盐渍土快速检测方法的研究

盐渍土快速检测方法的研究

孔芳1李翠花2马虎海3陈瑞娟4

中建新疆建工土木工程有限公司  新疆乌鲁木齐市830000

摘要：众所周知，如今的生态环境所面临的问题比较严重。其中，土壤盐渍化是发生在干旱、半干旱地区的一个重要问题。新疆地区作为国家十四五规划建设的重要区域，大量盐渍土的存在，对新疆的基础设施建设产生了巨大的阻碍，给公路工程建设、混凝土性能、路基耐久性带来了不可逆转的破坏和影响，严重阻碍了当地经济发展。而如何快速检测土壤盐渍化，避免更大的损失成为干旱、半干旱地区一个重要的课题。本文着重分析了基于高光谱技术的盐渍土快速检测方法，以期达到及时对干旱、半干旱地区盐渍化土壤治理的目标，减少经济损失。

关键词：盐渍土；快速检测；检测方法

引言

路基的病害形式复杂多样，对路面的正常使用有不良影响。造成道路病害的因素有很多种，最重要的是地理因素、气候因子、以及地下水质因素。而因为盐渍土中所存在的大量盐分和碱，在道路路面的施工时期，就会导致道路路面施工非常容易出现的道路病害现象，进而使道路使用年限缩短，因此需要高度重视。

及时掌握有关盐渍土的性质、范围、地理分布、盐渍程度等方面的信息，对于盐渍土的治理与进一步退化的防治具有重要意义。

一、对土壤进行盐渍化检测的意义

在中国，许多地区均有盐渍地的出现，它主要分布在中国西北，包括了新疆、甘肃、宁夏、贵州等，特别是以新疆最为突出，主要是由氯化钾、氯化镁、氯化钠以及许多盐构成，但随着温度偏高加上土壤毛细作用的明显影响，造成了该地区的土基强度下降，并严重影响了地基的质量和安全性。

在工程应用中，盐渍土造成的地基危害，主要来自硫酸盐遇水膨胀的特性，因此针对研究盐渍土土样的易溶盐待测液澄清时间、易溶盐浸出液的电导率检测以及路基材料中的三氧化硫含量和自由膨胀率和易溶盐含量，可为施工质量提供更充分的保障。按照以往的检测方法，盐渍土难以利用经验和目测法进行初步筛查，盐渍土分布广泛，料场选取过程犹如抽盲盒，只有高频率的检测，才能找到足够数量的合适料场。盐渍土遇水，路基会膨胀变形，大量的硫酸钠（俗称无水芒硝），其溶解度对温度变化反应敏感，具有随温度变化而剧烈变化的特点，破坏土体结构，导致路上方的水稳层与沥青面层开裂、拱包等问题，造成路基边坡及路肩表层疏松多孔，是影响施工质量的重大技术难题。

根据现有规范中的检测方法，其必须通过人力对土地进行现场勘察，这使得取样速度慢，在进行分析时，其检测过程低效且繁琐，让整个检测过程费时、费力。同时，定点考察的方法又不能代表整体土样情况，导致参考性差，不能够满足准确、快速、强代表性、动态检测土壤盐渍化的标准。而利用高光谱遥感技术，能够克服传统检测方法的缺点，它能够更加快速、宏观、动态地检测土壤盐渍化信息，准确反映土壤情况。而这些优势也让其成为一种比较先进的土壤盐渍化检测手段。可以说，高光谱遥感图像与监测技术对中国干燥、半干旱区的盐渍化防治工作做出了不少贡献。利用高光谱技术进行盐渍化检测，能够有效提高检测精度，因为高黄谱技术借助高光谱航天及航空遥感测量光谱数据，寻找理论依据。通过这些手段，多光谱遥感技术的应用可以给干燥、半干旱区土地盐渍化防治的科研设计带来支持，同时也能为土地资源规划提供科学合理地基础数据。

二、高光谱成像技术的检测原理

（一）高光谱成像技术简介

早在20世纪80年代，高光谱技术就被运用在行业中。它主要涉及计算机信息管理、广电子学、光学工程等高新技术，是成像技术和光去技术的完美结合体。高光谱成像技术通过读取近红外的波长模式，在近红外波段和可见光相比具有较多优势，而且能够了全天候工作，受气候环境、自然灾害等的影响也较小，同时，在近红外波段还可以捕捉一些物体特殊的诊断性能特点，所以，近红外高光谱成像技术在业界中逐渐流行，并在此逐步推广至更广的领域，这里就包括农业气象以及生态环境检测。

（二）高光谱成像技术的工作原理

高光谱，成像方法在获取的数据后，就可以获得每个像单元的数十个或数百个窄波段光谱信息。图像光谱仪主要可获得三维数据资料，其成像方法大致分为：色散型、滤光片式等。颜色分布型图像光谱仪一般采用棱柱和栅格这二类器件，其工艺技术相当完善；滤光片型热图像光谱仪通过照相机内加滤光片的方法，基本原理容易简便，正在逐渐普及中。

