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土壤盐分含量的遥感反演研究_扶卿华

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土壤 盐分 含量 遥感 反演 研究 扶卿华
资源描述:
第 23 卷 第 1 期2007 年 1 月农 业 工 程 学 报T of V o l. 23  N o. 1  2007土 壤 盐 分 含 量 的 遥 感 反 演 研 究扶 卿 华 1, 倪 绍 祥 2※ , 王 世 新 1, 周   艺 1(1. 中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 , 北 京 100101;   2. 南 京 师 范 大 学 地 理 科 学 学 院 , 南 京 210097)摘   要 : 土 壤 盐 碱 化 是 干 旱 、 半 干 旱 农 业 区 主 要 的 土 地 退 化 问 题 , 同 时 也 是 一 个 重 要 的 环 境 问 题 。 遥 感 技 术 能 够 快 速 、 实 时地 提 供 盐 碱 地 的 性 质 、 范 围 、 盐 碱 程 度 等 方 面 的 信 息 。 该 文 以 河 北 省 黄 骅 市 为 研 究 区 , 通 过 对 实 测 的 土 壤 光 谱 的 分 析 , 发 现植 被 严 重 干 扰 了 土 壤 对 盐 分 含 量 光 谱 响 应 关 系 , 同 时 , 在 451. 42~ 593. 79 长 范 围 内 的 土 壤 反 射 率 对 土 壤 盐 分 含 量 较为 敏 感 , 在 土 壤 光 谱 分 析 的 基 础 上 , 建 立 了 土 壤 盐 分 含 量 反 演 的 相 关 统 计 模 型 。 但 由 于 遥 感 影 像 特 征 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间存 在 较 复 杂 的 非 线 性 关 系 , 因 此 统 计 模 型 反 演 精 度 不 够 理 想 。 因 而 , 又 尝 试 运 用 工 神 经 网 络 方 法 来 反 演 土 壤 盐 分 含量 。 研 究 表 明 , 工 神 经 网 络 模 型 具 有 很 强 的 非 线 性 拟 合 能 力 , 与 统 计 模 型 相 比 , 其 土 壤 盐 分 含 量 的 反 演 精 度 有 显 著 提高 。关 键 词 : 土 壤 ; 盐 分 ; 遥 感 ; 人 工 神 经 网 络中 图 分 类 号 : T 9        文 献 标 识 码 : A         文 章 编 号 : 100226819 (2006) 1220048207扶 卿 华 , 倪 绍 祥 , 王 世 新 , 等 . 土 壤 盐 分 含 量 的 遥 感 反 演 研 究 [J ]. 农 业 工 程 学 报 , 2006, 22 (12): 48- N i W h et R of so il on te ]. T , 2006, 22 (12): 48- 54. (h w 稿 日 期 : 2006201216  修 订 日 期 : 2006211208基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (40371081)作 者 简 介 : 扶 卿 华 (1978- ) , 男 , 湖 南 常 德 人 , 博 士 研 究 生 , 主 要 从 事遥 感 与 G 用 研 究 。 北 京   中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 , 100101。Em 163. 通 讯 作 者 : 倪 绍 祥 (1939- ) , 男 , 教 授 , 博 士 生 导 师 , 主 要 从 事 遥 感与 G 用 研 究 。 南 京   南 京 师 范 大 学 地 理 科 学 学 院 , 210097。