土壤粒徑的光譜響應特性研究

曾遠文，段松江

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

光譜分析技術是近年來發(fā)展最為迅速的高新技術之一，具有快速、便捷、無污染的特點，已在農(nóng)業(yè)及其他領域得到了廣泛的應用[1]。近年來，隨著光譜分析技術應用領域的不斷拓展，用于土壤理化參數(shù)的研究日益增多[2-5]，在土壤樣本光譜測試過程中，測試土樣粒徑的大小及其分布決定著土壤樣本反射能量的分布，導致對光譜數(shù)據(jù)精度及光譜測試的結(jié)果有非常明顯的影響。許多學者將樣本研磨成相同的粒徑水平來排除粒徑大小的影響，但所采用的顆粒大小不盡一致，除采用原狀土壤樣品光譜外[6]，有人采用2mm[7-8],0.5mm[9]等，因此在不同的研究中，對同一土壤數(shù)據(jù)的測試過程中采用的是不同的粒徑大小，必然會導致數(shù)據(jù)的不一致性。土壤粒徑大小是導致室內(nèi)土壤光譜數(shù)據(jù)不確定性的重要因素之一，其光譜響應特性同樣值得我們關注。國外學者在這方面做過一些研究，F(xiàn)luhler和Bnninger通過土壤粒徑大小與反射率的差異試驗發(fā)現(xiàn)，土壤粒徑從0.063 ～0.071mm增加到0.45～0.55mm，土壤光譜反射率值會明顯降低[10]。土壤粒徑越大，其反射的光線被其他顆粒攔截的可能性就越大，這就會使整體的光譜反射率降低[11-13]。這些研究大多處于定性階段，定量研究并未多見，目前，國內(nèi)關于這方面的研究還比較少。為了探討土壤粒徑的高光譜響應特性，該文通過對1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm，5個級別的土壤粒徑進行光譜試驗，研究了土壤粒徑大小與光譜反射數(shù)據(jù)的關系，確定高光譜診斷土壤粒徑狀況的敏感波段，并且擬合出土壤反射率與粒徑的模式方程，為今后實驗室土壤樣本的制備提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣本處理

本次試驗使用的土壤樣本采集于徐州市九里礦區(qū)，土壤樣本經(jīng)實驗室自然風干后，研磨成1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm 5個不同等級的粒徑，共157個樣本，其中0.075，0.125，0.25mm粒徑的樣本數(shù)都為37個，0.5mm的有24個，1mm粒徑22個。

1.2 室內(nèi)光譜測量與預處理

用ASD FieldSpec 3光譜儀進行室內(nèi)光譜測量。測量時將裝有樣品的石英玻璃皿放置在黑色天鵝絨中心，并使用ASD 公司配置的功率為50W的鹵素燈和8°視場角的探頭，探頭垂直于土樣表面，到土樣表面距離15cm，光源入射方向與垂直方向夾角15°，光源到土樣中心的距離為30cm，各幾何參數(shù)在實驗過程中保持不變。把適量經(jīng)過處理的土壤樣品放入盛樣皿中，用玻璃壓實，使其表面盡量平整，為了消除土樣反射光譜各向異性的干擾，測量時轉(zhuǎn)動盛樣皿三次，測量土樣的4個方向的光譜曲線(每個方向取5條，一共20條光譜曲線)，將各方向的光譜曲線算術平均后得到該土樣的反射光譜數(shù)據(jù)。

對獲取的光譜曲線進行斷點校正、10mm間隔重采樣、低信噪比波段及水吸收峰剔除，具體的剔除范圍為：350～395mm，1345～1515mm，1795～2025mm，2405～2500mm，經(jīng)過以上預處理之后最終剩下158個波段。

除了原始光譜外，還進行了對數(shù)lgR、倒數(shù)1/R、倒數(shù)的對數(shù)lg(1/R)(吸光度)、對數(shù)的倒數(shù)1/lgR等基本變換，并分別求其一階(FD)、二階微分(SD)，加上連續(xù)統(tǒng)去除(CR)，最終得到16種變換形式。

