本發(fā)明涉及有機(jī)碳測量，尤其是涉及一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法。

背景技術(shù)：

1、濕地作為地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，在全球碳循環(huán)和碳平衡中發(fā)揮著重要作用，是全球碳循環(huán)中陸地碳庫的重要組成部分。沼澤濕地是最重要的濕地類型之一，碳匯能力和碳儲量更為突出，由于沼澤濕地有大量的地表水，使沼澤濕地土壤長期處在缺氧環(huán)境中，土壤有機(jī)質(zhì)通常不能完全分解，使大量的有機(jī)碳在沼澤濕地土壤中固定下來，高原沼澤濕地地塊破碎，植被覆蓋豐富，土壤有機(jī)碳分布空間異質(zhì)性更強(qiáng)。

2、傳統(tǒng)的土壤有機(jī)碳密度監(jiān)測方式主要通過實(shí)地調(diào)查、抽樣和實(shí)驗(yàn)室測量來進(jìn)行估計，這種傳統(tǒng)方法雖然準(zhǔn)確，但成本高、耗時長，因此很難大規(guī)模使用。基于空間自相關(guān)性的插值繪制方法(如克里金法和反距離加權(quán)法)過去也被用于大面積的土壤有機(jī)碳密度監(jiān)測，但是由于濕地的非分區(qū)分布特征，難以保證預(yù)測碳儲量的可靠性。對于面積大、取樣不方便的沼澤濕地，傳統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)采集技術(shù)是不現(xiàn)實(shí)的，空間自相關(guān)插值繪制方法的準(zhǔn)確性難以保證。

3、近端光譜技術(shù)在特定光譜波長范圍內(nèi)(350～2500nm)能建立土壤光譜數(shù)據(jù)與土壤成分含量的直接關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)高精度的土壤有機(jī)碳密度估算，但是近端光譜技術(shù)的高精度土壤有機(jī)碳密度預(yù)測依然體現(xiàn)在預(yù)測的點(diǎn)空間上，無法實(shí)現(xiàn)大面積的預(yù)測。遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的同步觀測，過去對于濕地碳儲量研究大多集中在濕地地塊分布連續(xù)的區(qū)域和植被覆蓋度較低的沿海灘涂地區(qū)，在地形復(fù)雜和地塊破碎的高原地區(qū)，土壤有機(jī)碳密度分布空間異質(zhì)性更強(qiáng)，土壤有機(jī)碳儲量的預(yù)測效果會大大降低。

4、因此，在現(xiàn)有土壤有機(jī)碳密度估算技術(shù)的基礎(chǔ)上，如何既保留實(shí)測光譜預(yù)測土壤有機(jī)碳密度的高精度，又實(shí)現(xiàn)遙感技術(shù)的大尺度土壤有機(jī)碳密度預(yù)測，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，實(shí)現(xiàn)了高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度和土壤有機(jī)碳儲量的估算，有效提高了工作效率和估算精度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，步驟包括：

3、s1、獲取高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度和高原沼澤濕地土壤光譜反射率數(shù)據(jù)；

4、s2、獲取高原沼澤濕地光學(xué)、雷達(dá)影像和數(shù)字高程模型dem以及降雨、氣溫數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，計算與植被、水體和土壤相關(guān)的遙感特征；

5、s3、對步驟s1中光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用皮爾遜相關(guān)分析提取與土壤有機(jī)碳密度相關(guān)的光譜特征；

6、s4、構(gòu)建xgboost模型，使用遙感特征預(yù)測光譜特征，對光譜特征進(jìn)行篩選，并將篩選后的光譜特征與遙感特征融合；

7、s5、構(gòu)建遞歸特征消除隨機(jī)森林回歸模型，確定最優(yōu)的特征及數(shù)量，定量評價每個特征對土壤有機(jī)碳預(yù)測影響效果；

8、s6、根據(jù)步驟s5中獲取的最優(yōu)特征建立隨機(jī)森林模型，制作有機(jī)碳密度分布圖，對有機(jī)碳儲量進(jìn)行估算。

9、優(yōu)選的，所述步驟s1中，高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)基于高原濕地地面測點(diǎn)處獲得，高原沼澤濕地土壤光譜反射率數(shù)據(jù)在暗室測量。

10、優(yōu)選的，所述步驟s2中，使用google?earth?engine對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和計算與植被、水體和土壤相關(guān)的遙感特征，遙感特征包括特征歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、增強(qiáng)植被指數(shù)、灰度共生矩陣指標(biāo)、植物衰老反射指數(shù)、花青素反射指數(shù)、紅邊拐點(diǎn)、倒紅邊葉綠素指數(shù)、歸一化水體指數(shù)、差異化水體指數(shù)、裸土指數(shù)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)、地表水指數(shù)、坡度、地形起伏度、地形濕度指數(shù)、雷達(dá)特征vv極化和vh極化。