Em 引   言土 壤 盐 碱 化 是 干 旱 、 半 干 旱 农 业 区 主 要 的 土 地 退 化问 题 , 获 取 有 关 盐 化 土 壤 的 性 状 、 范 围 、 面 积 、 地 理 分 布及 盐 化 程 度 等 方 面 的 实 时 、 可 靠 的 信 息 , 对 治 理 盐 碱 化土 壤 , 防 止 其 进 一 步 退 化 和 农 业 可 持 续 发 展 至 关 重 要 。而 遥 感 以 其 宏 观 、 综 合 、 动 态 、 快 速 等 特 点 , 已 成 为 监 测土 壤 盐 碱 化 的 一 种 新 探 测 手 段 。 国 外 利 用 卫 星 遥 感 监 测土 壤 盐 碱 化 始 于 20 世 纪 70 年 代 。 20 世 纪 90 年 代 以来 , 随 着 遥 感 数 据 的 光 谱 、 时 间 、 空 间 分 辨 率 的 不 断 提高 , 遥 感 数 据 源 更 加 丰 富 , 方 法 日 趋 成 熟 , 不 同 类 型 遥 感数 据 在 土 壤 盐 碱 化 监 测 中 获 得 广 泛 运 用 [1- 8 ], (1995) [2 ]研 究 发 现 : 与 一 般 耕 地 相 比 , 盐 分 含 量 较 高 的土 壤 在 可 见 光 和 近 红 外 波 段 的 光 谱 响 应 较 强 ; 而 且 土 壤的 盐 分 含 量 越 高 , 光 谱 响 应 越 强 ; 但 在 红 光 和 绿 光 波 段 ,地 面 植 被 会 影 响 含 盐 土 壤 的 光 谱 响 应 。 V 等(1998) [1 ]用 不 同 的 图 像 变 换 方 法 (如 H 影 像 差值 和 比 值 法 等 )来 研 究 盐 化 土 壤 的 动 态 变 化 取 得 了 较 好的 效 果 。 D 2002) [6 ]利 用 H ym 光 谱 影 像 成 功地 绘 制 了 澳 大 利 亚 M u 地 土 壤 盐 碱 化 分 布 图 , 结果 发 现 , 在 高 度 盐 化 土 壤 区 域 , 圣 彼 得 草 和 是 最 重 要 的 土 壤 盐 化 指 示 器 , 使 用 光 谱 角 制 图 (、匹 配 滤 波 (M F) 以 及 光 谱 特 征 拟 合 (技 术 同 时 生 成了 该 区 域 的 土 壤 盐 化 指 示 器 分 布 图 。 近 年 来 , 中 国 学 者也 有 不 少 研 究 [9- 14 ], 彭 望 录 (1997) [13 ]研 究 了 地 下 水 埋深 、 地 下 水 矿 化 度 和 地 貌 因 子 对 土 壤 盐 碱 化 的 影 响 , 利用 地 理 信 息 系 统 (G 技 术 , 并 结 合 遥 感 数 据 和 专 家 经验 , 建 立 了 用 于 综 合 分 析 土 壤 盐 碱 化 的 数 学 模 型 。 关 云秀 (2003) [22 ]则 运 用 综 合 分 类 法 对 土 壤 盐 碱 化 进 行 了 研究 , 其 主 要 做 法 是 : ① 通 过 多 季 相 图 像 数 据 的 综 合 , 挖 掘图 像 的 时 间 信 息 ; ② 通 过 监 督 分 类 与 非 监 督 分 类 的 结合 , 挖 掘 影 像 的 光 谱 信 息 ; ③ 通 过 分 类 后 处 理 过 程 , 运 用图 像 空 间 或 结 构 信 息 , 结 合 地 学 相 关 规 律 进 行 综 合 分析 , 进 一 步 消 除 同 物 异 谱 和 异 物 同 谱 现 象 对 分 类 结 果 的干 扰 。 许 迪 (2003) [23 ]用 A T 卫 星 遥 感 影 像 数据 , 以 及 监 督 分 类 、 植 被 指 数 () 等 遥 感 图 像 处 理方 法 , 对 黄 河 上 游 的 宁 夏 青 铜 峡 灌 区 进 行 了 土 壤 盐 碱 分布 监 测 的 应 用 研 究 。 然 而 , 这 些 研 究 大 多 还 是 在 定 性 分析 层 面 上 , 立 足 于 影 像 光 谱 数 据 进 行 数 理 统 计 处 理 及 实现 土 壤 盐 碱 化 的 自 动 识 别 分 类 , 精 度 还 较 低 , 而 定 量 的机 理 研 究 则 更 为 薄 弱 [8- 12 ]。 