1.3 研究方法

2 結(jié)果與分析

2.1 不同粒徑水平的光譜反射曲線分析

計算1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm 5個粒徑水平下樣本反射率的平均值，可知，隨著土壤粒徑的減小土壤光譜曲線呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，粒徑對土壤光譜反射率的影響強度在各個波段范圍并不一樣，土壤粒徑對光譜曲線形狀的影響并不明顯。

為驗證各個粒徑水平下土壤反射率差異的顯著性和土壤粒徑對光譜反射率影響各波段范圍的差異性，以粒徑水平為分組，分別以各樣本在UV ～VNIR(350 ～ 1005mm)，SWIR1(1010 ～1805mm)，SWIR2(1815～2500mm)波段范圍的反射率的平均值為變量，進行單因素方差分析。結(jié)果如表1～3所示。

表1 UV ～VNIR波段單因素方差分析

*均值差顯著水平為0.05。

表2 SWIR1波段單因素方差分析

*均值差顯著水平為0.05。

表3 SWIR2波段單因素方差分析

*均值差顯著水平為0.05。

由上表可知，總體上各粒徑水平之間土壤光譜反射率的差異性是顯著的，說明土壤粒徑大小對光譜反射率有顯著的影響；無論是在UV ～VNIR，SWIR1還是SWIR2波段范圍內(nèi)，0.075mm和0.125mm，0.5mm和1mm之間光譜反射率的差異性都不顯著，說明粒徑大小從1mm減小到0.5mm的過程中并沒有引起光譜反射率的顯著變化，同樣當粒徑從0.125mm減小到0.075mm時也出現(xiàn)了相同的規(guī)律，由此可以推斷土壤粒徑大小對光譜反射率的影響可能存在一個閾值，土壤反射率并非隨粒徑的減小呈線性增加，當粒徑大于或小于一個值的時候，其對土壤光譜反射率的影響強度受到抑制。

對UV ～VNIR，SWIR1，SWIR2波段范圍內(nèi)組間均值差(若為負數(shù)取其絕對值)進行比較可知，均值差呈現(xiàn)出UV ～VNIR

2.2 粒徑大小與光譜反射率的關系

2.2.1 相關性分析

將土壤粒徑和土壤反射率及其數(shù)學變換形式進行逐波段相關性分析，可知土壤粒徑大小和光譜反射率呈負相關關系，且相關系數(shù)隨波長的增加而增大，這進一步驗證了單因素方差分析的結(jié)論。對反射率及其基本變換與土壤粒徑的相關性的大小進行比較發(fā)現(xiàn)，在405～ 1335mm之間反射率的基本變換并沒有增加其與土壤粒徑大小的相關性，1335mm之后反射率的倒數(shù)變換、對數(shù)變換和倒數(shù)的對數(shù)變換的效果才得到凸顯，相關系數(shù)最大的是經(jīng)過倒數(shù)變換之后的波長為2335mm處，相關系數(shù)為0.625。

經(jīng)過一階微分變換之后其相關性不再是單純的正相關和負相關，而是呈現(xiàn)時正時負的波動形式，從總體上說，反射率的基本變換經(jīng)過一階微分變換均增強了其與土壤粒徑的相關性。比較各基本變換的一階微分在各波段處的相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)，相關系數(shù)最大的是反射率的一階微分在1605mm處，相關系數(shù)為-0.752。

二階微分處理之后的相關系數(shù)在各個波段的變化趨勢和一階微分處理后的相似，也是呈現(xiàn)時正時負的波動狀態(tài)，相關性與波長之間的關系也很難界定。總體上看，相比基本變換形式二階微分在某些波段上增強了相關性，但其效果不如一階微分顯著，相關系數(shù)最大的是反射率的二階微分1535mm處，相關系數(shù)為0.644。

