北京理加联合科技有限公司

LICA United Technology Limited

服务热线: 13910499761 010-51292601
企业邮箱
应用支持 Application Support
News 应用支持

ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

日期: 2026-03-04
浏览次数: 48


 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

土壤全氮(TN)是土壤肥力的关键决定因素,在支持棉花生长、产量和纤维品质方面起着至关重要的作用。然而,当前棉田氮肥利用率普遍不足50%,过量投入导致严重的面源污染、土壤酸化及温室气体排放。在全球追求可持续氮素管理与减排增效的背景下,构建高效、高精度的土壤氮素定量估算模型已成为行业迫切需求。可见光-近红外(Vis-NIR)高光谱遥感以其非破坏性、高通量的优势被广泛应用,但在干旱绿洲区,由于土壤空间异质性对光谱估计的潜在干扰,以及低氮背景下光谱特征响应较弱等问题,使得传统的单一预测模型普遍面临泛化能力弱、精度受限等瓶颈。

为了克服这一问题,塔里木大学彭杰教授团队联合浙江大学、武汉大学等多所高校,以新疆塔里木河流域的棉田为研究对象,开展了一项实验研究。该研究成果发表在《Industrial Crops & Products》期刊。文章提出了一种融合可见近红外光谱技术与多类环境协变量的方法,结合SCORPAN框架和卷积神经网络模型,成功实现了对土壤全氮含量的高精度估算,为干旱区棉田的精准氮肥管理提供了可靠的技术支持。

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图1. 研究流程示意图。注:在母质图例中,UF代表未固结河流沉积物,UF2代表未固结河流沉积物(类型2),UL代表未固结湖泊沉积物,WR代表风化残积物/风化岩石。

为什么选择塔里木河?

l 典型性:塔里木河流域极端干旱,是研究土壤缺氮的典型区域;

l 重要性:产棉核心区,精准估氮是提质增产的关键;

l 复杂性:自然与人为干扰导致土壤异质性强,估算难度大;

l 应用性:优化氮肥管理,助力干旱区可持续农业与减排;

ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度 

图2.研究区和验证区的地理位置及土壤采样点的空间分布。

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图3.棉田种植年限。

研究方法

(1)研究区域:

研究区:塔里木河流域,核心作物以棉花为主,采用地膜覆盖技术,3月下旬播种,10月底采收;

验证区:叶尔羌河流域,环境条件与研究区相似;

(2)数据采集:分别于2019年和2023年10月通过复合采样法采集土壤样本495个(建模300个,验证195个)。基于SCORPAN框架,收集了61项环境协变量,包括植被指数、地表温度、地形因子、种植年限等。

(3)光谱测量与建模:实验采用ASD FieldSpec 4地物光谱仪及接触式探头获取土样光谱。测量时每15 min进行一次白板校正,每样重复10次取均值。

l 光谱性能:

光谱通道高:2151个;

光谱分辨率:3 nm@700 nm,6 nm@1400 nm和2100 nm;

采样间隔:1.4 nm@350-1000 nm;1.1 nm @1001-2500 nm;

l 建模分析:结合特征选择算法与一维卷积神经网络(1D-CNN)开展土壤全氮含量估算。

研究结果:

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图4.平均土壤光谱曲线和SD。

表1.评估不同场景和数据集的可预测性估计准确性。

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图5.使用RFE和FRFS方法时,RMSE 随特征变量数量的变化情况,其中最小值已突出显示 (a);以及三种特征选择方法选择的环境协变量 (b)。

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图6.在不同情景和数据集下,实测STN值与估计STN值的拟合情况。

 ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图7.在不同传输场景下,验证区域内测量值与估计值之间的信噪比拟合情况:光谱法 (a),光谱法 + 协变量 (b)。

ASD丨融合环境因子与Vis-NIR光谱:显著提升干旱区棉田土壤全氮估算精度

图8.在包含环境协变量的四个数据集中,特征变量的相对重要性如下所示:光谱数据 + 协变量 – 完整数据集 (a),光谱数据 + 协变量 – RFE 方法 (b),光谱数据 + 协变量 – Boruta 方法 (c),以及光谱数据 + 协变量 – FRFS 方法 (d)。

精度提升:

结合环境协变量的模型相比仅使用光谱数据的模型,在STN估算中显著提高了精度,R²从0.646–0.749提升至0.774–0.858,RMSE降低了14.42%–27.00%。

特征选择优化:

使用RFE、Boruta和FRFS三种特征选择方法优化模型,FRFS方法效果最佳,R²提升了9.6%-15.95%,RMSE减少了4.59%-8.26%。

验证区转移性:

在验证区的转移性分析中,结合环境协变量的模型表现优于仅使用光谱数据的模型,R²下降幅度较小(16.55%),而仅光谱数据模型下降了47.66%。

关键环境因子:

研究识别了8个对STN估算有重要影响的环境因子,其中土壤有机碳(SOC)对STN空间变异性影响最大。

结语

本研究结合可见近红外光谱技术与环境协变量,显著提高了土壤全氮(STN)估算的精度,并验证了模型在跨区域转移性上的可靠性。研究结果为塔里木河流域等干旱地区的精准氮肥管理提供了科学依据,具有一定的应用价值。未来,随着技术的进一步发展,预计可以进一步优化估算模型并拓展其应用范围,为土壤肥力管理提供更加精确的支持。

