c紅壤土壤含水量的光譜監(jiān)測試驗(yàn)研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。c紅壤土壤含水量的光譜監(jiān)測試驗(yàn)研究紅壤土壤含水量的光譜監(jiān)測試驗(yàn)研究紅壤土壤含水量的光譜監(jiān)測試驗(yàn)研究指導(dǎo)老師：李就好教授組員：余潤翔，邱超雷，張家豐，黃遠(yuǎn)軍，陳榮朗 0.引言土壤水分是植物生長發(fā)育的必要的條件，對熱量平衡、土壤溫度、農(nóng)業(yè)墑情有重要意義，是反映土地質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。土壤水分測定的方法有取土烘干法、中子水分儀法及張力計(jì)方法等，雖然精確度高，準(zhǔn)確性強(qiáng)，但是工作量大，時(shí)間周期長，監(jiān)測面積受限，不能快速地獲取數(shù)據(jù)。成像光譜遙感技術(shù)是80年代初發(fā)展起來的新型遙感技術(shù)。近20年來，該技術(shù)發(fā)展很快，已成

2、為遙感技術(shù)發(fā)展的3大趨勢之一（成像光譜遙感，微波遙感及3S技術(shù)系統(tǒng)）。由于成像光譜具有高光譜分辨率的圖像與光譜合二為一的特點(diǎn)，它的發(fā)展不僅使遙感技術(shù)能有效地直接識別地表物質(zhì)，而且還能更深入地研究地表物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)。成像光譜遙感數(shù)據(jù)具有超多波段，高光譜分辨率，豐富的光譜信息以及較強(qiáng)的識別和分類能力。自AVIRIS出現(xiàn)之后，NASA將其搭載在ER2型飛機(jī)上，在20km的高空做試驗(yàn)飛行，其它一些國家，如：加拿大、澳大利亞、中國等以航空成像光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在大氣探測，植被調(diào)查，農(nóng)作物估產(chǎn)，冰雪覆蓋調(diào)查，土地利用監(jiān)測，海洋葉綠素濃度調(diào)查，巖石、礦物填圖等方面做了大量的應(yīng)用示范研究。光譜遙感技術(shù)憑借其極

3、高的光譜分辨率，能獲取地面土壤的反射光譜信息，為土壤水分監(jiān)測提供一種新的技術(shù)手段。本次試驗(yàn)研究的目的是利用光譜技術(shù)和逐步回歸的分析方法，分析。本研究進(jìn)行了不同土壤水分條件下光譜測試，分析了土壤水分與光譜的相關(guān)關(guān)系，得到了不同水分處理的最佳光譜響應(yīng)波長，為今后的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)提供基礎(chǔ)研究。1.試驗(yàn)材料與方法1.1材料的選取、試驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)采集的土壤為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)躍進(jìn)區(qū)的紅壤，土壤濕度比較均勻，濕度垂直變化比較小。實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程院樓樓頂?shù)膶?shí)驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)儀器采用美國ASD公司（AnalyticalSpectralDevices,Inc.）的FieldSpec3手持便攜式光譜分析儀采集，如

4、圖1所示。圖1 FieldSpec3手持便攜式光譜分析儀及探頭附件試驗(yàn)在晴朗無云的天氣下進(jìn)行，測量時(shí)間選在中午12點(diǎn)到下午2點(diǎn)，且光線充足。1.2試驗(yàn)的步驟(1)把土風(fēng)干，測得土壤風(fēng)干質(zhì)量含水量為3.22%。土壤編號質(zhì)量含水量/%土壤編號質(zhì)量含水量/%13.22719.2226.22820.2239.22921.22412.221022.22515.221123.22618.221224.22(2)將風(fēng)干后將土壤進(jìn)行研磨， 過3毫米的篩。(3)把過篩的土壤，裝成等質(zhì)量的12份，每份風(fēng)干土壤重為50克，裝入鋁土盒，對每個(gè)鋁土盒進(jìn)行編號。(4)以1.5克為加入水的梯度，對每份土壤依次遞增加水，加入

5、后等水充分均勻（如表1所示）。(5)在試驗(yàn)條件下，利用光譜儀器測出土壤的光譜，利用表格記錄好數(shù)據(jù)，利用ASD光譜儀配套的光譜數(shù)據(jù)處理軟件ViewSpecPro生成圖像。表1土壤水分處理結(jié)果2.試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 不同水分處理下土壤光譜反射特性圖2 不同土壤含水率的光譜曲線從圖中可以看出，在350-1000nm和1850-2350nm間的光譜反射率較為雜亂，而在1000-1100nm和1150-1250nm各范圍內(nèi)的光譜反射率隨波長增加有單調(diào)上升趨勢，在1150-1250nm范圍內(nèi)的光譜反射率隨波長的增長增加的較快，在1500-1750nm范圍內(nèi)的光譜反射率隨波長增加有單調(diào)下降趨勢。圖3 14

