摘要：土壤有機質(SOM)是衡量礦區生態環境質量的重要指標之一。為了提高SOM含量的估算精度，在已有二波段指數的基礎上加入第3個波段，構建新的三波段指數，利用極限學習機(ELM)和隨機森林(RF)分別建立SOM含量的預測模型。在新疆準東煤田采集168個土壤樣點，在室內進行SOM含量、光譜的測定。對光譜數據進行平滑和預處理后，構建多個兩波段、三波段光譜指數，隨后分析不同維度光譜數據與SOM含量的敏感程度和敏感區域。ELM和RF被用于對每個維度最優光譜參數建立預測模型。研究結果顯示，無論采用哪種方式建模，每個維度的光譜數據與SOM含量的敏感程度和建模精度均隨信息維度的增加而增加，即三波段指數(TBI)>二波段指數>一維光譜數據。在三波段指數中，ELM的預測效果要優于RF，其中(TBI-4)-ELM的預測效果最好，決定系數(r2)=0.87，均方根誤差(RMSEP)=4.07，相對分析誤差(RPD)=2.63。三波段指數與ELM的結合，可以很好地減弱土壤信息噪聲，提高SOM含量的預測精度。

　　關鍵詞：遙感;光譜分析;土壤有機質;光譜指數;機器學習

　　作者：朱傳梅

　　通信作者：王宏衛

　　礦產資源的開采和加工可以帶來更多的經濟效益，但是開采煤礦會干擾土層，破壞植被，使土壤失去利用價值，這對土地資源的可持續發展和生態環境構成嚴重威脅[1]。在我國，大型的露天煤礦多集中分布于干旱、半干旱生態脆弱的地帶，該地區土壤自身修復能力極弱，生態敏感性極強，再加上礦產資源長期大量被開采和加工，導致當地環境問題和生態修復問題日益突出[2]。土壤是陸地生態系統中許多生態過程(例如養分循環、水平衡、凋落物分解等)的基礎，土壤有機質狀態是衡量退化生態系統中生態功能恢復和維持的關鍵指標[3]。因此，無損地監測土壤有機質(SOM)含量有助于礦區環境管理和生態恢復。一般的SOM含量測定多基于大量的野外土壤采樣和繁瑣的室內化學分析方法，較費時、費力、耗資，無法滿足現代精細農業發展的需要[3]。與傳統的方法相比，遙感技術是一種很有前景的土壤屬性定量評估方法，具有快速響應、成本低、采集快等特點，可以很好地用來描述、評估不同尺度下表層土壤的各種特征[4]。因此，基于不同的光譜反射和吸收特性，可見光-近紅外光譜(VIS-NIR)分析技術可以作為一種替代方法，保證SOM含量的準確估算。

　　土壤是由多種物質組成的混合物，其反射光譜常包括背景噪聲、基線漂移、傾斜等干擾信息，直接用來進行SOM含量的估算得到的結果并不理想[5]。相關研究表明，光譜預處理方法能夠較好地移除噪聲、突出光譜曲線特征、去除或減弱其他因素的影響，為建立具有較高精度的估測模型提供可能[5]。光譜微分是增加信噪比的主要技術手段之一，其中一階微分(FD)可去除不同的背景噪聲和基線漂移，擴大樣本間光譜的差異，反映被測物體的本質特征。連續統去除(CR)法可減小散射對目標光譜的影響，同時可放大微弱光譜的吸收特性[5]。這2種預處理技術被廣泛地應用于VIS-NIR分析中，對建立預測能力強、穩健性好的分析模型至關重要。

　　以往對于SOM的研究是在一維層面(全波段反射率或對應的數學變換)上選取單個敏感波段或多個敏感波段進行建模，該方法僅考慮了SOM與光譜間的關系，并沒有考慮光譜間的重疊吸收或相互影響[3-4]。光譜指數是由幾個窄波段或寬波段組合而成，可通過分析特定波段間的相互作用，提高對待測屬性的敏感程度。Wang等采用最優兩波段指數對土壤鹽分含量進行分析和預測，取得了較顯著的成果[3]。然而，Tian等在水稻葉片氮濃度的定量估測中，對比了兩波段指數和三波段指數的估算能力[4]，這些研究和提出的指標表明，通過兩波段指數評估某些參數存在不足。對于土壤這種組成極為復雜的物質，兩波段指數能否很好地消除或減弱土壤中其他物質產生光的散射和分子的非特征吸收的干擾有待于進一步研究。

　　機器學習算法在解析非線性問題時表現能力較好，常用于土壤屬性的定量化估測，其中，極限學習機(ELM)和隨機森林(RF)更是研究的焦點。Douglas等在估算土壤中總石油烴(TPH)含量時，發現與線性偏最小二乘回歸(PLSR)法相比，RF模型能更好地反映土壤光譜的非線性響應，從而提供更高的預測精度[6]。然而，ELM和RF能否在較多的土壤信息噪聲中(如嚴重的人為影響)和較低的SOM水平(如干旱區嚴重的荒漠化影響)下，建立SOM含量和光譜參數的聯系，并達到一定的預測精度，有待進一步研究。

　　本研究的目的：(1)利用波段優化算法，構建新的三波段光譜指數;(2)量化不同維度的光譜參數對SOM的響應;(3)通過比較SOM的預測精度，尋找最有效的建模方法。

　　1材料與方法

　　1.1研究區介紹和土壤樣本的制備

　　研究區為準東煤田，位于我國新疆準噶爾盆地東南緣(43°45′～45°00′N，88°45′～91°10′E)為13000km2的露天煤田，煤炭儲量預估可達到3900億t[2]。它是世界上最大的綜合煤田，被譽為“中國工業糧倉”。該地為極端干燥的大陸性氣候，年平均降水量、溫度分別為140～183mm、5.3～7.3℃。土壤母質為第四紀沖積沉積物，地表植被稀疏。準東煤田的主要土地利用和土地覆被類型為荒地、草地、農田等。自2006年準東煤礦啟動以來，大量的工礦活動已造成了生態失衡和嚴重的環境污染，土壤性質可能正在發生變化。

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