不同土质下土壤含盐量的高光谱定量反演技术研究

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1、灌溉排水学报２０１４年８月第３３卷第４／５期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１４）０４／０５－０２０９－０４＊不同土质下土壤含盐量的高光谱定量反演技术研究徐驰１，陈爱萍２，曾文治１，伍靖伟１，黄介生１，常志富２，张亚利２（１．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉４３００７２；２．内蒙古河套灌区义长灌域管理局，内蒙古五原０１５１００）摘要：通过内蒙古河套灌区义长灌域野外３８个测点的光谱试验，提取反射光谱的盐分指数和吸收光谱的特征参数，研究砂土、砂壤土、壤土土壤含盐量的高光谱定量反演技术。结果表明，针对不同土质，提取最佳

2、盐分指数的组成波段和回归建模的精度都不同；壤土提取最佳盐分指数的组成波段为９５１ｎｍ和９５２ｎｍ，回归方程精度最高（Ｒ２为０．８８）；砂壤土提取最佳盐分指数的组成波段为６７０ｎｍ和６７１ｎｍ，回归方程精度最低（Ｒ２为０．５５）；若ａｄｊｕｓｔａｄｊｕｓｔ不考虑土质因素，提取最佳盐分指数的组成波段为６５１ｎｍ和６５３ｎｍ，回归方程的Ｒ２为０．５８。３５０～５９３ｎｍ波ａｄｊｕｓｔ段范围内，吸收峰位置、不对称性与不同土质土壤含盐量的相关性相对较好，但反演不同土质含盐量的精度一般（Ｒ２最大为０．２２），这说明可见光－近红外波段范围含盐量光谱的吸收特征不明显。ａｄｊｕｓｔ关键词：河套灌区；光谱反射

3、；光谱吸收；土质；含盐量中图分类号：ＴＰ７９；Ｓ１２７文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１４．０４／０５．０４５徐驰，陈爱萍，曾文治，等．不同土质下土壤含盐量的高光谱定量反演技术研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１４，３３（４／５）：２０９－２１２．［１－２］我国盐渍化土壤面积大，范围广，且由于不合理灌溉等原因，次生盐碱化问题日益突出。随着传感器技术和卫星技术的发展，高光谱遥感技术应运而生，高光谱数据波谱分辨率高，可精确识别地物波谱特征，捕［３］捉同种地物间微小差别，为地物的定量反演提供帮助。然而，高光谱波谱分辨率高、反射光谱的波段数大造成了数据使用上的困难。

4、研究表明，电子跃迁、电荷转移及活性金属离子Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ等严重影响可见光和近红外波段的诊断吸收特征，吸收峰的位置、面积、深度、形状等受土壤内部的晶体结构和矿物组成的影［４］响。为此，通过野外高光谱数据，研究不同土质高光谱曲线的反射和吸收特性，提取适合盐分定量反演的盐分指数及吸收特征参数，建立高光谱的定量反演模型，实现含盐量定量反演的目标。１材料与方法内蒙古河套灌区地处北纬４０°１９′—４１°１８′，东经１０６°２０′—１０９°１９′，年降水量为１３９～２２２ｍｍ，主要集中［５］在６—８月，年蒸发量高达２２００～２４００ｍｍ，蒸降比在１０以上，土壤盐分表聚现象明显，加上当地不合理的耕作灌溉

5、，引起地下水位升高，进而加剧土壤盐渍化。选取含盐量较大、地势平坦且无植被覆盖的土壤进行高光谱测试及采样。使用美国ＡＳＤ（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＳｐｅｃｔｒａｌＤｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．）公司生产的便携式地物波谱仪（ＦｉｅｌｄＳｐｅｃＨａｎｄＨｅｌｄ）采集土壤光谱，波长范围３２５～１０７５ｎｍ，采样间距１．５ｎｍ，测试时间为１０：００—１４：００。由于光谱曲线首尾部分（３２５～３４９ｎｍ和１０５１～１０７５ｎｍ）噪声影响较大，试验仅利用３５０～１０５０ｎｍ波段。使用光谱反射曲线提取盐分指数，利用光谱吸收曲线提取吸收参数。光谱反射曲线即ＡＳＤ地物波谱仪测出的实际反射率曲线，考虑到可见光－近红外部分

6、信噪比大，不对光谱曲线进行平滑处理。盐分指数的形＊收稿日期：２０１４－０３－１９基金项目：国家自然科学基金项目（５１３７９１５１，５１２７９１４２）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（２０１４２０６０２０２０１）；内蒙古自治区小农费科技专项资金项目（ＮＳＫ２０１１０１）作者简介：徐驰，博士研究生，主要从事水土资源高效利用的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｃｈｉ１９８８＠ｗｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：黄介生，教授，博士生导师。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｓｈｕａｎｇａ＠ｐｕｂｌｉｃ．ｗｈ．ｈｂ．ｃｎ２０９式参考植被指数ＮＤＶＩ，通过ＭＡＴＬＡＢ２０１１ａ提取以使该盐分指数与土壤含盐量的相关性最大。光谱吸收参数

7、包括吸收峰中心波长位置（λ０）、吸收峰面积（Ａ）、不对称性（Ｓ）、吸收峰深度（Ｒｄ），详见图１。其中Ｓ为吸收峰左边面积与右边面积之比。相应参数提取之后，使用ＳＰＳＳ１５．０软件进行一元回归或者多元回归。判定回归模型精度的参数有相关系数（Ｒ）、决定系数（Ｒ２）、调整决定系数２［６］（Ｒ）和估计值的标准误。ａｄｊｕｓｔ２结果与分析２．１含盐量分布特征图１光谱吸收参数根据土壤盐化分级指标，可分为非盐碱土（＜０．１％）、轻度盐碱