专利名称：：一种土壤水分反射光谱特征分析方法
技术领域：
：本发明涉及土壤水分光谱特征分析中如何准确测定土壤含水量与反射率之间相关关系的方法，具体的说是一种土壤水分反射光谱特征分析方法。
背景技术：
：快速获取土壤水分的时空信息对于农业、水文、地理等领域有重要意义，同时，遥感影像混合像元分解、其他土壤属性遥感监测等均要求了解土壤水分对土壤光谱反射率的影响。土壤光谱反射率是土壤内在理化性质光谱行为的综合反映，因而遥感技术在土壤水分时空信息快速获取方面具有广阔的应用前景。尽管已有研究指出土壤光谱反射率随含水量的增加而减小，或达到一定的含水量反射率变化反向(文献l:LiuWD，BaretF，GuXF，etal.Relatingsoilsurfacemoisturetoreflectance.RemoteSensingofEnvironment，2002，81:238-246)，但光谱反射率与土壤水分之间的定量关系还有待进一步的研究。以往土壤水分光谱反射率研究(文献1;文献2:MichaelLW，LinL，SusanLU.PredictingwatercontentusingGaussianmodelonsoilspectra.RemoteSensingofEnvironment.2004,89:535-552)中，由于土壤样品的数量有限，土壤水分含量的调配一般采用如下方法将土样放置于容器中，然后缓缓从容器边缘注入蒸馏水直至土壤达到过饱和状态，在土壤表面的自由水消失后，在土壤风干的过程中一定时间间隔对土壤反射率进行测量，土壤含水量用称重法测定。该方法存在三方面问题一是由于土样含水量过饱和，该方法人为造成土壤水分对被测土样物理结构的破坏，而事实上，不同含水量土壤的孔隙度等物理属性是不同的，不同物理结构土样的光谱反射率也不同，造成了人为误差；二是土样在干燥的过程中会出现裂缝，影响光谱反射率精度；三是在自然变干的过程中，容器边缘比中心、土壤表层比下部变干的速度更快，容器边缘与中心、土壤表层与下部水分散失不同步，造成局部与整体土壤含水量存在较大差异，此时用称重法得到的含水量与仪器测得土壤表层光谱反射信息存在较大误差，因而此时得到的含水量与其光谱反射率并未准确对应，影响光谱分析结果。
发明内容本发明的目的是提供一种重复性好，重现性高，并且简单易行的土壤水分反射光谱特征分析方法。本发明实现了土样含水量与土样高光谱反射率之间的精确匹配，能够保证土壤水分反射光谱特征分析结果的准确性。为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下本发明首先要根据土壤饱和含水量大小确定野外采样重量与含水量调配个数，保证满足含水量调配所需的土样；利用喷出量稳定的喷壶调配土样含水量，而不是传统的滴定法；每个含水量对应一个土样，含水量数值与土样高光谱反射率精确对应，避免含水量不准确或表层土壤水分变化与土体水分含量变化不同步导致的反射光谱特征分析错误；光谱反射率测试前，土样表面利用直尺刮平。—种土壤水分反射光谱特征分析方法，1)野外采集待测土壤样品20-50kg，室内将土样风干、研磨、过2mm筛；2)测定土壤饱和重量含水量(9ms)、风干土重量含水量(9m。)；在土样重量含水量15%的差值范围内设定一重量含水量间隔(Ae)，即Ae=15%，进而得到所需调配含水量样本个数n。，n。为正整数，其计算方法见公式①，以每份土样300g为基准，称重n。份风干土样，根据含水量间隔Ae进一步确定n。份风干土样中的每份土样所需加入的水量，确定方法见公式②；no=MoD[(ems-em0)/Ae]①其中，MOD为取整公式；ei=e卜一(i-i)xae②其中，i为第i个调配土样，i的取值范围为从ln。的正整数，ei与ei—工分别为第i与i-i个调配土样的含水量，当i=l时，eh=em。；3)取喷壶或喷雾器，测定其15-30次喷出的水量，确定平均每次喷出量w。，进一步确定每个调配土样的喷水次数rii，其计算方法见公式③)；&=MOD(9i/w0)③其中，ni为第i个调配土样的喷水次数，w。