误差(RMSE)为5.76、7.22 g/kg;平均绝对误差(MAE)为3.38、4.33 g/kg。多源遥感数据结合变量筛选方法利用XGBoost模型揭示研究区不同季节土壤盐分空间分布最有效,含盐量反演结果与野外实际调查分析结果基本吻合。变量重要性分析表明春季裸土期、植被覆盖期重要反演因子分别为:盐分指数(48.3%)、地形因子(33.8%);植被指数(22%)、地形因子(47.9%)。本研究为达拉特旗黄河南岸盐碱地遥感反演提供了有效方法,为春季裸土期与植被覆盖期盐碱化土壤监测及预防提供了理论依据。

盐渍土路基含盐量的演化规律研究

虽然目前针对盐渍土的研究比较多,但基本上都集中在项目勘察设计及建设期,对利用盐渍土填筑的路堤中含盐量随时间变化的规律,国内外研究还比较少。为了探究盐渍土路基填料中含盐量随时间的变化规律,为改建项目中盐渍土路基设计提供理论支撑,本文依托巴基斯坦罗赫里至木尔坦段既有铁路提速改造项目,通过现场调查及大量现场试验,对比分析既有路基填料及两侧原状土中含盐量,总结出盐渍土路基变化规律。结果表明:采用盐渍土填筑的路堤,路基填土中含盐量随着时间推移逐渐降低,逐渐过渡为非盐渍土;对于新建路基采用盐渍土填筑时,采用加宽路基面、放缓路堤坡率等工程措施,同时优先安排施工,静置浸润后,可有效降低路基填料中含盐量,直接采用盐渍土填筑路基既节约工程投资,又能确保路基的安全稳定。

基于Sentinel-2影像的黄河南岸典型改良示范区土壤含盐量反演模型

土壤盐渍化严重制约农田土壤环境的循环发展,高效准确地监测土壤盐分动态变化对盐碱地改良利用具有重要意义。为及时、有效地监测盐渍化土壤含盐量,以内蒙古黄河南岸灌区的4个典型盐碱化耕地改良示范区为例,利用Sentinel-2多光谱遥感影像,同步采集示范区内表层土壤的含盐量数据,通过相关性分析筛选敏感光谱指标,基于偏最小二乘回归(PLSR)、逐步回归(SR)、岭回归(RR)3种简单机器学习模型和深度学习Transformer模型建模,最后进行精度评价并优选出最佳含盐量反演模型。结果表明:示范区土壤反射率的可见光、红边、近红外波段反射率均与土壤含盐量呈正相关,短波红外波段反射率与土壤含盐量呈负相关,引入光谱指数能够有效提升Sentinel-2遥感影像与示范区表层土壤含盐量的相关性(相关系数绝对值不小于0.32);对比不同模型发现深度学习Transformer模型优于简单机器学习模型,验证集决定系数R~2和均方根误差(RMSE)分别为0.546和2.687 g/kg;含盐量反演结果与实地结果相吻合,为更精准反演内蒙古黄河南岸灌区盐渍化程度提供了参考。

组合光学和微波遥感的耕地土壤含盐量反演

耕地保护关系到国家粮食安全和经济社会可持续发展,对生态环境保护具有重要作用,快速精准的获取耕地土壤盐分含量及空间分布信息是耕地保护的必然要求。以宁夏平罗县为研究区,利用Landsat 9 OLI和Sentinel-1遥感影像,提取光谱指数和雷达极化组合指数,基于变量投影重要性法与灰度关联法筛选特征变量,然后运用反向传播神经网络、支持向量机和随机森林3种机器学习算法构建模型,并用最佳模型反演耕地土壤含盐量空间分布情况。结果表明:(1)利用变量投影重要性法筛选变量建立的模型验证集决定系数(R2)大于灰度关联法筛选变量建立的模型。(2)利用随机森林算法,组合光谱指数和雷达极化组合指数协同反演模型效果最佳,建模集R2为0.791,均方根误差(RMSE)为1.016,R2较单一数据源模型分别提高0.065和0.085,RMSE分别降低0.147和0.189;验证集R2为0.780,RMSE为1.132,R2较单一数据源模型分别提高0.091和0.237,RMSE分别降低0.175和0.377。(3)平罗县耕地轻度盐渍化和中度盐渍化土壤分布范围广,占比分别为23.77%和33.54%,重度盐渍化达15.37%。研究结果发现,组合多源遥感数据建模能够有效提高土壤含盐量反演精度,可为干旱区耕地土壤含盐量的反演和当地农业可持续发展提供有效的技术参考。

渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场影响的数值模拟

地下水含盐量不同会影响土体的热力学性质,探究渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响,可为市政地下工程、矿井工程、海底隧道建设等提供科学依据。运用COMSOL水热耦合模块对含盐量不同的地下水基坑坑底冻结温度场发展规律进行研究,通过对比冻结壁的厚度和路径分析得到渗流条件下地下水含盐量对基坑坑底冻结温度场的影响规律。研究结果表明:当地下水含盐量>3%时,渗流对基坑坑底冻结帷幕的形成影响较大,相较于上游,下游区域受到的影响更明显;随着地下水含盐量的增加,积极冻结40 d后冻结帷幕温度逐渐升高,降温速率逐渐减慢,形成的冻结帷幕厚度也逐渐变薄,含盐量越高,冻结效果越差,降温速率越慢。

基于Landsat 8的节水改造背景下盐渍化土壤含盐量反演

为探明沈乌灌域节水改造后因渠道衬砌、引排水量减少引起的土壤含盐量时空分布特征及变化规律,采用区域土壤信息定点监测,结合经典统计学、空间插值以及机器学习建模反演等技术手段,利用Landsat 8卫星获取光谱数据,通过对实测土壤含盐量、光谱指数及波段反射率进行处理,运用Adaboost回归、BP神经网络回归、梯度提升树回归、KNN回归、决策树回归、随机森林回归方法构建了沈乌灌域土壤含盐量空间反演模型。采用最优反演模型对沈乌灌域土壤含盐量空间分布特征进行了遥感反演。结果表明:通过全变量单一回归法筛选出相关系数大于0.55的9个光谱因子,使用SPSS PRO软件构建6种机器学习反演模型,对比6种反演模型精度,验证集决定系数R2由大到小依次为随机森林回归、梯度提升树回归、Adaboost回归、KNN回归、决策树回归、BP神经网络回归。其中随机森林回归模型的拟合精度最佳,训练集与验证集的决定系数R2分别为0.834和0.86,说明随机森林回归模型的反演效果较好。反演结果表明:节水改造后非盐渍土面积增加391.7 km^(2),占灌域总面积的21%,中度盐渍土面积、重度盐渍土面积、盐土面积分别减少95.61、63.37、45.7 km^(2),分别占灌域总面积的5%、3%、2%。综上所述,节水改造工程完成后,沈乌灌域土壤盐渍化程度减轻,作物生长安全区面积增加,但由于渠道衬砌以及引排水量减少,土壤盐分淋洗效果减弱,土壤盐分在灌域内部运移,整体土壤环境得到改善,局部地区出现盐分聚集。

含盐量及冻融条件对冻融氯盐粉质黏土静动强度特性影响研究

沿海地区隧道建设中人工冻结法加固越来越多,而冻融氯盐粉质黏土静动强度及弹性模量特征是人工冻结法加固解冻融沉预测与稳定性设计的重要依据。为深入研究氯盐粉质黏土静动强度及弹性模量变化规律,开展了冻融前后、不同含盐量及冻融温度的固结不排水静三轴试验和动三轴试验。研究结果表明:不同试验条件下静三轴应力-应变曲线及动三轴骨干曲线均呈现应变硬化特征;冻融前试样曲线初始线性阶段更明显。静强度随含盐量增加先降后升,存在一对应最低强度的临界含盐量为1%;-10℃冻融后,含盐量≤3%时动强度无明显变化,含盐量为4%时动强度显著增大至其余含盐量试样的1.8倍;含盐量增加使弹性模量增加1.1~2.0倍。对弹性模量进行E/E_(max)归一化处理,并可用双曲线模型进行描述。冻融后,2%含盐量试样静、动强度损伤率分别为52%~66%、69%~78%,峰值静、动弹性模量损伤率为90%、81%。冻融温度对静、动强度及弹性模量影响不明显。研究结果可为人工冻结法在海相含盐地层应用、预测与控制工后融沉提供理论依据,保证隧道安全运营。