連續(xù)統(tǒng)去除之后各波段上的相關系數(shù)都較小，相關系數(shù)最大為-0.450，位于1635mm處，由此可知連續(xù)統(tǒng)去除對增強光譜反射率與土壤粒徑的相關性無顯著效果。相關分析部分結(jié)果如圖1所示。

圖1 反射率及其變換形式與土壤粒徑之間的相關系數(shù)

2.2.2 回歸模型的建立與檢驗

根據(jù)相關分析的結(jié)果，選擇反射率倒數(shù)在2335mm波段處、反射率的一階微分在1605mm波段處、反射率二階微分在1535mm波段處的值與土壤粒徑大小分別建立一元回歸模型。157個土壤樣本中117個(占總數(shù)75%)用于建模，剩下的40個(占總數(shù)的25%)用于驗證模型的精度。由反射率及其變換形式為自變量，土壤粒徑大小為因變量進行回歸曲線估計，結(jié)果如圖2所示。

圖2 土壤粒徑回歸曲線估計

通過比較各個模型的決定系數(shù)和殘差平方和來選取最優(yōu)的模型，以反射率倒數(shù)為自變量建立的模型中決定系數(shù)最高的是乘冪模型(R2=0.559)，其次為指數(shù)模型(R2=0.539)，再次為三次多項式模型(R2=0.505)，但是乘冪模型和指數(shù)模型的殘差平方和都比較大，分別為40.833和42.727，對模型的精度會造成嚴重的影響，因此選擇三次多項式模型來作為反射率倒數(shù)和土壤粒徑大小的回歸模型，以同樣的方法可得反射率一階微分和二階微分與土壤粒徑大小的回歸方程均為三次多項式。但是對各回歸方程的各項系數(shù)進行T檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方程的系數(shù)很多未達到統(tǒng)計學意義上的顯著性水平(P<0.05)，因此改選二次多項式回歸模型，但反射率的倒數(shù)建立的二次多項式的各項系數(shù)也未能通過檢驗，反射率的一階和二階微分建立的模型各個系數(shù)達到了顯著性水平，因此保留這兩個方程，反射率的倒數(shù)選擇線性模型，此時各項系數(shù)通過了檢驗。最終確定的回歸模型的系數(shù)檢驗結(jié)果如表4所示。

表4 回歸方程系數(shù)的檢驗

圖3 預測值和實測值的散點圖

3 結(jié)論

分析了土壤粒徑大小的高光譜響應特性，研究表明，土壤粒徑對光譜反射率存在顯著的影響，不過對反射光譜曲線的形狀影響不大；隨著土壤粒徑的增大土壤反射率呈現(xiàn)出減小的趨勢，但這種負相關的趨勢有可能存在一個閾值即當土壤粒徑大于或者是小于一個值之后，其對土壤光譜反射率的影響會受到抑制；土壤粒徑對光譜反射率的影響在各個波段范圍內(nèi)并不一樣，呈現(xiàn)出隨著波段的增加影響效果不斷增強的規(guī)律。在對反射率和土壤粒徑進行相關性分析之前，對原始反射率值進行了數(shù)學變化，以求增大兩者之間的相關性；經(jīng)過分析比較最終選擇反射率的倒數(shù)在2335mm波段處、反射率的一階微分在1605mm波段處和反射率二階微分在1535mm波段處的值來建立回歸模型，三模型中以反射率的一階微分建立的回歸模型最優(yōu)。因此，利用室內(nèi)光譜分析技術來探討土壤粒徑的高光譜響應特性是可行的，研究結(jié)論可為今后實驗室土壤樣本的制備提供一定的科學依據(jù)。

該文只探討了土壤粒徑的光譜特性，而土壤是一個復雜的綜合體，土壤粒徑對土壤其他理化參數(shù)光譜特性的影響機制還有待進一步研究。