本 文 以 河 北 省 黄 骅 市 为 研究 区 , 通 过 对 野 外 实 测 光 谱 的 分 析 , 找 出 土 壤 盐 分 含 量的 敏 感 波 段 范 围 , 建 立 土 壤 盐 分 含 量 反 演 模 型 , 并 针 对传 统 统 计 模 型 的 不 足 , 尝 试 运 用 人 工 神 经 网 络 模 型 来 解决 土 壤 盐 分 含 量 的 遥 感 反 演 问 题 。841  研 究 区 与 数 据河 北 省 黄 骅 市 北 接 天 津 , 东 临 渤 海 , 地 处 北 纬 38°09′ 07″~ 38° 38′ 34″ 和 东 经 117° 04′ 32″~ 117° 49′ 42″ , 总 面积 2251 。 土 壤 以 滨 海 盐 渍 化 潮 土 和 盐 土 为 主 。 研 究采 用 的 数 据 主 要 有 : 1)野 外 实 测 土 壤 光 谱 数 据 。 所 用 仪器 为 美 国 A 司 的 F 谱 仪 , 波 长 范 围 300~ 1100 光 谱 分 辨 率 3. 5 共 512 个 波 段 , 光 谱 采样 间 隔 0. 2 视 场 角 25° ; 2)土 壤 样 品 化 验 分 析 数 据 ,共 51 个 土 壤 样 品 ; 3)A R 影 像 数 据 。 A R 是 第一 台 用 于 制 图 和 温 度 精 确 测 量 的 星 载 高 空 间 分 辨 率 多通 道 热 红 外 成 像 仪 。 它 由 3 个 光 学 子 系 统 组 成 , 即 可 见光 近 红 外 (R )、 短 波 红 外 (R ) 和 热 红 外 (T 。其 中 , R 子 系 统 在 可 见 光 与 近 红 外 区 有 三 个 波 段 ,空 间 分 辨 率 为 15 m , 波 段 范 围 0. 52~ 0. 86 可 用 于识 别 水 体 混 浊 度 、 泥 沙 含 量 , 并 能 有 效 区 分 健 康 植 被 和病 害 植 被 , 裸 露 的 地 表 、 土 壤 、 岩 层 、 地 貌 等 影 像 清 晰 。 在本 研 究 中 选 用 2004 年 1 月 13 日 无 云 覆 盖 的 A , 此 时 , 黄 骅 绝 大 部 分 地 区 植 被 较 少 或 无 植 被 覆 盖裸 露 。 首 先 利 用 6S 模 型 对 A R 影 像 进 行 大 气 纠 正 ,然 后 利 用 在 野 外 用 差 分 定 的 控 制 点 坐 标 数 据 对图 像 进 行 几 何 精 纠 正 , 纠 正 后 总 体 误 差 小 于 0. 5 个 像元 。 此 外 , 还 参 考 了 与 研 究 区 有 关 的 图 件 资 料 。2  方   法2. 1  地 面 实 测 光 谱 分 析土 壤 的 反 射 光 谱 是 其 本 身 多 种 理 化 性 质 的 综 合 产物 。 C (1993) [4 ]通 过 实 验 室 反 复 试 验 发 现 了 区分 不 同 盐 化 和 碱 化 过 程 土 壤 性 状 的 5 个 有 用 波 段 , 即 可见 光 (0. 55~ 0. 77 、 近 红 外 (0. 9~ 1. 3 及 中 红外 (1. 94~ 2. 15 2. 15~ 2. 3 2. 33~ 2. 4 波段 ; 还 发 现 , 当 土 壤 水 分 含 量 较 少 时 , 盐 化 土 壤 在 可 见 光范 围 (尤 其 是 蓝 波 段 ) 的 反 射 率 较 大 。 M t 等(1993) [7 ]指 出 , 盐 化 土 壤 的 反 射 特 征 随 不 同 的 地 表 表 现形 态 而 不 同 。 总 体 上 , 盐 壳 比 无 盐 但 有 作 物 的 地 表 要 显得 光 滑 , 因 而 在 可 见 光 和 近 红 外 波 段 的 反 射 较 强 。为 了 从 定 量 角 度 研 究 土 壤 盐 分 含 量 与 其 反 射 光 谱的 关 系 , 在 研 究 区 的 不 同 地 点 采 集 了 51 个 土 样 , 并 相 应地 同 步 测 定 了 49 个 样 点 的 反 射 光 谱 , 据 此 分 析 反 射 光谱 数 据 与 土 壤 盐 分 含 量 的 关 系 。 