基于贝叶斯最大熵的黄河三角洲土壤含盐量空间分布预测

黄河三角洲土壤盐渍化问题是制约当地农业生产和生态稳定的关键因素。为了准确掌握盐渍土的空间分布,提高土壤含盐量的空间预测精度,本研究根据2022年5月黄河三角洲的193个采样点两个深度土壤含盐量分析数据,结合高程和Landsat 9遥感影像等数据,采用地理加权回归(Geographically weighted regression,GWR)模型构造区间型软数据,进而建立贝叶斯最大熵(Bayesian maximum entropy,BME)模型对研究区土壤含盐量的分布进行了预测,并同传统的地统计模型普通克里格(Ordinary kriging,OK)及GWR模型的预测结果进行了比较。结果表明:BME模型对土壤含盐量的预测精度高于另外两种模型。与OK模型相比,BME模型的RMSE在土壤表层(0~30 cm)和底层(90~100 cm)分别降低25%和21%,R^(2)分别提高0.543 2和0.352 7。BME模型作为本研究最佳土壤含盐量空间预测模型,展现了多源数据整合及非线性估计的优势。黄河三角洲表层土壤盐渍化率(88%)高于底层(68%),土壤含盐量大体呈现由西南向东北递增的趋势,沿海地区大于内陆地区,黄河三角洲北部是整个区域盐渍化最为严重的地区。

集成Sentinel-1/2和环境变量的新疆农田土壤含盐量反演

土壤盐渍化是危害农业生产和生态环境的重要因素,快速精准获取农田土壤盐分信息对农业可持续发展和土地资源管理具有指导作用。为了提高卫星遥感在植被覆盖条件下的土壤含盐量预测精度,该研究以新疆生产建设兵团农八师为研究区域,分别在2023年7月和8月采集土壤表层(0~20 cm)样本,并获取同步卫星影像。通过Sentinel-1雷达信息、Sentinel-2多光谱信息与环境变量的不同组合构建数据集A(极化指数、光谱指数)、B(极化指数、环境变量)、C(光谱指数、环境变量)、D(极化指数、光谱指数、环境变量),采用自适应提升(adaptive boosting,AdaBoost)、梯度提升回归树(gradient boost regression tree,GBRT)和极端梯度提升树(extreme gradient boosting tree,XGBoost)3种集成学习算法,构建基于不同数据集的土壤含盐量反演模型。结果表明,1)基于数据集D构建的所有模型预测精度普遍高于数据集A、B、C构建的模型,环境变量与雷达数据、多光谱数据的协同使用可以有效提高模型精度;2)地形因子和地表温度可作为研究区土壤盐分预测的有效特征变量,其中海拔与表层土壤含盐量的相关性最高;3)在所有数据集中,XGBoost模型性能最优,GBRT次之,AdaBoost模型验证误差较大,其中D-XGBoost模型精度最高,其验证集决定系数为0.72,均方根误差为2.40 g/kg,平均绝对误差为1.29 g/kg;4)基于多种来源变量组合的集成学习算法具有强大的非线性拟合能力,XGBoost能够更好地模拟土壤含盐量与遥感信息和环境因子之间复杂的非线性关系,并获得理想的拟合结果。该研究结果可为新疆地区土壤含盐量实时动态监测和当地土地资源可持续利用提供有效的技术手段。

