高光谱遥感课程论文

1、土壤成分的高光谱特征分析摘要：利用成像光谱技术的高光谱分辨率可提高土地质量评价精度，为土地调查评价和 管理提供更丰富精确的数据源，对土地资源的管理具有重要的指导意义。土壤中的矿物 质、有机质、湿度、土壤质地等均是土壤光谱的主要贡献者，可以寻找特征波段，通过 定量反演来估测土壤成分的含量。关键词：高光谱遥感；土壤成分；反演;1高光谱简介高光谱遥感是高光谱分辨率遥感(hyperspectral remote sensing)的简称，是上 世纪80年代发展以来的遥感科学的前沿领域,她的出现是遥感界的一场革命。它是指利 用很多窄的电磁波波段获取物体有关数据的技术，它可在电磁波的紫外、可见光、近红 外、

2、屮红外以至热红外区域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据。这样，在传统的 二维遥感的基础上增加了光谱维，形成了一种独特的三维遥感。鉴于高光谱遥感的诸多 优点，人们逐渐尝试在植被、生态、大气、环境、考古、农业等方面进行应用，取得了 一系列的进展和很多成就，使高光谱遥感成为科研必不可少的工具和技术。高光谱遥感的基础是测谱学，主要在电磁波谱的紫外、可见光、近红外和中红外区 域，获取许多非常窄且光谱连续的图像数据的技术。成像光谱仪为每个像元提供数十个 至数百个窄波段(通常波段宽度10nm)的光谱信息，能产生一条完整而连续的光谱曲线。 国际遥感界公认:光谱分辨率在10池次数量级范围的定为多光谱(mult

3、lspectral),这样 的遥感器在可见光和近红外光谱区域通常只有几个波段，如美国landsatmss.tm,法国的 spot等;而光谱分辨率在10次认的遥感信息称之为高光谱(hyperpsectral);随着遥感 光谱分辨率的进一步提高，当达到10池以上时，遥感即进入超高光谱(ul-traspcctral) 阶段，许多物质的特征往往表现在一些狭窄的光谱范围内，如何捕获物体的这种特征而 乂不失其整体形态及与周围地物的关系，这就是高光谱分辨率遥感产生和发展的基础和 要回答的问题。高光谱遥感的特点是光谱分辨率高，波段连续性强,能获得多光谱传感器 无法获得的精细的光谱信息，由于其光谱分辨率高达纳米

4、数量级，因此传感器在0.4 一 2. 5m范围内可细分成几十个，甚至几百个波段,光谱分辨率为5 一 lonnio成像光谱仪2高光谱遥感的土壤成分信息量化反演上壤是万物生存的物质基础，是人类财富的主要来源，是我们祖先最早 利用的生产资料。土壤是地壳表层岩石矿物的风化产物(母质)，在气候、生 物、地形等环境条件和时间综合因素的作用下形成的一种特殊自然体。土 壤是一种复杂的混合体,它的物理与化学性质是由其组分所决定，这些有着 不同理化特征的土壤成分及其质地和结构决定着各种土壤类型及其独特的 光谱特性。2. 1 土壤矿物成分与土壤光谱特性土壤中某些矿物成分对其反射光谱起主导作用，这取决于矿物成分中电

5、子能级的跃迁和分了的振动，从矿物基团和离子光谱的角度讲，铁是土壤中 最普遍存在的物质，铁离子在一定条件下广泛溶解于土壤溶液中，铁离子也 极易取代矿物晶格中的铝和镁离子甚至是硅。其中,fe2 f/对土壤的光谱 贡献最大,具有诊断性光谱特征，吸收特征主要表现在可见光范围内，f/吸 收波长位置在0. 43、0. 45、0, 51、0. 55以及1. 01. lmm；fe3+的吸收位置 在0.40、0.45、0.49、0. 70以及0.87。尽管由其组成的矿物在上壤中所 占比例很少。女口:磁铁矿、钦铁矿、针铁矿等,却会使核个波长范围的反射 率降低。土壤光谱中短波红外的光谱特征主要是-h0基团、co：广

6、基团、也0等振 动的倍频或合频。氢氧化镁、氢氧化铝的倍频或合频的吸收位置分别在 2.300、2.200啊处。土壤中的吸附水总在1. 4及1. 9啊处出现倍频或合频 的吸收。而c0产的吸收谱带通常在2. 35. 2. 55切处。石英、长石的反射率均较高,但它们在可见光与近红光谱区间没有明显 的吸收特征,光谱曲线呈一近水平的直线，且反射率均很高,通常在80%以 上。它们的存在会使土壤的发射率有所增高，也不会产生明显的诊断特征。土壤中次生矿物的光谱特性在某种意义上决定着土壤的波谱曲线形态特 征。土壤中含有较多的次生粘土矿物,如:高岭石、蒙脱石、伊利石等，它们 结构中的-0h基团的绕铝配位和绕镁配位吸

