基于高光谱遥感的石河子垦区盐渍土特征研究.doc

基于高光谱遥感的石河子垦区盐渍土特征研究 摘要：以石河子垦区不同地貌土壤及其光谱反射率为研究对象，采用微分方法筛选特征波段，分析并确定反映盐碱化程度的最佳波段，建立盐碱化土壤参数的高光谱定量模型用于评价土壤盐碱化程度。结果表明: 石河子垦区土样特征参数偏度系数和峰度系数接近0，P值皆大于0.05，服从正态分布；电导率、钙离子和镁离子为中等变异，pH为弱变异，氯离子属强变异性，四种盐离子变异大小为Cl-Ca2+Mg2+SO42-；盐碱土在350-2500nm的范围内主要有五个明显的吸收谷, 微分方法得到的光谱指数与土壤参数的相关系数显著优于反射率，基于土壤光谱指数的高光谱模型可以准确预测石河子垦区主要盐离子Cl-、SO42-和总盐量。 关键词：石河子垦区；盐渍土；光谱特征；高光谱遥感 石河子垦区位于新疆典型的绿洲盐渍化区玛纳斯河流域中下游，垦区22.4万hm2耕地中盐渍化土壤约占38.36％，因盐碱加重而弃耕的耕地逐年增加,累计面积达59198千hm2,占该区域耕地总面积的1/3多,土壤盐渍化防治及盐渍土改良利用是石河子垦区面临的重要问题[1]。为了准确掌握石河子垦区盐渍化土壤的性质、范围、程度、动态变化及未来趋势，更加合理地开发和利用盐碱土地,需要对盐碱土壤的变化进行研究。传统的土壤盐分研究采用化学分析方法，该方法花费高、费时，不具有实时性，难以满足实际应用的需要。与之相比，高光谱遥感具有强大的地物识别能力，广泛应用于地表物质的成分、含量及动态变化等研究，尤其适用于土壤光谱的定量研究[2-4]。Metternicht等认为不同盐分类型的光谱响应、地表盐分的空间分布、盐化的时间变化、植被干扰和其他地物的混合光谱是利用遥感数据进行盐化区域分类制图的限制性因素[5]。吴加敏等通过研究银川平原灌区土壤水盐动态变化，得出春季是土壤积盐最强烈的时期，且相对稳定，利于使用高光谱数据进行监测[6]。同时，Metternicht指出土壤盐分含量随时间变化很大，盐化土壤光谱监测的最佳时间是春季末期和中度到高度盐碱化发展阶段[5]。所以，土壤盐分反演最佳时间应选择蒸发强度大，土壤表面积盐最强烈的时期。Csillag等基于室内土壤光谱，在10nm、20nm和40nm的光谱分辨率条件下，发现在550－780nm，900-1020nm，较高精度的预测模型[7]。卢霞用高光谱技术建立了土壤盐分与光谱反射率一阶微分，对270-1520nm，1950-2040nm、2060-2140nm和2270-2400nm等波段区间具有较高的识别精度[8]。Dehaan等认为当土壤盐渍化程度较高 时，光谱曲线在680、1180、 1780nm处均具有明显的吸收特征[9]；Ling等利用线性回归方法，建立2052nm和 2203nm波段处，构建了对数等转换值的回归模型[10],并利用高光谱遥感影像反演土壤盐分含量，得到了较高的预测精度，表明高光谱遥感影像在大范围预测土壤盐分含量有巨大潜力。以上研究表明，土壤含盐量表征的是土壤中阴阳离子的浓度，土壤中离子浓度和土壤内化合物是分不开的，在土壤光谱上会有直接或间接的反映，所以用光谱技术分析预测土壤含盐量是可行的。基于此，本研究利用地物光谱仪测定土壤反射光谱，结合实验室测得的土壤总盐和主要盐离子含量，探索利用高光谱遥感技术反演土壤盐分的可行性，为石河子垦区区域尺度盐渍土信息监测、提取和定量反演提供技术支撑。 1材料与方法 1.1 土壤样品采集与预处理 在石河子垦区由南至北每隔10 km 设置一样点，用 GPS 定位。即143团、石河子总场、147团、148团、149团和150团，分别在裸地、林带、棉田和麦田设置取样点。取样时首先去掉表层浮土，采表层土壤，采集深度为0～10cm，为保证所取土样对该样点土壤的代表性，确定样方面积为50m×50m，采用5点法采样，即在每个样方的4角和中心点各取1个土样，共采集约重500g的土样，制成混合土样，放入塑料袋中，密封，编号，共计48份样。 在室内将样品展开，将植物根系、碎石等杂物去除，自然风干至土样质量保持不变，将土块磨碎，用2mm孔径筛子过筛。将所有编号的土壤分成两份，一份用于化学测定盐分含量，一份用于光谱反射率的测定。 1.2光谱数据获取 土壤光谱反射测量在实验室内进行，通过使用ASD Pro FR便携式光谱仪获得350-2500nm波长范围的土壤光谱。光谱分辨率在可见光部分为1.4nm，在近红外部分为2nm。8o视场角的光谱探头在天顶距土壤样本表面40cm，以减小背景散射光的影响，光源为距土壤表面70cm的能够提供平行光的1000W的卤光灯。光源的天顶角为15o。该装置用于限制由于土壤颗粒阴影所造成的表面粗糙度对反射率的影响。光源与一电源稳压设备相连避免电压波动造成的影响。