基于高光谱数据的盐渍化土壤含盐量预测模型研究

对采自内蒙古自治区科尔沁右翼中旗巴彦淖尔苏木典型盐渍化土壤进行光谱反射率测定,分析不同盐渍化程度土壤的光谱特征;利用均方根、对数、对数倒数、倒数及一、二阶微分等多种原始光谱反射率变换形式的多元逐步线性回归分析方法,构建预测土壤含盐量的模型。结果表明,虽然供试土壤含盐量不同,但其光谱曲线在形态上保持一致,土壤含盐量越高其反射率曲线就越高。光谱反射率与土壤含盐量的正负相关性在经过数学变换后得到增强,尤其是在一、二阶微分变换后明显增强:土壤含盐量≤7g/kg的土壤样本(非盐土)的原始光谱对数一阶微分反射率与土壤含盐量相关性最高,在1490nm处相关系数最大为-0.5898;土壤含盐量>7g/kg的土壤样本(盐土)的原始光谱对数一阶微分反射率与土壤含盐量相关性最高,在727nm处相关系数最大为-0.5591。利用多元逐步线性回归建立的预测模型,非盐土以原始光谱的二阶微分模型为最优,R^(2)=0.7292;盐土以对数二阶微分模型为最优,R^(2)=0.8718。模型可用于盐碱土土壤含盐量的快速测定。

硫酸盐渍土起胀含盐量及容许含盐量的研究

本文从不同干密度、含水量、低剂量含盐量情况下的硫酸盐土的降温盐胀试验入手，提出了确定起胀含盐量与容许含盐量的计算公式，给出了不同条件下的起胀含盐量与容许含盐量值，可供修订有关技术规范参考，对盐渍土地区的公路及机场工程也具有重要的指导作用。

玛纳斯河流域不同土壤质地土壤含盐量分析

土壤质地对土壤盐分空间分布具有间接的影响，对玛纳斯河流域3种土壤质地：沙土、沙壤土、中壤土的土壤含盐量进行垂直分布及盐分离子研究分析。结果表明：3种土壤类型的盐分分布情况差异显著，中壤土含盐量较低，沙壤土、沙土的表层含盐量较高；3种土壤类型不同深度盐分变化趋势也差异很大，中壤土含盐量在20cm处最大，20cm以下土壤含盐量呈下降趋势；沙壤土在60cm处最大，60cm以下土壤含盐量呈下降趋势；沙土在0～150cm土壤盐分处于增加趋势；在非耕作土壤的沙土和沙壤土中，阳离子以Ca^2＋、Mg^2＋为主，在耕作性土壤的中壤土阳离子以Na^＋、K^＋为主，阴离子都以SO4^2-为主。

土壤含盐量与电导率的高光谱反演精度对比研究

探明土壤盐渍化的高光谱遥感监测机理,对改善高光谱遥感监测精度具有重要意义。以南疆地区温宿县、和田县、拜城县的水稻土为研究对象,通过分析土样的高光谱数据和室内测定的盐分与电导率数据,研究了耕作土壤含盐量与电导率的关系,并比较了含盐量和电导率与不同光谱指标的相关性以及二者高光谱反演的精度。结果表明,南疆水稻土的含盐量与电导率的相关性较低,二者之间的关系因地区差异而有较大的变化;含盐量与反射率、一阶微分、连续统去除之间的相关性要优于电导率,特别在一些土壤盐渍化的敏感波段尤为突出;以含盐量建立的多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归模型的决定系数和相对分析误差均高于电导率。研究表明高光谱信息对土壤含盐量的响应比电导率更敏感,以含盐量为监测指标的高光谱反演精度明显要优于电导率。该结果可为提高土壤盐渍化高光谱遥感监测精度提供理论依据。

含盐量及含水量对氯盐盐渍土抗剪强度参数的影响

盐渍土作为一类特殊的工程地质体,其抗剪强度受环境因素的影响是复杂的。通过室内试验,分析不同含盐量和含水量条件下氯盐盐渍土抗剪强度的变化规律,研究含盐量、含水量对盐渍土抗剪强度的影响机理。研究表明:在含水量达到一定量时,随着CaCl2含量的增加,氯盐盐渍土的抗剪强度参数值是先减小后增大,达到最小值时的土体临界含盐量为10.36%;在含盐量一定的情况下含水量从8%增到10%时,抗剪强度参数值减小幅度比较大,而从10%增到15.56%时,抗剪强度参数值减小幅度明显变小;土中易溶盐相态的变化,从土颗粒间溶液的离子浓度和土体骨架作用两方面影响盐渍土的抗剪强度;当含盐量一定时,随着含水量的增大,土粒间离子的浓度逐渐减小,使得扩散层厚度增大,粘结力减小。