为喷壶平均喷出量；4)将每份重300g风干土样装入密封塑料袋，每个土样按对应喷水次数采用喷壶或喷雾器喷水，喷水过程中，抖动塑料袋，使喷入的水与土混匀，避免局部饱和；然后密封，在2-fC条件下保存18-24小时，防止土壤发生变质，使水分充分分散于土样中；以上1)—4)为土壤样品含水量的调配过程；5)取水分充分分散后的土样测定其高光谱反射率和土样的含水量。所述步骤5)的操作过程为，A.取出密封塑料袋中的土样，置于内壁黑色的培养皿中，用直尺刮平，利用光谱仪测定其高光谱反射率；利用铝盒取样，测定土样的含水量；B.分析土样含水量与光谱反射率的关系，及土壤水分的反射光谱特征。所述培养皿通常为内壁喷涂有黑漆的培养皿。所述喷壶或喷雾器为喷嘴单次喷水量A9/50Ae/3、且喷出量稳定的喷壶或喷雾器。本发明的优点在于根据土壤饱和含水量大小确定野外采样重量与含水量调配个数，可以保证有足够的土样用于含水量调配；合理确定不同土壤含水量测定间隔，利用喷出量稳定的喷壶调配土样含水量，可以避免土壤局部饱和、破坏土壤物理机构，影响土壤光谱反射率；每个含水量对应一个土样，含水量数值与土样高光谱反射率精确对应，避免在原方法土体风干过程中，土壤不同部位与层次含水量差异导致的反射光谱特征分析错误；土样表面利用直尺刮平，避免由于压实而导致土样密度不同、进而产生土样光谱反射率测量误差的问题。图1S0M=10.94%光谱反射率(1000nm)随土壤水分变化散点图。具体实施方式实施例以黑龙江省黑土水分反射光谱特征分析为例。1)2005年9月，分别在黑龙江省海伦市、北安市按有机质含量梯度采集了4个耕层(0-20cm)土样各30kg，将采集的土样风干、研磨、过2mm筛。2)测定土样有机质(SOM)含量分别为10.94%、6.9%、5.2%、2.8%，对应饱和重量含水量(9ms)为64.4%、53.6%、51.6%、43.3%，对应风干重量含水量(9m0)为4.7%、3.8%、3.6%、2.9%。确定含水量间隔为A9=2.5%。3)以有机质为6.9%的土样为例说明含水量调配方法(1)由ems=53.6%、em0=3.8%、ae=2.5X，利用公式①计算得到所需调配含水量样本个数n。=20;以每份土样300g为基准，称重20份风干土样；(2)由Ae=2.5%与公式@计算确定20份风干土样中的每份土样所需加入的水量(见表1中SOM=6.9%行)；(3)取一喷壶，测定其20次喷出的水量为20.5g，平均每次喷出量w。二1.025g，根据公式确定每个调配土样的喷水次数&;4)将每份重300g风干土样装入密封塑料袋，每个土样按对应喷水次数采用喷壶或喷雾器喷水，喷水过程中，抖动塑料袋，使喷入的水与土混匀，避免局部饱和；然后密封，在3t:条件下保存24小时，防止土壤发生变质，使水分充分分散于土样中；5)取水分充分分散后的土样，用直尺刮平土样表面，利用美国分析光谱仪器公司(AnalyticalSpectralDevices,ASD)生产的ASDFieldSpec野外便携式高光谱仪测定其高光谱反射率，并用烘干法测定土样的含水量(结果见表1)，分析黑土含水量与其光谱反射率之间的关系。表1不同有机质含量(％)土样调配的含水量及对应反射率(1000nm波段)列表5<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1列出的是不同有机质含量(％)土样调配的含水量及lOOOnm波段对应的反射率。可以看出，利用本方法得到的较多的含水量调配土样，且不同土样间的含水量间隔较小，每个含水量土样对应其高光谱反射率，有利于土壤水分反射光谱特征的分析。表2为不同有机质含量(％)lOOOnm波段反射率与含水量之间的关系，二者之间可以用三次方程准确模拟。可以得出，二者之间可以用三次方程准确模拟，模拟模型的决定系数r2均在0.95以上，模型精度非常高，揭示了土壤含水量与土壤高光谱反射率之间的关系；说明实验得到的调配含水量数值与土样高光谱反射率精确对应，避免了传统方法中土壤不同部位与层次含水量差异导致的反射光谱特征分析错误；同时说明不同含水量土样光谱反射率测量过程准确。