首 先 , 在 波 长 400~1000 围 内 , 对 49 个 样 点 的 反 射 光 谱 数 据 与 土 壤盐 分 含 量 数 据 进 行 相 关 分 析 (图 1)。 由 图 1 可 见 , 在 波长 400~ 1000 围 内 , 两 者 的 关 系 数 并 不高 , 最 大 值 不 到 0. 4。 此 外 , 还 分 析 了 不 同 植 被 覆 盖 下 盐化 土 壤 的 光 谱 数 据 与 盐 分 含 量 的 相 关 性 。 在 分 析 中 , 用各 样 点 实 测 的 遥 感 植 被 指 数 (N D V I ) 代 表 植 被 状 况 。N D V I 的 计 算 公 式 如 下N D V I = - + (1)式 中   、 — — 分 别 代 表 实 测 的 地 面 光 谱 按A R 的 、 波 段 范 围 计 算 得 到 的 反 射率 平 均 值 。 由 图 2 可 见 , 当 N D V I 逐 渐 减 小 时 , 实 测 光 谱数 据 与 土 壤 盐 分 含 量 的 相 关 性 明 显 增 大 ; 反 之 , 当N D V I 逐 渐 增 大 时 , 实 测 光 谱 数 据 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间的 相 关 性 在 整 个 N D V I 变 化 过 程 中 一 直 不 大 (图 3)。 其主 要 原 因 是 : 植 被 对 实 测 土 壤 的 光 谱 产 生 干 扰 , 且 植 被覆 盖 越 大 此 类 干 扰 越 大 , 即 光 谱 曲 线 中 夹 杂 了 更 多 植 被的 特 征 信 息 [15- 17 ]; 反 之 , 植 被 覆 盖 越 小 , 其 影 响 也 越 小 ,光 谱 曲 线 则 可 更 多 反 映 土 壤 的 盐 分 含 量 状 况 。图 1  各 波 段 土 壤 反 射 率 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间 相 关 系 数F 1  Co so il   随 着 减 少 各 波 段 反 射 率与 土 壤 盐 分 含 量 相 关 性 的 变 化F 2  of co of so il w 94  第 1 期 扶 卿 华 等 : 土 壤 盐 分 含 量 的 遥 感 反 演 研 究图 3  随 着 增 加 各 波 段 反 射 率与 土 壤 盐 分 含 量 相 关 性 的 变 化F 3  of co of so il w 为 进 一 步 研 究 实 测 光 谱 的 不 同 波 段 对 土 壤 盐 分 含量 的 敏 感 程 度 , 又 计 算 了 实 测 光 谱 在 各 波 段 的 反 射 率 值的 均 方 差 , 以 及 反 射 率 值 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间 的 相 关 系数 和 诊 断 指 数 。 所 用 诊 断 指 数 (P i) [24 ] 的 计 算 公 式 如 下P i = R i (2)式 中   — 样 本 光 谱 曲 线 在 波 段 i 上 反 射 率 数 值 的均 方 差 ; R i— — 波 段 反 射 率 值 与 土 壤 盐 分 含 量 之间 的 相 关 系 数 。 显 然 , 大 , 样 本 光 谱 反 射 率 在 此 波 段的 离 散 程 度 越 大 , 不 同 样 本 在 此 波 段 可 分 性 越 明 显 ; R 对 值 越 大 , 波 段 i 反 射 率 值 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间 的相 关 性 越 好 , 两 者 的 变 化 趋 势 一 致 或 正 好 相 反 。 分 别 计算 了 P i 的 绝 对 值 、 R i 的 绝 对 值 , 并 按 从 大 到 小 的 顺序 列 出 了 位 于 前 10 位 的 波 段 , 具 体 结 果 见 表 1、 2、 3。 由表 1、 2、 3 可 见 , 波 长 为 451. 42~ 593. 