x红壤土壤含水量的光谱监测试验研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。x红壤土壤含水量的光谱监测试验研究红壤土壤含水量的光谱监测试验研究红壤土壤含水量的光谱监测试验研究指导老师：李就好教授组员：余润翔，邱超雷，张家丰，黄远军，陈荣朗 0.引言土壤水分是植物生长发育的必要的条件，对热量平衡、土壤温度、农业墒情有重要意义，是反映土地质量的一个重要指标。土壤水分测定的方法有取土烘干法、中子水分仪法及张力计方法等，虽然精确度高，准确性强，但是工作量大，时间周期长，监测面积受限，不能快速地获取数据。成像光谱遥感技术是80年代初发展起来的新型遥感技术。近20年来，该技术发展很快，已成

2、为遥感技术发展的3大趋势之一（成像光谱遥感，微波遥感及3S技术系统）。由于成像光谱具有高光谱分辨率的图像与光谱合二为一的特点，它的发展不仅使遥感技术能有效地直接识别地表物质，而且还能更深入地研究地表物质的成分及结构。成像光谱遥感数据具有超多波段，高光谱分辨率，丰富的光谱信息以及较强的识别和分类能力。自AVIRIS出现之后，NASA将其搭载在ER2型飞机上，在20km的高空做试验飞行，其它一些国家，如：加拿大、澳大利亚、中国等以航空成像光谱数据为基础，在大气探测，植被调查，农作物估产，冰雪覆盖调查，土地利用监测，海洋叶绿素浓度调查，岩石、矿物填图等方面做了大量的应用示范研究。光谱遥感技术凭借其极

3、高的光谱分辨率，能获取地面土壤的反射光谱信息，为土壤水分监测提供一种新的技术手段。本次试验研究的目的是利用光谱技术和逐步回归的分析方法，分析。本研究进行了不同土壤水分条件下光谱测试，分析了土壤水分与光谱的相关关系，得到了不同水分处理的最佳光谱响应波长，为今后的现代化农业提供基础研究。1.试验材料与方法1.1材料的选取、试验仪器及实验地点采集的土壤为华南农业大学跃进区的红壤，土壤湿度比较均匀，湿度垂直变化比较小。实验的地点为华南农业大学工程院楼楼顶的实验区。试验仪器采用美国ASD公司（AnalyticalSpectralDevices,Inc.）的FieldSpec3手持便携式光谱分析仪采集，如

4、图1所示。图1 FieldSpec3手持便携式光谱分析仪及探头附件试验在晴朗无云的天气下进行，测量时间选在中午12点到下午2点，且光线充足。1.2试验的步骤(1)把土风干，测得土壤风干质量含水量为3.22%。土壤编号质量含水量/%土壤编号质量含水量/%13.22719.2226.22820.2239.22921.22412.221022.22515.221123.22618.221224.22(2)将风干后将土壤进行研磨， 过3毫米的筛。(3)把过筛的土壤，装成等质量的12份，每份风干土壤重为50克，装入铝土盒，对每个铝土盒进行编号。(4)以1.5克为加入水的梯度，对每份土壤依次递增加水，加入

5、后等水充分均匀（如表1所示）。(5)在试验条件下，利用光谱仪器测出土壤的光谱，利用表格记录好数据，利用ASD光谱仪配套的光谱数据处理软件ViewSpecPro生成图像。表1土壤水分处理结果2.试验结果与分析2.1 不同水分处理下土壤光谱反射特性图2 不同土壤含水率的光谱曲线从图中可以看出，在350-1000nm和1850-2350nm间的光谱反射率较为杂乱，而在1000-1100nm和1150-1250nm各范围内的光谱反射率随波长增加有单调上升趋势，在1150-1250nm范围内的光谱反射率随波长的增长增加的较快，在1500-1750nm范围内的光谱反射率随波长增加有单调下降趋势。图3 14

