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Reducing the Moisture Effect and Improving the Prediction of Soil Organic Matter With VIS-NIR Spectroscopy in Black Soil Area

含水量 土壤科学 环境科学 土工试验 土壤有机质 水分 植被(病理学) 土壤水分 近红外光谱 遥感 生物系统 材料科学 地质学 物理 医学 岩土工程 病理 量子力学 生物 复合材料
作者
Yang Tan,Qigang Jiang,Longfei Yu,Huaxin Liu,Bo Zhang
出处
期刊:IEEE Access [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:9: 5895-5905 被引量:25
标识
DOI:10.1109/access.2020.3048794
摘要

Soil organic matter (SOM) is rich in black soil area. It has a significant effect on soil health and luxuriant vegetation. The agricultural production activities can thus be guided by measurements of SOM at different periods. Most of previous work estimated SOM using reflectance spectra measurements on dried soil samples, to remove the effect of soil moisture content (SMC). However, it is time-consuming and almost conduct-prohibitive in the field. In this study, we utilized the continuous wavelet transform (CWT) on visible (VIS) and near infrared (NIR) spectra to test its effect on eliminating the SMC influence, and proposed to use the PCA-RF method coupled with CWT to predict SOM from the wet samples. Multi-scale coefficients can amplify the response of spectra to SOM in varying degrees, while improving the correlation of characteristic wavebands and minimizing the moisture interference on SOM specific wavelength. By analysing the multi-scale coefficients, we found that wavelengths ranging around the peaks of 580nm, 820nm, and especially the narrow region around 1400nm are highly correlated regions to SOM. Furthermore, the accuracy of SOM estimation models illustrated the effectiveness of the CWT. Results of the validation model using the dataset of wet samples on CWT scale 6 (R2= 0.84, Mse = 0.23%, and RPD = 2.53) can be statistically equivalent to dataset of dried samples (R2= 0.86, Mse = 0.20%, and RPD = 2.68). Combined with the PCA-RF method, SOM estimation can be perfectly performed with fewer features as input variables and has a great improved. The best prediction of validation model was on scale 6 with features extracted from 4 PCs, compared with the EPO-PLSR method (R2= 0.85, Mse = 0.25%, and RPD = 2.54), the proposed method has a better result (R2= 0.94, Mse = 0.09%, and RPD = 4.08).

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