图1是S0M=10.94%土壤在1000nm波段的光谱反射率随含水量变化的散点图及相应三次方程模拟模型。该图进一步形象地描述了土壤光谱反射率随含水量的变化过程可以看出，土壤光谱反射率随含水量的增加(从风干土到饱和含水量)，先呈下降趋势；但当达到一定含水量(临界值)时，土壤光谱反射率反而增加。该变化过程可以用三次方程模型进行模拟，各SOM土壤相应模型的决定系数f均在0.95以上(见表2)，说明三次方程可以准确描述从风干土到饱和含水量土壤相应光谱反射率的变化过程。基于以上分析结果，可以得出①本发明提出的含水量调配方法，可以获得不同含水量间隔、不同数量的土样，满足土壤水分反射光谱特征分析需求；②含水量与土壤光谱反射率之间的关系模型精度非常高，说明含水量数值与土样高光谱反射率精确对应，可以用于研究基于反射光谱特征的土壤水分快速测定模型；③含水量数值与土样高光谱反射率的精确对应说明该土壤水分调配方法避免了土样的局部饱和，确保了土壤光谱反射率的准确测定。权利要求一种土壤水分反射光谱特征分析方法，其特征在于1)野外采集待测土壤样品20-50kg，室内将土样风干、研磨、过2mm筛；2)测定土壤饱和重量含水量(θms)、风干土重量含水量(θm0)；在土样重量含水量1～5％的差值范围内设定一重量含水量间隔(Δθ)，即Δθ＝1～5％，进而得到所需调配含水量样本个数n0，n0为正整数，其计算方法见公式①，以每份土样300g为基准，称重n0份风干土样，根据含水量间隔Δθ进一步确定n0份风干土样中的每份土样所需加入的水量，确定方法见公式②；n0＝MOD[(θms-θm0)/Δθ]①其中，MOD为取整公式；θi＝θi-1+(i-1)×Δθ②其中，i为第i个调配土样，i的取值范围为从1～n0的正整数，θi与θi-1分别为第i与i-1个调配土样的含水量，当i＝1时，θi-1＝θm0；3)取喷壶或喷雾器，测定其15-30次喷出的水量，确定平均每次喷出量w0，进一步确定每个调配土样的喷水次数ni，其计算方法见公式③；ni＝MOD(θi/w0)③其中，ni为第i个调配土样的喷水次数，w0为喷壶平均喷出量；4)将每份重300g风干土样装入密封塑料袋，每个土样按对应喷水次数采用喷壶或喷雾器喷水，喷水过程中，抖动塑料袋，使喷入的水与土混匀，避免局部饱和；然后密封，在2-4℃条件下保存18-24小时，防止土壤发生变质，使水分充分分散于土样中；5)取水分充分分散后的土样测定其高光谱反射率和土样的含水量。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤5)的操作过程为，1)取出密封塑料袋中的土样，置于内壁黑色的培养皿中，用直尺刮平，利用光谱仪测定其高光谱反射率；利用铝盒取样，测定土样的含水量；2)分析土样含水量与光谱反射率的关系，及土壤水分的反射光谱特征。3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述培养皿为内壁喷涂有黑漆的培养皿。4.按照权利要求l所述的方法，其特征在于所述喷壶或喷雾器为喷嘴单次喷水量Ae/50Ae/3、且喷出量稳定的喷壶或喷雾器。全文摘要本发明涉及一种土壤水分反射光谱特征分析方法，通过调配多个土壤样品至相应含水量，测定不同含水量土壤样品的高光谱反射率，分析土壤反射光谱与含水量的关系。本发明实现了土样含水量与土样高光谱反射率之间的精确匹配，能够保证土壤水分反射光谱特征分析结果的准确性。文档编号G01N21/55GK101769868SQ20081023032公开日2010年7月7日申请日期2008年12月29日优先权日2008年12月29日发明者刘焕军,周桦,姜子绍,宇万太,张兴义,马强申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所