6、00-1850波长下不同含水率土壤光谱曲线 图3表明：在土壤湿度从3.22%-20.22%之间，土壤光谱的反射率在1400-1850nm之间会随着土壤含水量的增加而降低，在土壤含水量为6.22%到9.22%之间，和9.22%到12.22%之间的反射率变化很明显。其中，在1550nm处，3.22%的光谱反射率达到最大，最大为0.54。当土壤含水量达到20.22%，反射率为0.1，两者相差5倍左右。图4 1400-1850波长下三种不同含水率土壤光谱曲线 图4表明：在土壤湿度为20.22%-22.22%之间，土壤光谱的反射率随湿度的变化而变化的程度不明显。三者的反射率值大约为0.11。图5 140

7、0-1850波长下四种不同含水率土壤光谱曲线图5表明：当土壤湿度大于22.22%时，土壤光谱的反射率变化又变得明显。22.22%与23.22%之间的土壤反射率相差0.01。24.22%与25.22%之间的土壤反射率也相差0.01。但23.22%与24.22%之间的土壤反射率却相差不明显。但是彼此的反射率值相差不大。 通过以上分析，得到土壤水分引起的土壤反射光谱在1400nm，1900nm和2200nm处有三个吸收带，且认为1900nm是土壤水分的特征波段。2.2对比试验结果分析为了消除铝土盒尺寸对试验的影响，进行了盆装土对比的试验，结果如图6和图7所示图6 不同土壤含水率的光谱曲线图7 140

8、0-1850波长下不同含水率土壤光谱曲线从图6和图7可知，尽管土壤的表层面积不同，但土壤在1400- 1800nm随着土壤含水量的增加，土壤光谱的反射率不断减少，并且在1400-1550nm范围内，土壤的反射率呈递增的趋势；在1550-1800nm范围内，土壤的反射率呈递减的趋势，这与小铝盒的情况相同。在1550nm处，湿度为5%的土壤的反射率为0.47，而用小铝盒装土时，土壤湿度为6.22%的土壤，反射率为0.5，可见两者相差的并不多，而且在8%-11%之间，土壤的反射率相差比较大，这与小铝盒的情况差不多。3、结论通过对红壤不同含水量的光谱测试研究与分析，得到：（1）在410-1000毫微米

9、波段内，长波比短波对湿度的反射灵敏。湿度小于14%时反射率变化明显，14-20%湿度范围内反射率几乎不变，大于20%时反射率还略有回升。（2）反射率随湿度变化密切的波段为810-1000、480-690、700- 790、440-70和410-430毫微米。湿度与反射率的回归曲线是二次曲线。（3）在利用陆地卫星图像判断土壤湿度时，应该选择长波段，可以灵敏的反应湿度小于14%的土壤。（4）仪器的表面面积的大小对实验的影响很小。4、应用展望(1)实验室土壤光谱测量有效消除了诸多自然因素和人为因素的影响，效果比较明显，而实际生产中，野外土壤由于受到植被覆盖、大气状况等多种因素的干扰，因此还需要进行大

10、量的野外与实验室光谱数据的对比分析，建立准确的土壤水分光谱反演模型，并将其推广到遥感影像则需要更多的工作。(2)不同土壤类型的成土母质、土壤含水率、土壤有机质含量、土壤氧化铁含量以及土壤粗糙度等有很大的差异，这种差异综合影响土壤光谱反射率。从精准农业发展的角度看，若要实时的掌握土壤信息，需要全面了解土壤基本性状，为精准农业做出的变量决策提供参考。这一工作，仍需要进行大量的田间和实验室光谱测量，针对不同的土壤类型建立专一光谱信息库。参考文献：1朱永豪. 不同湿度条件下黄棕壤光谱反射率的变化特征及其遥感意义. 土壤学报，1984，21（2）：194-2022张宗贵. 基于谱学的成像光谱遥感技术发展与应用. 国土资源遥感，2000，（3）：16-243罗音,舒宁. 基于信息量确定遥感图像主要波段的方法. 城市勘测，2002，（4）：28-324张亚梅. 地物反射波谱特征及高光谱成像遥感.光电技术应用，2008，23（5）：6-175魏娜. 黑土土壤水分高光谱特征及反演模型. 农业工程学报，2011，27（8）：95-1006李云梅. 地面遥