79 土 壤 反 射率 对 盐 分 含 量 较 为 敏 感 , 因 此 该 波 段 范 围 较 适 用 于 反 演研 究 区 土 壤 的 盐 分 含 量 。表 1  诊 断 指 数T   D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10波 长 85. 88 584. 30 587. 47 582. 72 589. 05 581. 14 590. 63 592. 21 593. 79 579. 56ßP . 0601 0. 0601 0. 0595 0. 0594 0. 0587 0. 0583 0. 0577 0. 0577 0. 0574 0. 0572表 2  相 关 系 数T   Co 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10波 长 53. 01 454. 59 451. 42 456. 17 457. 75 459. 33 460. 91 462. 50 464. 08 465. 66ßR . 7086 0. 7085 0. 7080 0. 7076 0. 7073 0. 7070 0. 7065 0. 7062 0. 7059 0. 7054表 3  标 准 差T   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10波 长 84. 30 585. 88 582. 72 587. 47 589. 05 581. 14 590. 63 579. 56 592. 21 593. 79ß. 0870 0. 0869 0. 0861 0. 0860 0. 0845 0. 0844 0. 0829 0. 0829 0. 0828 0. 08252. 2  统 计 模 型 的 建 立 与 应 用由 上 节 光 谱 分 析 可 知 , 研 究 区 的 实 测 土 壤 反 射 率 数据 与 土 壤 盐 分 含 量 数 据 存 在 较 好 相 关 关 系 。 为 了 将 两 者的 关 系 进 一 步 量 化 , 尝 试 建 立 了 两 者 的 统 计 模 型 , 并 用实 测 的 土 壤 盐 分 含 量 数 据 检 验 该 模 型 的 反 演 精 度 。在 光 谱 分 析 中 , 发 现 植 被 覆 盖 过 多 会 严 重 干 扰 土 壤光 谱 对 土 壤 盐 分 含 量 的 响 应 关 系 , 因 此 , 结 合 研 究 区 实际 情 况 , 本 研 究 选 取 的 影 像 的 时 间 是 一 月 份 , 此 时 , 黄 骅地 区 绝 大 部 分 地 区 植 被 较 少 , 甚 至 部 分 地 区 无 植 被 覆 盖(即 黄 骅 地 区 影 像 上 有 90% 以 上 区 域 的 N D V I 0. 3) 的 样 点 , 共 选 定 32 个 样 点 , 用 于 建 立 植被 中 低 度 覆 盖 的 土 壤 盐 分 含 量 反 演 模 型 。 但 是 正 由 于 在模 型 建 立 过 程 中 没 有 考 虑 植 被 多 的 样 点 , 因 此 , 在 植 被高 覆 盖 的 极 少 数 区 域 , 土 壤 盐 分 含 量 反 演 结 果 可 能 会 出现 较 大 误 差 , 如 何 更 好 地 解 决 这 种 情 况 下 的 植 被 干 扰 问题 , 还 有 待 进 一 步 研 究 探 讨 。如 前 所 述 , 440. 35~ 593. 79 波 段 范 围 较 适 用于 反 演 土 壤 盐 分 含 量 , 与 其 大 致 对 应 的 是 A R 的 波 段 (520~ 600 。 此 外 , 考 虑 到 植 被 对 土 壤光 谱 的 影 响 , 因 而 又 分 别 对 比 分 析 了 、 V I 与 土 壤 盐 分 含 量 的 相 关 性 , 与 土 壤 盐 分 含05 农 业 工 程 学 报 2007 年  量 的 关 系 数 为 0. 60, R 2 为 0. 36; 而 - N D V I 与 土 壤 盐 分 含 量 的 关 系 数 为0. 