（三）高光谱成像技术的特点

高光谱成像技术主要具备以下特点：

（1）高分辨率。光谱分辨率一般为纳米级，通常是10~20纳米，有的甚至超过了2.5纳米。

（2）谱图合一。获得的结果包括辐射强度和频谱等。

（3）光谱波束较多，在某-谱波束内持续图像。

三、近红外高光谱成像技术检测盐渍化砾类土主要步骤

（一）选取与采集土壤样品

选择和使用在干燥、半干旱区某地的土壤典型样点时，获土深度通常为0~10cm，样块方积约选取为3.0×3.0m，并采取五点法取样，即从每个样方的四角和中央各取一点土样，然后混合均勻，即得五百克土样。将经过筛选后的土样，放入已进行标记的塑胶箱。然后再将其带回室温下进行阴干以及研磨，完成后再分为二份，一份进行近红外光谱检测，另一份则进行

土样中易溶盐检测。

（二）高光谱检测系统准备工作

当进行地高光谱系统工作时，首先必须启动主机电源并接上摄谱仪的电源，将暗室光线调至最大幅度，并合理调整摄谱仪的高度，然后使用USB端口并接上有相应的配套软件地高光谱仪和计算机的网口，进行设备检查工作，核查数据是否正常。

（三）土壤光谱数据采取

在成像光谱仪系统参数设置完成后，便可将土壤样品置放在测量平台上，在进行检测前需要检查样品放置物品的正确性，以及检查图片是否清晰，在完成这些工作后便可以进行土壤高光去图像数据采集。

四、土壤中盐分含量的测定及模型的建立

土含盐量的计算根据《公路土工试验规程》计算土中易溶盐的含盐量，与电导法测定的含盐量相比对，计算结果通过标准曲线法测算土全盐浓度。

当测定土壤的盐浓度时，利用高光谱成像仪开始拍摄，以获取初始光学频谱信号，再利用平滑数据处理、一个导数、二阶导数、对数变换、SG卷积平滑和标准正态变量转换等预处理技术方法，对初始光学频谱信号加以数据处理。使用相关系数法、连续投影算法等多种方法寻找土壤盐分的特征波长，并由此形成预测模式，使用偏最小二乘法、BP神经网络、支持向量机等方法来构建模式。

五、土壤中盐分含量检测模型分析

（1）各个种类盐渍化土壤光谱曲线在结构上基本趋向相同，但反光率在可见光区域内随波段的提高而加快，在近红外波段，速度相对缓慢；各种盐渍化严重程度的土地，都有几个基本一致的吸收峰。

（2）通过相关性分析，袁发现原来光谱反射率与土地盐度品质分数和pH值的关联系数较低，光谱反应变化较小，但经过数学转化后的微分光学频谱数据结果与土地盐度品质分数和pH值的相关系数分析值，比原来光谱信号数据结果与土地盐度品质分数和pH值的相关系数分析值的变化更大，但相比于原来光谱信号数据结果与土地盐度品质分数和pH值的关联性较高，光谱信号反应变化更强烈。

（3）通过相关研究，证明了对数一阶微分转换相应的385.7纳米与原始一阶微分转换相应的1708.4纳米分别是土地频谱反射量与土地盐度质量分数与pH值之间的最佳特征波束。对实际土壤盐分资料和通过测定所得出的各种土壤盐分数据（NDSI，SI1，SI2和Sl3）的相关性研究，可以确定以实际土壤盐分数据SI2为依据的环境频谱模型。

（4）使用环境色谱资料与实测的土地盐分品质评价和pH值分类采用单纯直线和二次多项式回归，以高光谱盐分指数（SI2）为自变数，以土地盐分品质评价为因变数，并采用二次多项式回归模型构建的预测模式为最优模式。通过测试，本模型实测值与预测值的样本拟合关系R2值为为0.673，并采用0.01明确度水命的检测，证明采用基于多光谱食用盐量指标（SI2）建立的土地盐渍化估计点模式开展土地食用盐定量检测是有效的。

六、结束语

总而言之，我国盐渍化情况主要发生在干旱、半干旱地区，而土壤盐渍化严重影响当地正常生产，降低土壤肥力，给畜牧业、农业等带来不少经济损失。本文主要分析了高光谱检测技术对盐渍化土壤的检测的具体原理、技术特点以及检测方法等，以期对治理我国土壤盐渍化、盐渍土地区公路地基处理、工程材料应用中起到帮助。

参考文献：

[1]代希君. 基于高光谱技术的南疆土壤盐渍化预测研究[D].塔里木大学，2016.

[2]王海江，王飞，吕新，崔静，任少亭. 基于高光谱技术的盐渍化土壤盐分离子含量监测方法[P]. 新疆维吾尔自治区：CN104897592B，2018-03-13.