近日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所智慧農(nóng)業(yè)創(chuàng)新團隊提出一種根據(jù)光譜分層驅(qū)動的智能建模框架，通過將光譜分層和機器學(xué)習(xí)深度融合，實現(xiàn)了區(qū)域尺度農(nóng)田土壤重金屬高精度預(yù)測。相關(guān)研究成果發(fā)表在《IEEE地球科學(xué)與遙感學(xué)報（IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing）》上。
快速準(zhǔn)確獲取大范圍農(nóng)田土壤重金屬濃度信息，對防控土壤污染和保障農(nóng)產(chǎn)品安全具有重要意義。多光譜衛(wèi)星遙感憑借高時空分辨率、廣覆蓋和成本低等優(yōu)勢，成為大范圍農(nóng)田土壤重金屬監(jiān)測的主要手段。然而，受土壤環(huán)境復(fù)雜性和光譜響應(yīng)不敏感等限制，農(nóng)田土壤重金屬遙感監(jiān)測精度有待提升。
科研團隊利用哨兵2號衛(wèi)星影像，提出了一種根據(jù)光譜分層驅(qū)動的智能建模框架。該框架通過根據(jù)土壤有機質(zhì)和酸堿度對原始光譜數(shù)據(jù)進行分層處理，增強了土壤重金屬對光譜信號的響應(yīng)能力，并以分層后的光譜數(shù)據(jù)作為模型輸入對土壤重金屬進行預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，科研團隊通過自動化調(diào)參、模型集成等先進技術(shù)進行模型訓(xùn)練，評估了多種分層策略相較于非分層（全局）模型在提升土壤重金屬預(yù)測性能方面的有效性。結(jié)果表明，根據(jù)土壤有機質(zhì)分層的立體模型取得了更高的預(yù)測精度，優(yōu)于全局卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。同時，該框架利用沙普利加性解釋方法，定量評估了光譜變量對模型預(yù)測性能的貢獻。該研究可為揭示農(nóng)田土壤重金屬與光譜數(shù)據(jù)之間的作用機制提供重要參考，為大范圍農(nóng)田土壤重金屬污染高精度監(jiān)測與早期預(yù)警提供了新視角。
該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1109/TGRS.2025.3532678