819, R 2 为 0. 67。 显 然 , - N D V I 与 土 壤 盐 分 含 量的 相 关 性 好 于 与 土 壤 盐 分 含 量 的 相 关 性 。 其 原 因是 : - N D V I 在 植 被 中 低 度 覆 盖 情 况 下 , 能 够 在 一定 程 度 上 考 虑 了 植 被 的 影 响 , 因 而 它 与 土 壤 盐 分 含 量 的相 关 性 明 显 提 高 。 因 此 , 本 研 究 采 用 - N D V I 与 土壤 盐 分 含 量 进 行 线 性 回 归 (见 图 4) , 得 到 如 下 回 归 方 程为y = 1. 3788x + 0. 3479 (3)式 中   y — — 土 壤 盐 分 含 量 ; x — — - N D V I ,、 、 — — 分 别 代 表 实 测 的 地 面 光 谱 按A R 的 、 、 波 段 范 围 计 算 得到 的 反 射 率 平 均 值 。 然 后 , 利 用 所 建 统 计 模 型 (即 y =1. 3623x + 0. 3669) 和 A 像 数 据 , 对 整 个 研 究 区土 壤 盐 分 含 量 进 行 反 演 , 其 中 51 个 样 点 的 模 型 反 演 结果 和 实 测 数 据 见 表 4。 从 较 大 的 相 对 误 差 可 以 看 出 , 统计 模 型 的 反 演 精 度 不 够 理 想 。图 4  土 壤 盐 分 含 量 反 演 值 (Y ) 与 实 测 值 (X ) 的 散 点 图F 4  so il Y ) X )2. 3  神 经 网 络 模 型 的 建 立 与 应 用人 工 神 经 网 络 ( 具 有 很 强 的 非 线 性 映 射 能力 , 因 而 为 土 壤 盐 分 含 量 的 反 演 提 供 了 一 种 新 的 方 法 和手 段 [18, 19 ]。 其 中 , 网 络 目 前 应 用最 为 广 泛 。 它 采 用 “ 误 差 反 向 传 播 ” 算 法 , 即 有 教 师 指 导的 习 算 法 。 首 先 由 教 师 对 每 一 种 输 入 模 式 设 定 一个 期 望 输 出 值 , 然 后 对 网 络 输 入 实 际 的 学 习 记 忆 模 式 ,并 由 输 入 层 经 隐 层 向 输 出 层 传 播 , 此 过 程 为 “ 模 式 顺 传播 ” 。 实 际 输 出 与 期 望 输 出 的 差 即 是 误 差 。 按 照 误 差 平方 最 小 这 一 规 则 , 由 输 出 层 往 隐 层 逐 层 修 正 连 接 权 值 和阈 值 , 此 过 程 即 为 “ 误 差 反 向 传 播 ” 。 随 着 “ 模 式 顺 传 播 ”和 “ 误 差 逆 传 播 ” 过 程 的 交 替 反 复 进 行 , 不 断 调 整 网 络 的权 值 和 阈 值 , 使 得 误 差 信 号 最 小 , 最 终 使 网 络 的 实 际 输出 逐 渐 向 各 自 所 对 应 的 期 望 输 出 值 逼 近 。表 4  使 用 统 计 模 型 的 土 壤 盐 分 含 量 反 演 结 果T   So il 编 号实 测 土 壤盐 分 含 量%预 测 土 壤盐 分 含 量%相 对误 差%样 点编 号实 测 土 壤盐 分 含 量%预 测 土 壤盐 分 含 量%相 对误 差%1 0. 47 0. 349 - 25. 74 27 0. 69 0. 181 - 73. 772 0. 19 0. 296 55. 79 28 0. 64 0. 089 - 86. 093 1. 20 0. 678 - 43. 50 29 0. 54 0. 252 - 53. 334 0. 20 0. 236 18. 00 30 0. 71 0. 377 - 46. 905 0. 40 0. 677 69. 25 31 0. 38 0. 360 - 5. 266 0. 23 0. 210 - 8. 70 32 1. 29 0. 458 - 64. 507 0. 17 0. 267 57. 06 33 0. 48 0. 391 - 18. 548 1. 20 0. 