11、優(yōu)選的，所述步驟s3中包括：首先對光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑去噪處理，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，包括倒數(shù)變換1/r、對數(shù)變換log?r、導(dǎo)數(shù)變換r'和倒數(shù)后對數(shù)變換log(1/r)，使用皮爾遜相關(guān)分析確定與土壤有機(jī)碳密度相關(guān)性大于0.65的光譜特征。

12、優(yōu)選的，所述步驟s4中包括：

13、s41、將遙感特征為輸入變量，光譜特征為輸出變量構(gòu)建xgboost模型，利用訓(xùn)練的xgboost算法計算光譜特征；

14、s42、使用決定系數(shù)r2作為驗(yàn)證指標(biāo)進(jìn)行篩選，提取預(yù)測r2高于0.8的光譜特征；

15、s43、將篩選后的光譜特征與遙感特征融合。

16、優(yōu)選的，所述步驟s5中，使用百分之八十高原沼澤土壤樣本有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，百分之二十的數(shù)據(jù)同十折交叉驗(yàn)證測試模型效果。

17、優(yōu)選的，所述步驟s6中對有機(jī)碳儲量進(jìn)行估算公式為：

18、ci＝socdi*ai

19、

20、式中，socdi為第i個像元的碳密度值，ai為第i個像元的面積，ci為第i個像元碳儲量，n為研究區(qū)域中像元的總數(shù)，ctotal為總碳儲量。

21、因此，本發(fā)明采用上述一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，具有以下有益效果：

22、(1)可以快速優(yōu)選出與沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度相關(guān)的特征，既保留了實(shí)測光譜預(yù)測土壤有機(jī)碳密度的高精度，又結(jié)合遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對大尺度土壤有機(jī)碳密度和有機(jī)碳儲量的預(yù)測，提高了工作精度和工作效率；

23、(2)在高原沼澤濕地測量時，僅需要進(jìn)行少量點(diǎn)位測量，就可以快速得到高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量估算的最佳模型，實(shí)現(xiàn)高原濕地的大范圍、周期性觀測，節(jié)省了物力、財力，對高原濕地碳匯的智慧監(jiān)測與管理具有重要意義。

24、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于，步驟包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于：所述步驟s1中，高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)基于高原濕地地面測點(diǎn)處獲得，高原沼澤濕地土壤光譜反射率數(shù)據(jù)在暗室測量。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于：所述步驟s2中，使用google?earth?engine對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和計算與植被、水體和土壤相關(guān)的遙感特征，遙感特征包括特征歸一化植被指數(shù)、比值植被指數(shù)、增強(qiáng)植被指數(shù)、灰度共生矩陣指標(biāo)、植物衰老反射指數(shù)、花青素反射指數(shù)、紅邊拐點(diǎn)、倒紅邊葉綠素指數(shù)、歸一化水體指數(shù)、差異化水體指數(shù)、裸土指數(shù)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)、地表水指數(shù)、坡度、地形起伏度、地形濕度指數(shù)、雷達(dá)特征vv極化和vh極化。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于，所述步驟s3中包括：首先對光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑去噪處理，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，包括倒數(shù)變換1/r、對數(shù)變換log?r、導(dǎo)數(shù)變換r'和倒數(shù)后對數(shù)變換log(1/r)，使用皮爾遜相關(guān)分析確定與土壤有機(jī)碳密度相關(guān)性大于0.65的光譜特征。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于：所述步驟s4中包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于：所述步驟s5中，使用百分之八十高原沼澤土壤樣本有機(jī)碳密度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，百分之二十的數(shù)據(jù)同十折交叉驗(yàn)證測試模型效果。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，其特征在于：所述步驟s6中對有機(jī)碳儲量進(jìn)行估算公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳儲量遙感估算方法，屬于有機(jī)碳測量技術(shù)領(lǐng)域，包括獲取高原沼澤濕地土壤有機(jī)碳密度和光譜反射率數(shù)據(jù)，獲取高原沼澤濕地光學(xué)、雷達(dá)影像和數(shù)字高程模型以及降雨、氣溫數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，計算與植被，水體和土壤相關(guān)的特征；提取與土壤有機(jī)碳密度高度相關(guān)的光譜特征；預(yù)測光譜特征并篩選，融合遙感特征與光譜特征；優(yōu)選特征及數(shù)量；根據(jù)最優(yōu)特征建立隨機(jī)森林模型，制作有機(jī)碳密度分布圖，實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳儲量估算。本發(fā)明采用上述方法，既保留了實(shí)測光譜預(yù)測土壤有機(jī)碳密度的高精度，又結(jié)合遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對大尺度土壤有機(jī)碳密度和有機(jī)碳儲量的預(yù)測，提高了工作精度和工作效率。

技術(shù)研發(fā)人員：唐伯惠,蔡方亮,王東,司馬歐陽,陳國坤,李夢華,樊東,祝新明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：昆明理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10