含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究

随含盐量的增加,滨海盐渍土中的盐分结晶形成了许多晶体颗粒,改变了土的颗粒级配和微结构形式,使土的力学强度发生变化。无侧限抗压试验和三轴压缩试验结果表明,随含盐量的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度降低;随养护龄期的增加,石灰固化土的无侧限抗压强度和抗剪强度增加;随含盐量的增加,固化土试样浸水和不浸水无侧限抗压强度之间的差值越来越小。工程应用滨海盐渍土时需控制土的含盐量。

甘肃敦煌西湖湿地植物群落平均盖度与土壤含盐量耦合关系

实地调查了甘肃敦煌西湖国家级自然保护区的湿地植物群落和环境因子,综合比较了各种多样性指数及环境因子,并应用SPSS统计软件的多元方差分析功能筛选出自变量x(含盐量)和因变量y(平均盖度)。应用了曲线参数估计法对24个湿地植物群落样方的平均盖度和土壤含盐量进行多次回归模型拟合,最终提出了最优的拟合模型为Logarithmic对数曲线模型,曲线方程:y=1.076-0.391lnx,P(Sig·=0.009)<0.01,并提出模型存在的不足及改进之处,旨在为我国西北干旱地区的湿地植物多样性保护提供科学依据。

基于近地面多光谱的黄河三角洲典型地区土壤含盐量估算研究

选择山东省无棣县"渤海粮仓"项目核心示范区为研究区,利用ADC便携式多光谱相机和EC110便携式盐分计,采集该区近地多光谱相片和土壤表层含盐量数据,通过NDVI,SAVI,GNDVI三种植被指数分别与实测土壤含盐量构建线性、指数、对数、乘幂、二次和三次函数共18种模型,进而优选土壤盐分含量最佳估测模型,反演和分析研究区土壤盐分状况。结果显示,各模型均可有效估测土壤盐分含量,以SAVI为因变量构建的各模型估测效果较好,其中以SAVI的线性模型(Y=-0.524x+0.663,n=70)为最佳,显著检验水平下的F检验值最高,为141.347,估测R^2为0.797,精度达到93.36%;研究区的土壤盐分含量集中在2.5‰~3.5‰之间,呈现从西南向东北逐渐升高的明显分布规律。探索了基于近地面多光谱数据的土壤含盐量估测方法,为研究区乃至整个黄河三角洲滨海盐碱土的盐分含量估测提供了一种快速有效的技术方法。

含盐量对亚硫酸盐渍土抗剪强度影响的试验

为探讨含盐量对盐渍土抗剪强度的影响,该研究对采自于青海柴达木盆地大柴旦盐湖地区的盐渍土进行了洗盐试验以获得素土试样;根据该区盐渍土类型及盐渍化程度,在洗盐后土体中分别加入不等量的无水硫酸钠(Na2SO4),以获得不同含盐量的人工配制硫酸盐渍土,并对上述不同含盐量的人工配制硫酸盐渍土开展室内直接剪切试验。试验结果表明,洗盐试验后土体中的易溶盐离子含量及p H值均显著低于洗盐前盐渍土;当土体密度和含水量分别为1.41 g/cm3和25.68%时,洗盐后土体粘聚力c值和内摩擦角φ值分别为14.8 k Pa和26.5°,均高于洗盐前盐渍土的粘聚力值(6.7 k Pa)和内摩擦角值(24.6°);不同含盐量梯度条件下的人工配制硫酸盐渍土的粘聚力和内摩擦角,随土体含盐量增加均表现出先减小后增加的变化特征。当含盐量由0.74%增至5.17%时,人工配制硫酸盐渍土粘聚力c值和内摩擦角φ值均呈逐渐减小的变化规律,当土体含盐量由5.17%增至14.17%时,人工配制硫酸盐渍土粘聚力c值和内摩擦角φ值均表现出增加的变化规律,且当含盐量为5.17%时,其粘聚力c值和内摩擦角φ值分别为8.3 k Pa和26.1°,均为最小值,即该值对应的含盐量值即为人工配制硫酸盐渍土的含盐量阈值。本项研究成果对于进一步探讨含盐量变化对盐渍土抗剪强度影响,及含盐量变化与盐渍土粘聚力和内摩擦角之间的关系等方面具有理论研究价值和实际意义。