706 - 41. 17 34 0. 44 0. 680 54. 559 0. 25 0. 416 66. 40 35 0. 61 0. 415 - 31. 9710 0. 17 0. 262 54. 12 36 0. 58 0. 434 - 25. 1711 0. 12 0. 416 246. 67 37 0. 2 0. 224 12. 0012 0. 11 0. 293 166. 36 38 0. 38 0. 457 20. 2613 0. 28 0. 773 176. 07 39 0. 48 0. 452 - 5. 8314 0. 91 0. 495 - 45. 60 40 0. 17 0. 309 81. 7615 0. 42 0. 220 - 47. 62 41 0. 09 0. 217 141. 1116 0. 34 0. 545 60. 29 42 0. 48 0. 436 - 9. 1717 0. 41 0. 577 40. 73 43 0. 31 0. 212 - 31. 6118 0. 28 0. 312 11. 43 44 0. 02 0. 036 80. 0019 0. 28 1. 020 264. 29 45 0. 02 0. 091 355. 0020 0. 17 0. 919 440. 59 46 0. 06 0. 100 66. 6721 0. 74 0. 340 - 54. 05 47 0. 11 0. 205 86. 3622 1. 15 0. 696 - 39. 48 48 0. 05 0. 023 - 54. 0023 0. 48 0. 263 - 45. 21 49 0. 06 0. 236 293. 3324 0. 44 0. 436 - 0. 91 50 0. 07 0. 204 191. 4325 0. 31 0. 091 - 70. 65 51 0. 13 0. 362 178. 4626 1. 24 0. 215 - 82. 66本 研 究 利 用 M A 件 进 行 网 络 结 构 设 计 , 将51 个 土 壤 样 本 数 据 分 成 两 组 : 一 组 作 为 训 练 样 本 , 共 43个 样 本 ; 另 一 组 为 测 试 样 本 , 共 8 个 样 本 。 A 像 数据 的 、 和 反 射 率 数 据 作 为 网 络的 输 入 , 土 壤 盐 分 含 量 作 为 网 络 的 输 出 。 在 进 行 网 络 训练 之 前 , 对 神 经 网 络 的 输 入 和 输 出 数 据 进 行 归 一 化 和 标准 化 处 理 , 以 加 快 网 络 的 训 练 速 度 。 神 经 网 络 模 型 中 的输 入 层 和 隐 层 采 用 T 输 函 数 , 输 出 层 则 采用 Pu 性 传 输 函 数 。 为 了 保 持 系 统 稳 定 , 开 始 选取 较 小 的 学 习 速 度 , 然 后 再 通 过 观 察 训 练 过 程 中 梯 度 变化 、 均 方 误 差 变 化 值 和 误 差 下 降 曲 线 的 判 断 来 进 行 调整 。 应 指 出 的 是 , 采 用 适 当 的 隐 含 层 结 点 数 是 网 络 成 败的 关 键 。 如 果 隐 含 层 结 点 数 太 少 , 网 络 可 获 取 解 决 问 题的 信 息 太 少 , 网 络 则 难 以 处 理 复 杂 的 问 题 ; 若 隐 含 层 结点 数 过 多 , 将 使 网 络 训 练 时 间 急 剧 增 加 。 本 研 究 的 隐 含层 节 点 数 的 确 定 采 用 逐 步 增 长 法 , 即 先 从 一 个 较 简 单 的网 络 开 始 , 隐 层 单 元 数 设 置 为 2 个 , 如 不 符 合 要 求 则 逐15  第 1 期 扶 卿 华 等 : 土 壤 盐 分 含 量 的 遥 感 反 演 研 究步 增 加 隐 层 单 元 数 , 直 到 合 适 为 止 。 为 了 确 定 最 佳 的 隐含 层 节 点 数 , 分 别 计 算 了 当 其 它 网 络 参 数 相 同 、 且 最 大训 练 次 数 都 为 1500 次 、 而 隐 含 层 节 点 数 不 同 情 况 下 训练 样 本 的 R 和 M 见 表 5)。