土壤光谱测量与影响其光谱特征的因素分析

土壤光谱测量与影响其光谱特征的因素分析

吴会军1，陈鹏2，谭忻康1

1武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022

2北斗导航位置服务（北京）有限公司，北京 海淀100010

摘要:本文通过对土壤进行光谱测量，制定出了一套完整的光谱测量流程，并对测量数据进行处理及定性分析找出了影响土壤光谱特征的部分因素，并探讨了土壤光谱遥感的应用前景。

关键词：光谱测量规范 土壤  分析

1.引言

1.1光谱遥感的作用和研究现状

任何物体都有自己特有的反射光谱而同类物体的反射光谱特性大同小异 ,不同物体光谱反射率的差异要比同一物体大得多。光谱遥感技术就是以物体的反射率随波长的变化为依据 ,通过适当的光谱段的选择和组合 ,有效地区分出各种不同类型的物体。在近年来的地物波谱特性研究中，人们的注意力由地物波谱与地物自身性质的关系上转移到了与地表特征关系的研究中,从而使地物波谱特性研究更深入一步。

1.2土壤波谱特性研究的发展和现状

在可见光波段范围内，光谱仪接收的是太阳发射的信息，裸露土壤反射率一般随波长增加而增加，不同类型土壤的反射率也不同。对于给定的土壤类型，反射率随水分含量的增加而减少。但是，不同类型土壤间的反射率差别可能与不同水分引起的差别相当，甚至更大，加上太阳高度、大气条件和地表状况引起的误差，要定量估算土壤水分是比较困难的。所以，一直以来，人们都在对该领域进行试验、研究。国外利用遥感方法进行土壤水分监测的可行性研究开始于60年代，那时，科学家们通过在实验室对图样进行光谱观测，提出随土壤含水量的增加，其光谱反射率整体下降，这为后来利用遥感方法进行土壤水分监测提供了理论依据。美国也在60年代末研究了土壤水分，包括沙漠区的土壤水分，对反射率的影响，发现干燥土壤具有较高的反射率。70年代，日本学者测量了5种土壤的反射率，建立了土壤水分含量的多员回归方程。另外，印度国家遥感局利用MSS和TM资料，评价了局部某一地区的土壤干旱程度。后来，各国学者都曾进行过土壤水分监测和旱情方面的遥感研究，取得了一些阶段性成果。我国学者自20世纪80年代，也开始了这方面的研究，2002年，刘伟东和国外科学家共同研究，证明了土壤光谱反射率在一定的水分含量临界值之下时随土壤湿度的增加而降低，但当超过该临界值后，随土壤水分的增加而增加。诸如此类，都取得了很多有益的经验，但在检测精度等方面还有很多不足。

1.3 土壤的反射光谱特性

    自然状态下的土壤表面的反射率没有明显的波峰和波谷，一般来讲土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关，即土壤类别，含水量，有机质含量，砂，土壤表面的粗糙度，粉砂相对百分含量等。此外肥力也对反射率有一定的影响。土壤反射波谱特性曲线比较平滑，因此在不同光谱段的遥感影像上，土壤的亮度区别不明显。

2.光谱数据采集方案

武汉市地处长江中游，位于长江、汉水的交汇处，素有“江城”之称，市区江河纵横,湖泊密布，仅长江、汉江、府环河三条水系纵贯市区就长达180.5公里。本次对土壤的研究是在素有车谷之称的武汉经济技术开发区进行的，武汉经济技术开发区属于新开发的城市区，各种土壤类型应有尽有，为土壤光谱测量提供了很好的条件。

2.1数据采集方案

光谱数据主要来源于6月间通过可见光和近红外波段的地面光谱仪测量获得的。土壤的光谱测量主要分为同类型不同含水量土壤和不同类型相同含水量土壤的测量。研究方案如下图：

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图1地物光谱测量研究方案

2.2 光谱采集的影响因素

在对土壤进行光谱数据采集的过程中，对光谱数据产生影响的因素很多而且情况非常复杂。这些影响因素中，有一部分是可以通过数据处理的方法减弱甚至消除的，比如偶然因素，而另外一些则无法通过后期处理消除，必须在前期数据采集时采用合理的观测手段加以减弱。所以在采集光谱数据时，我们必须认真考虑各种不利影响，尽量避免不利因素对观测数据的影响，使数据真实有效。

对光谱数据观测影响比较大的因素主要有大气因素、环境散射因素和土壤自身因素。很难说某一次的观测数据误差是哪一种因素影响的，所以要采集较大量的数据以排除各种干扰。

在这些影响因素中，有规律可寻的因素应当主动去测量和发现其规律，如太阳高度角；一些没有变化规律的因素应当主动去避免，如大气条件、周围地物的散射光、地物的二向性散射特性。在测量时应当选择干燥的天气，较为开阔的测量环境用固定的角度对地物进行测量。3.影响土壤光谱特征的因素分析

   土壤是自然界中一类比较重要的地物，土壤不但种类繁多，同种土壤也会由于成分的变化而产生不同的光谱，如果能够将遥感光谱知识应用于土地类型识别和成分研究，将大大提高土地调查的效率。为研究影响土壤光谱的原因我主要做了2个实验：

1）同种类土壤不同含水量的光谱测量

图2 同种土壤不同含水量光谱比较

2）含水量相同的不同土壤的光谱测量：

图3 相同含水量不同土壤的光谱比较

由测量数据分析可知，土壤表面的反射率没有明显的波峰和波谷，反射率是随着波长的增大不断升高的，土壤的光谱不仅与土壤的类型有关还与土壤的含水量有关，相同的土壤随着含水量的增加光谱的反射率在不断的下降，分析其原因主要在于水体对各个波段都有吸收作用，含水量的增加使吸收作用增加，故光谱反射率整体下降，另外在图4.7中我们可以很明显的看到在650-700nm之间有一个小小的波谷，我认为这个波谷的形成是由于水体在这个波段的吸收峰引起的。图4.8中两种含水量相同的不同土壤的光谱曲线在600nm以下无明显区别，但在600nm以上区别很大，这说明土壤类别对光谱特征的影响主要集中在长波段，由差异的走势来看，随着波长的增大，反射率的差异会越来越大。总的来说，土壤的光谱特性曲线与以下一些因素有关，即土壤类别，含水量，有机质含量，土壤表面的粗糙度等。

4. 研究的不足之处

1)由于受条件限制，对土壤采样次数和采样点数量较少，进一步的工作需要加大采样点的数量和范围，对多个季节的数据进行分析比较。

2)对土壤的固有光学特性的测量和研究比较欠缺，无法定量的估计土壤成分对光谱的影响。

5. 研究的展望

1)改进和加强对地物光谱数学分析方法。以数学分析方法为基础，结合物理方法，使对地物特征的定性分析向定量分析发展。

2)对土壤光谱的研究可以从可见光波段范围向近红外和热红外波段范围发展。

参考文献

[1] 何挺，程桦，王静. 野外波谱测量的影响因素研究.  地理与地理信息科学，  2003，（5）：1-6

[2] 李绍新.  遥感物理. 武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994

[3] 疏小舟,尹球,匡定波.内陆水体藻类叶绿素浓度与反射光谱特征的关系.  遥感学报，  2000 ，（3）：1-6

作者简介：吴会军（1983-    ），男，湖北汉川人，武汉大学遥感信息工程学院本科毕业，注册测绘师，高级工程师，主要从事测绘工程方面的应用与研究。