7、收谱带分别在2. 2、2. 3呵附近； 它们的层间结合水也在2. 2、2. 3rm处出现吸收特征。土壤中的碳酸盐矿物 如方解石，在400-1800mn范围内具有强反射，没有显著的吸收特征,光谱曲 线近于水平直线，但在短波红外却有明显的强吸收，峰值位于2. 34切（方解 石中c0f基团的吸收）；硫酸盐如石膏在可见光波段呈强反射,无明显的吸收 特征，曲线近于平直，但在红外波段具有强吸收，且随着波长向着长波方向 移动吸收加强;氯化物如石盐，是干早地区土壤板结盐碱化的主要原因之一, 在整个研究波段范围内曲线呈强反射且近于水平的直线。在含水氧化物中氧化铁（如：赤铁矿fezo：）对土壤的光谱贡献较大。土壤

8、 在可见光波段的吸收特征多数均是由铁的氧化物引起，且使整个波段反射 率降低。从400-1 ooonm反射率均不高，只是在红波段具有相对较强的反射。 这是使赤铁矿呈暗红色的原因。2. 2 土壤有机质光谱特征分析土壤有机质是存在于土壤中所有含碳的有机物质，包括土壤中各种动 植物残体、微生物体及其分解和合成的各种有机物质，是土壤中各种营养 元素的重要来源（如:氮、磷等）。它即含有刺激植物生长的胡敏酸等物质， 又具有胶体特性能吸附较多的阳离了，使土壤具有保肥力和缓冲性。同时 它还能使土壤疏松并形成结构，从而改善土壤理化特性。它是微生物必不 可少的碳源和能源。因此，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力的一个

9、重 要指标。近40年的研究表明，土壤有机质（soil organic matter som）在可见 光和近红外波谱范围内具有明显的光谱特征，有机质具有有机化合物中多 种官能团(如:轻基、梭基等)(徐彬彬、1991)。腐殖质是上壤有机物的主体。 腐殖质可分为胡敏酸和富里酸，它们均属于较稳定的高分子化合物。土壤 有机质的光谱特征主要由这些高分子化合物的分子与晶格的扰动、振动及 原子中电子能级的跃迁引起。胡敏酸颜色呈黑色，反射率较低，在可见光 波段范围内呈缓慢上升至近红外以后趋于水平直线。富里酸则在黄红光部 分开始强反射，因此呈棕色，反射率在0. 4-2. 5 n范围内总体呈上升 趋势(徐彬彬等，1

10、986)。研究表明有机质对土壤光谱的影响主要在可见光 和近红外波段，其中影响最大的当属0. 6-0. 81no影响程度还取决于胡 敏酸和富里酸在土壤中所占比例(baumgartnerm f et1970 ) o 一般而言， 随着土壤有机质含量的增加，其光谱反射率减小。徐彬彬等人(1986年)在 实验室对黄棕壤做了脱有机质前后光谱对比的测试实验，实验发现去掉有 机质后土壤反射率有明显提咼。有机质反射光谱虽然没有明显的特征谱带，但国内外研究表明， 利用土壤反射光谱可以估计土壤中有机质的含量。alabbas等人(1972) 研究发现，土壤有机质在可见光到近红外区域具有可辨别的指纹效应，利 用实验室光

11、谱在 400440, 460 480,520 550 nm, 720 800, 1000一 1400、1500 一 1800波段的数拯，采用逐步线性冋归分析的方法预测土 壤有机质取得了令人满意的效果。mor口等(ly91)研究认为n1hs是预测土 壤有机碳的最有前途的波段。j. w. hummel和k. a. sudduth等人(1993) 在实验室测得范围为1603、2500nm的光谱数据对土壤表层和浅表层有机质 含量进行预测，其中浅表层深度取样在10厘米左右，并建立了多元线性冋 归模型，线性回归分析用的是弘s stepwise处理方法。所用波段分别是1630, 1735,、1986, 20

12、3& 2137, 2216, 2309, 2348, 2408nm, r1 二0. 946, s0m 的 预测标准差为0. 6296,预测som值范围在0. 275. 9296。彭玉奎等(1998) 用nirs预测黄土壤有机质，预测相关系数为0. 938检验相关系数0. 921, 表明nibs可以用来预测黄土土壤有机质。reeves j和mccarty g (1999) 用nibs预测碳含量，标定和预测结果表明，无论对何种土壤类型，用nibs 预测碳的准确度均比较高。于建飞等人(2002)研究用n工rs预测土壤有机 质，所需波段为7个，检验结果0. 15 mm粒级土壤的有机质光谱预测值和 化学分析值的相关系数为09641,认为n工rs。预测土壤有机质是可行 的。toure s, tychon b (2004)利用航空高光谱数据测定比利时南部农业 区土壤有机质含量，并利用逐步线性回归分析方程，建立了有