不同表面状态盐渍土水盐特性的近地表多源遥感在线探测方法研究

More and more countries and regions now attach great importance to the improvement and utilization of saline-alkali soil, as the population increases and arable land shrinks. It is necessary to obtain the moisture and salinity in large-scale saline-alkali soil of high time-spatial resolution in real time to make reasonable, effective and accurate soil improvement plans. Remote sensing is commonly used to obtain such data, but since the moisture and salinity of saline-alkali soil is of high spatial heterogeneity, so required data cannot be obtained by using spatial remote sensing technologies, and therefore it’s urgently needed to carry out research on near-surface remote sensing technologies for such measurements.. With the large-scale soda saline-alkali soil in the West of Jilin province as the research object, this project incorporated the strengths of ground penetrating radar, optics, and microwave remote sensing, applied the electro-magnetic wave transmission theory, image processing technology, and statistics analysis method, and as a result solved the critical technical issues in obtaining data of saline-alkali soil by remote sensing. In addition to achieving automatic identification of the surface forms of saline-alkali soil, this project achieved real-time, automatic, and online measurement of the moisture and salinity in large-scale saline-alkali soil in the field by using the near-surface multi-source remote sensing method for measuring the saline-alkali soil under different surface forms and using the GPU-based high-performance processing technology to process collected data in real time. In brief, this research presented a new means for obtaining data of saline-alkali soil, which can serve as a reliable source of data in the efforts to improve saline-alkali soil.

随着人口增长及耕地资源的短缺，盐渍土的改良与利用为众多国家或地区高度重视。为了制定精准、有效的改良方案，需要大面积、具有高时空分辨率的盐渍土水盐含量实时数据。遥感是获取此类数据的常用手段，但由于盐渍土水盐含量具有较强的空间异质性，卫星遥感技术无法获取相应的有效信息，所以亟需开展近地表盐渍土水盐特性的遥感探测技术研究。.本项目以吉林西部苏打盐渍土为研究对象，集成探地雷达、光学与被动微波遥感多手段的优势，应用电磁波传播理论、图像处理技术与统计分析等方法，解决盐渍土遥感信息特征提取的关键技术问题；在自动识别盐渍土表面状态的基础上，深入开展不同地表状态盐渍土特性的近地表多源遥感探测机理与反演方法研究，结合GPU高性能处理技术完成数据的在线实时处理，最终实现野外条件下近地表盐渍土水盐含量的大面积、在线、自动、实时测量。本研究将提供一种新的盐渍土特性探测手段，为指导盐碱地的改良利用提供可靠的数据支持。

申请人在国家自然科学面上项目“不同表面状态盐渍土水盐特性的近地表多源遥感在线探测方法研究”（2016～2020年）的支持下，研究了苏打盐渍土的雷达、光学与被动微波遥感响应特性，解决了盐渍土遥感信息特征提取的关键技术问题，进行了野外实验四次，反演并分析了近三十年吉林省西部土壤盐渍化程度的时空变化。具体研究结果如下：.（1）提出了改进LBP和HSV颜色直方图结合的地表状态识别算法。该算法对113张测试图片的分类结果全部正确，优于现有算法；.（2）建立了盐渍土的雷达响应特性模型。结果表明在粗糙度变化不大的情况下，水盐含量是影响雷达后向散射系数的主要因子，可以通过雷达反演水盐特征；.（3）研究了龟裂苏打盐渍土纹理特征与水盐特性的相关性。结果表明：当含水量<30%时纹理特征趋于稳定；建立了基于CON的盐渍土理化参数反演模型，模型对Na+、Cl-、CO32-、EC、含盐量的R2都在0.83以上；.（4）建立了由盐土、自由水、冻结水和空气四相组成的介电常数模型及微波辐射模型。结果显示在冻、融两种状态，盐渍土的发射率发生了较大变化，是判断其冻融状态的重要依据；.（5）实现了基于GPU的高效数据处理技术。相对于单线程CPU，对于高光谱数据使用NVIDIA Tesla K20 GPU可以实现362×的加速比；.（6）建立了盐渍土电导率的反演模型并反演了近三十年吉林西部盐渍土的时空变化。结果显示，近三十年吉林省西部盐渍土总面积先增后减，2007年为拐点；盐渍土主要转化为农业用地和草地；.（7）定量描述了裂纹率在卫星光谱反演开裂盐渍土电导率中的影响。结果表明，引入裂纹率参数后，对盐渍土电导率反演的R2提高了20~25%；.（8）基于深度学习算法实现了盐渍土含盐量的估算和土壤温湿度预测算法。. 本项目详细阐述并分析了雷达、光学、被动微波等遥感手段探测盐渍土特性的机理与适用性，提供了一种针对不同地表状态的新的盐渍土特性探测手段。这些结果为遥感反演盐渍土的水盐特性奠定了基础，可为指导盐碱地的改良利用提供可靠的数据支持，具有重要的理论及应用意义。