6、00-1850波長下不同含水率土壤光譜曲線 圖3表明：在土壤濕度從3.22%-20.22%之間，土壤光譜的反射率在1400-1850nm之間會隨著土壤含水量的增加而降低，在土壤含水量為6.22%到9.22%之間，和9.22%到12.22%之間的反射率變化很明顯。其中，在1550nm處，3.22%的光譜反射率達(dá)到最大，最大為0.54。當(dāng)土壤含水量達(dá)到20.22%，反射率為0.1，兩者相差5倍左右。圖4 1400-1850波長下三種不同含水率土壤光譜曲線 圖4表明：在土壤濕度為20.22%-22.22%之間，土壤光譜的反射率隨濕度的變化而變化的程度不明顯。三者的反射率值大約為0.11。圖5 140

7、0-1850波長下四種不同含水率土壤光譜曲線圖5表明：當(dāng)土壤濕度大于22.22%時(shí)，土壤光譜的反射率變化又變得明顯。22.22%與23.22%之間的土壤反射率相差0.01。24.22%與25.22%之間的土壤反射率也相差0.01。但23.22%與24.22%之間的土壤反射率卻相差不明顯。但是彼此的反射率值相差不大。 通過以上分析，得到土壤水分引起的土壤反射光譜在1400nm，1900nm和2200nm處有三個(gè)吸收帶，且認(rèn)為1900nm是土壤水分的特征波段。2.2對比試驗(yàn)結(jié)果分析為了消除鋁土盒尺寸對試驗(yàn)的影響，進(jìn)行了盆裝土對比的試驗(yàn)，結(jié)果如圖6和圖7所示圖6 不同土壤含水率的光譜曲線圖7 140

8、0-1850波長下不同含水率土壤光譜曲線從圖6和圖7可知，盡管土壤的表層面積不同，但土壤在1400- 1800nm隨著土壤含水量的增加，土壤光譜的反射率不斷減少，并且在1400-1550nm范圍內(nèi)，土壤的反射率呈遞增的趨勢；在1550-1800nm范圍內(nèi)，土壤的反射率呈遞減的趨勢，這與小鋁盒的情況相同。在1550nm處，濕度為5%的土壤的反射率為0.47，而用小鋁盒裝土?xí)r，土壤濕度為6.22%的土壤，反射率為0.5，可見兩者相差的并不多，而且在8%-11%之間，土壤的反射率相差比較大，這與小鋁盒的情況差不多。3、結(jié)論通過對紅壤不同含水量的光譜測試研究與分析，得到：（1）在410-1000毫微米

9、波段內(nèi)，長波比短波對濕度的反射靈敏。濕度小于14%時(shí)反射率變化明顯，14-20%濕度范圍內(nèi)反射率幾乎不變，大于20%時(shí)反射率還略有回升。（2）反射率隨濕度變化密切的波段為810-1000、480-690、700- 790、440-70和410-430毫微米。濕度與反射率的回歸曲線是二次曲線。（3）在利用陸地衛(wèi)星圖像判斷土壤濕度時(shí)，應(yīng)該選擇長波段，可以靈敏的反應(yīng)濕度小于14%的土壤。（4）儀器的表面面積的大小對實(shí)驗(yàn)的影響很小。4、應(yīng)用展望(1)實(shí)驗(yàn)室土壤光譜測量有效消除了諸多自然因素和人為因素的影響，效果比較明顯，而實(shí)際生產(chǎn)中，野外土壤由于受到植被覆蓋、大氣狀況等多種因素的干擾，因此還需要進(jìn)行大

10、量的野外與實(shí)驗(yàn)室光譜數(shù)據(jù)的對比分析，建立準(zhǔn)確的土壤水分光譜反演模型，并將其推廣到遙感影像則需要更多的工作。(2)不同土壤類型的成土母質(zhì)、土壤含水率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤氧化鐵含量以及土壤粗糙度等有很大的差異，這種差異綜合影響土壤光譜反射率。從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的角度看，若要實(shí)時(shí)的掌握土壤信息，需要全面了解土壤基本性狀，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)做出的變量決策提供參考。這一工作，仍需要進(jìn)行大量的田間和實(shí)驗(yàn)室光譜測量，針對不同的土壤類型建立專一光譜信息庫。參考文獻(xiàn)：1朱永豪. 不同濕度條件下黃棕壤光譜反射率的變化特征及其遙感意義. 土壤學(xué)報(bào)，1984，21（2）：194-2022張宗貴. 基于譜學(xué)的成像光譜遙感技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用. 國土資源遙感，2000，（3）：16-243羅音,舒寧. 基于信息量確定遙感圖像主要波段的方法. 城市勘測，2002，（4）：28-324張亞梅. 地物反射波譜特征及高光譜成像遙感.光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23（5）：6-175魏娜. 黑土土壤水分高光譜特征及反演模型. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（8）：95-1006李云梅. 地面遙