土壤2024,Vol.56Issue(5) :1051-1056.DOI:10.13758/j.cnki.tr.2024.05.016

基于数字图像技术反演中国东北黑土有机质含量

Reversing Organic Matter Contents in Black Soils in Northeast China Using Digital Image Technology

王亚丹 张凤 胡文友 于东升 迟凤琴 张超 徐英德 杨顺华 俞元春 姜军 徐仁扣
土壤2024,Vol.56Issue(5) :1051-1056.DOI:10.13758/j.cnki.tr.2024.05.016

基于数字图像技术反演中国东北黑土有机质含量

Reversing Organic Matter Contents in Black Soils in Northeast China Using Digital Image Technology

王亚丹 1张凤 2胡文友 2于东升 2迟凤琴 3张超 4徐英德 5杨顺华 2俞元春 6姜军 2徐仁扣2
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作者信息

  • 1. 南方现代林业协同创新中心/南京林业大学生态与环境学院,南京 210037;土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院),南京 211135
  • 2. 土壤与农业可持续发展重点实验室(中国科学院),南京 211135
  • 3. 黑龙江省黑土保护利用研究院,哈尔滨 150086
  • 4. 中国农业大学土地科学与技术学院,北京 100193
  • 5. 沈阳农业大学土地与环境学院,沈阳 110866
  • 6. 南方现代林业协同创新中心/南京林业大学生态与环境学院,南京 210037
  • 折叠

摘要

以东北黑土为研究对象,利用数码相机获取黑土的数字图像,遴选与土壤有机质(SOM)含量相关的红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色分量,并通过逐步多元回归(SMRM)和神经网络模型(NNM)建立基于数字图像的SOM含量预测模型.结果表明:黑土数字图像的各颜色分量原始值与SOM含量的相关系数绝对值(|r|)依次为:R>G>B,分别为0.67、0.65、0.50.原始值经对数和开平方数值变换后,|r|增加,而经倒数和平方变换后,|r|降低.据此,基于数字图像R、G、B颜色分量的原始值和各变换值建立了预测SOM含量的SMRM模型,训练集和验证集决定系数(R2)分别为0.43~0.50和0.46~0.50,均方根误差(RMSE)分别为1.28%~1.39%和1.31%~1.39%(P<0.001),其中基于对数和开平方变换值的模型拟合程度和预测精度更高.同时,利用NNM模型基于黑土 R、G、B颜色分量的原始值反演SOM含量,发现多层感知器算法模型得到的黑土 SOM实测值和预测值之间R2均为0.49,RMSE为1.31%和1.28%(P<0.001).因此,SMRM和NNM均能通过黑土数字图像的R、G、B颜色分量反演SOM含量,其是快速获取中国东北黑土 SOM含量的一套可操作的预测方法.

Abstract

In the present study,digital images of black soil were identified by their red(R),green(G),and blue(B)color components that correlate with SOM content,and then used to construct predictive stepwise multiple regression models(SMRM)and neural network methodologies(NNM)for SOM content.Our findings revealed that the absolute value of correlation coefficients(|r|)between each original color component and SOM content followed the order:R>G>B,with|r|of 0.67,0.65 and 0.50,respectively.The|r|value increased after logarithmic and square root transformations,but decreased following reciprocal and square changes.The determination coefficient(R2)for SMRM training and validation sets with and without transformations fall within the range of 0.43 to 0.50 and 0.46 to 0.50,and the root mean square error(RMSE)ranged 1.28%-1.39%,and 1.31%-1.39%,respectively(P<0.001).Specifically,SMRM incorporating logarithmic and square root transformations of R,G and B color components demonstrated superior predictive performance and higher accuracy.Subsequently,multi-layer perceptron neural networks using original values of R,G and B color components successfully estimated SOM content,with R2 of 0.49 and 0.49,and RMSE of 1.31%and 1.28%for the training and validation sets,respectively(P<0.001).Therefore,both SMRM and NNM provided effective estimates in SOM content for black soil using its digital image.Our findings provide an operational prediction model for the rapid assessment of SOM content of black soil in northeast China.

关键词

黑土/有机质/数字图像/逐步多元回归/神经网络模型

Key words

Black soil,Soil organic matter/Digital image/Stepwise multiple regression model/Neural network methodology

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出版年

2024
土壤
中国科学院南京土壤研究所

土壤

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子:1.052
ISSN:0253-9829
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