表 5  不 同 隐 含 层 节 点 数 情 况 下 训 练 样 本 的 M RT   M SE of w in h 层 节 点 数 2 3 4 5 6 7 8M . 799 2. 181 0. 807 1. 120 0. 861 0. 377 0. 105R 0. 626 0. 725 0. 909 0. 910 0. 902 0. 958 0. 989隐 含 层 节 点 数 9 10 11 12 13 14 15M . 115 0. 058 0. 0159 0. 072 0. 218 0. 662 0. 318R 0. 988 0. 994 0. 992 0. 989 0. 988 0. 938 0. 967通 过 反 复 试 验 , 并 综 合 考 虑 时 间 效 率 和 模 拟 效 果 ,隐 层 的 节 点 数 确 定 为 11 个 。 在 网 络 训 练 过 程 中 , 有 时 会产 生 “ 过 拟 合 ” 现 象 [20 ], 即 训 练 集 的 误 差 被 训 练 得 非 常小 , 而 当 把 训 练 好 的 网 络 用 于 新 的 数 据 时 却 产 生 很 大 误差 。 本 研 究 从 以 下 方 面 来 处 理 过 拟 合 现 象 : 1)修 改 性 能函 数 。 典 型 的 性 能 函 数 是 网 络 均 方 差 M 编 程 时 需 要将 网 络 性 能 函 数 的 缺 省 值 M 为 M G, 即 :N ’m 并 指 定 性 能 比 例 值 , 如 :N 0. 5, 这 可 在 一 定 程 度 上 抑制 过 拟 合 ; 2)提 前 结 束 。 具 体 做 法 是 , 将 样 本 数 据 分 为 训练 集 和 监 控 集 两 部 分 , 前 者 用 于 更 新 网 络 权 重 和 偏 置量 , 后 者 用 于 防 止 网 络 过 拟 合 的 出 现 [21 ]; 3) 尽 量 合 理 设置 期 望 误 差 。 从 理 论 上 说 , 期 望 误 差 越 小 越 好 , 但 期 望 误差 太 小 , 网 络 需 要 的 训 练 时 间 太 长 , 而 且 可 能 出 现 过 拟合 现 象 。 在 本 研 究 中 , 通 过 大 量 试 验 , 期 望 误 差 设 置 为0. 001。训 练 样 本 的 神 经 网 络 模 型 模 拟 结 果 见 表 6 及 其 模型 反 演 值 与 实 测 值 的 散 点 图 见 图 5, 而 测 试 样 本 的 神 经网 络 模 型 模 拟 结 果 见 表 7 及 其 模 型 反 演 值 与 实 测 值 的散 点 见 图 6。 由 表 6、 7 和 图 5、 6 可 见 , 与 统 计 模 型 相 比 ,神 经 网 络 模 型 的 土 壤 盐 分 预 测 效 果 要 好 得 多 , 其 相 对 误差 最 大 为 37% , 最 小 为 0; 而 统 计 模 型 预 测 的 相 对 误 差最 大 为 440. 59% , 最 小 为 - 86. 09%。 可 见 , 神 经 网 络 模型 具 有 很 强 的 线 性 和 非 线 性 拟 合 能 力 , 在 模 拟 遥 感 影 像特 征 与 土 壤 盐 分 含 量 之 间 这 种 比 较 复 杂 的 关 系 上 具 有很 大 优 势 。 同 时 , 用 经 网 络 模 型 反 演 出 整 个 研 究区 域 的 土 壤 盐 分 含 量 见 图 7, 由 图 7 可 知 , 离 海 越 近 区域 颜 色 越 浅 (注 : 水 域 统 一 用 全 黑 色 ) , 表 明 土 壤 盐 分 含量 较 高 , 这 符 合 研 究 区 — — 黄 骅 市 的 实 际 情 况 , 这 也 说明 模 拟 结 果 是 基 本 可 靠 的 。表 6  训 练 样 本 的 网 络 预 测 结 果  of 样 点编 号实 测 值%
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