发表期刊:Industrial Crops & Products【影响因子:6.2】

研究单位:塔里木大学、清华大学、浙江大学等

研究地点:中国新疆塔里木河流域、叶尔羌河流域

使用设备:ASD FieldSpec4地物光谱仪

DOI:https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2025.122488


News / 相关新闻 More
2026 - 06 - 15
研究背景天然湿地是重要碳库。长期淹水环境减缓了有机质分解,使大量碳储存在土壤中,因此湿地在全球碳循环与温室气体调控中具有关键作用。但随着土地开发与粮食生产扩张,越来越多天然湿地被开垦为水田。这不仅改变土地类型,也会重塑土壤水分、氧化还原状态和微生物群落,进而影响甲烷(CH₄)与二氧化碳(CO₂)的排放。那么,湿地变水田后,生态系统碳收支会如何变化?这种变化由环境直接驱动,还是受微生物调控?近日,延边大学朱卫红老师的研究团队以图们江流域的天然湿地及其转变的水田为研究对象,系统评估了湿地转水田对CH₄和CO₂通量及土壤微生物群落的影响,旨在揭示农业开垦导致的湿地碳排放风险。研究成果发表于《Ecological Processes》期刊。为什么关注“湿地改水田”?湿地是“水文—土壤—微生物—碳循环”高度耦合的生态系统。长期淹水形成的厌氧环境既有利于有机碳保存,也促进产甲烷过程,使湿地成为重要的C...
2026 - 06 - 15
研究背景:高分辨率监测的必要性与现实瓶颈浅海生态系统是海岸防护、生物多样性维持和生态服务供给的重要基础。水深信息和底栖生境分布,是认识浅海生态格局、评估环境变化和制定保护策略的关键数据。过去,水深与底栖信息主要依靠实地勘测获取,该方式成本高、效率低,难以满足大范围、高频次和精细化监测需求。遥感技术为浅海制图提供了新路径:卫星多光谱影像覆盖广、连续性强,无人机高光谱影像则兼具厘米级空间细节和丰富光谱信息。尽管已有研究推动了卫星与无人机平台在浅海测绘中的融合应用,但一个核心问题仍待明确:在浅海水体监测中,空间分辨率与光谱分辨率究竟如何影响制图精度?围绕这一问题,西班牙拉斯帕尔马斯大学海洋学与全球变化研究所的团队近日在《Scientific Reports》发表研究,系统比较了无人机高光谱、卫星多光谱和RGB影像在浅海水深反演与底栖生境制图中的表现。该研究为海岸带生态监测中的平台选择、数据配置和...
2026 - 06 - 08
研究背景海洋漂浮碎片是全球海洋环境治理中的重要污染问题。其在海面长期迁移和聚集,不仅威胁海洋生物与生态系统健康,也可能影响航运安全和近岸经济活动。由于漂浮碎片分布范围广、时空变化快,传统人工巡查、船舶观测和现场拍摄难以满足大范围、快速化监测需求。遥感技术为其监测提供了新路径,但不同材质碎片的光谱特征差异明显,且容易与背景海水和大型漂浮藻类混淆,限制了遥感识别的准确性与稳定性。基于此,南京信息工程大学孙德勇老师团队从多类型漂浮碎片的高光谱响应特征入手,结合卫星影像,构建了面向海洋漂浮碎片快速识别的遥感检测方法,为海洋污染监测、漂浮垃圾识别及海洋环境管理提供了新的技术支撑。相关成果发表在《Ecological Indicators》期刊。 图1. (a) 实验设备设计图;(b) 实验设备实物图;(c)-(y) 覆盖率。研究方法(1)研究设计:选取泡沫板、PVC浮标、PP塑料瓶和木板四类典型海洋...
2026 - 06 - 01
研究背景在森林生态系统中,氮(N)和磷(P)是影响植物生长与养分循环的关键元素。树木获取养分主要依赖两种途径:一是通过细根从土壤中吸收,二是从衰老叶片中回收并再利用。前者代表外部获取,后者体现内部节约。二者之间的权衡,是植物维持养分稳态的重要策略。然而,在氮沉降增加和林分持续发育的背景下,不同林龄森林如何调整这种权衡,仍有待深入认识。近日,山西农业大学郭晋平老师团队在《BMC Plant Biology》期刊上发表的论文对此进行了深入探讨。研究团队以华北地区重要树种——油松(Pinus tabuliformis)为对象,系统揭示了林分发育与氮沉降交互作用下,树木氮磷利用策略的动态变化规律。 图1.研究区域。研究方法研究在山西关帝山森林区孝文山林场开展,选取了42年、55年和65年三个林龄的天然油松林分,设置5个氮添加水平(0、5、10、15、20 g N·m⁻²...
关闭窗口】【打印
Copyright ©2018-2023 北京理加联合科技有限公司
犀牛云提供企业云服务

北京理加联合科技有限公司

地址:北京市海淀区安宁庄东路18号光华创业园5号楼(生产研发)
          光华创业园科研楼四层
电话:13910499761 13910124070  010-51292601
传真:010-82899770-8014
邮箱:info@li-ca.com
邮编:100085

 



 


 


  • 您的姓名:
  • *
  • 公司名称:
  • *
  • 地址:
  • *
  • 电话:
  • *
  • 传真:
  • *
  • 电子邮箱:
  • *
  • 邮政编码:
  • *
  • 留言主题:
  • *
  • 详细说明:
  • *
在线留言
关注我们
  • 官方微信
  • 官方手机端
友情链接:
X
1

QQ设置

3

SKYPE 设置

4

阿里旺旺设置

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

5

电话号码管理

  • 010-51292601
6

二维码管理

等待加载动态数据...

等待加载动态数据...

展开