便攜式地物光譜儀土壤測(cè)試

一、為什么用地物光譜儀對(duì)地物進(jìn)行測(cè)試?

對(duì)于地物的測(cè)試，傳統(tǒng)的方法有化學(xué)法等。隨著光譜學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以運(yùn)用光譜法去對(duì)地物進(jìn)行測(cè)試，獲取地物自身的信息。無(wú)論是植被、土壤、水體還是人工地物都具有其自身特征的光譜反射率，我們可以通過(guò)地物光譜儀去測(cè)試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過(guò)地物光譜測(cè)量去獲取，除此之外地物光譜測(cè)量也能輔助一些化學(xué)法或者其他方法去對(duì)地物做研究。

地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會(huì)吸收掉大部分的太陽(yáng)光，而有些會(huì)將大部分太陽(yáng)光反射出去，這種地物的反射率比較高，有一些能被部分太陽(yáng)光透過(guò)，這些地物都具有不一樣的反射光譜。所謂光譜學(xué)，就是研究一定波長(zhǎng)的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過(guò)反射，輻射，散射以及吸收作用的學(xué)科。研究地物光譜特征主要就是研究其反射光譜，知道地物的光譜吸收段并通過(guò)吸收段的光譜響應(yīng)來(lái)獲取反演地物的材料，狀態(tài)等等。光譜范圍能否包括我們測(cè)試地物需要提取的特征點(diǎn)獲取信息的光譜吸收段，是我們能否順利研究獲取地物信息的關(guān)鍵，所以我們首先需要知道光譜范圍，還需要看其光譜分辨率，光譜帶寬以及信噪比。相鄰的兩個(gè)通道的中心波長(zhǎng)的波長(zhǎng)間隔就是光譜分辨率，這個(gè)波長(zhǎng)間距對(duì)被測(cè)地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測(cè)地物的局部吸收。

光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個(gè)光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測(cè)量的精確性，帶寬太寬，就會(huì)導(dǎo)致我們需要提取的特征點(diǎn)丟失，測(cè)量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測(cè)到的波譜樣本越多，對(duì)地物的測(cè)量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理分析。信噪比是傳感器的信號(hào)功率(SP)和噪聲功率(NP)之比，它取決于探測(cè)器的敏感度、光譜寬度、被測(cè)量物表面反射和發(fā)射光的強(qiáng)度，當(dāng)信噪比低的時(shí)候，噪聲功率的占比就會(huì)比較高，對(duì)地物的信號(hào)探索反演有很大的干擾;當(dāng)信噪比高時(shí)，就能更準(zhǔn)確的去獲取地物的光譜信息。

除了植被、土壤等典型的地物光譜，人們還開(kāi)始研究一些人工地物的光譜特征，比如迷彩服的綠色與植被的綠色的區(qū)別。而且根據(jù)這些需要，也建立起越來(lái)越精確且多樣的地物光譜庫(kù)，為高光譜影像分類(lèi)和匹配做準(zhǔn)備。

2.1 典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類(lèi)型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因?yàn)椴煌?lèi)型的地物具有不同特征的吸收譜線。表2-1列出了波段范圍內(nèi)的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應(yīng)都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長(zhǎng)增加而增加;各種類(lèi)型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點(diǎn)：在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)植物光譜反射率會(huì)有一個(gè)極大值和一個(gè)最小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外(730-1000nm)光譜區(qū)有一段較平緩和比較高的反射率;本次測(cè)量將會(huì)測(cè)量幾種不同的植被，并且根據(jù)獲取的光譜信息對(duì)植被進(jìn)行不同的分析。

2.2 土壤地物光譜特征

土壤礦物主要包括石英、云母、長(zhǎng)石、氧化物等。影響土壤光譜特性變化的因素包括礦物(原生礦物和次生礦物)，土壤含水量，土壤有機(jī)物(胡敏酸和富里酸的腐殖質(zhì)類(lèi)型是主要的有機(jī)質(zhì))，土壤的質(zhì)地和顆粒度等。

在自然狀態(tài)下，土壤表面的反射曲線呈比較平滑的特征，沒(méi)有明顯的反射峰和吸收谷。

在干燥條件下，土壤的波譜特征主要與成土礦物(原生礦物和次生礦物)和土壤有機(jī)質(zhì)有關(guān)。

土壤含水量增加，土壤的反射率就會(huì)下降，在水的各個(gè)吸收帶(1.4μm、1.9μm、2.7μm處附近區(qū)間)，反射率的下降尤為明顯。

圖2.2土壤反射光譜特征

土壤的光譜特征包括可見(jiàn)光波段、近紅外波段、中紅外波段和熱紅外波段。在可見(jiàn)光波段，土壤通常呈現(xiàn)出不同的顏色，反映土壤的含水量、有機(jī)質(zhì)含量、粗細(xì)度等信息。在近紅外波段，土壤的吸收譜線通常在800-1100 nm之間，與土壤中的有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)有關(guān)。在中紅外波段，土壤的吸收譜線通常在1800-2400 nm之間，與土壤中的水分、有機(jī)質(zhì)、鐵氧化物、氫氧化物等有關(guān)。在熱紅外波段，土壤的發(fā)射譜線通常在8000-14000 nm之間，可以反映土壤的溫度、含水量、質(zhì)地等信息。

土壤的光譜反射率主要在可見(jiàn)光譜段顯示顏色(400-700 nm)。在近紅外(NIR)波段(700-1300 nm)和中紅外(MIR)波段(1300-2500 nm)，土壤的反射率通常很高，但在特定波段會(huì)出現(xiàn)明顯的吸收帶。土壤吸收帶通常出現(xiàn)在以下波長(zhǎng)范圍內(nèi)：

1. 1450-1500 nm處有一個(gè)明顯的吸收帶，與水合鋁和鐵結(jié)合有機(jī)物(如腐殖酸和孢子酸)的存在有關(guān)。

2. 1900-2200 nm處有一個(gè)比較寬的吸收帶，由水分、羥基等所致。

3. 2300-2400 nm處的吸收帶由硝酸鹽所致。

4. 4000-4200 nm區(qū)域，由土壤有機(jī)質(zhì)和粘土礦物質(zhì)的反應(yīng)所致。

5. 熱紅外波段(8000-14000 nm)也有吸收帶，由土壤溫度和含水量的影響。

總之，土壤吸收帶的出現(xiàn)是由于土壤中的特定化學(xué)成分吸收特定波長(zhǎng)的電磁輻射而導(dǎo)致的。不同波段吸收帶的存在可以提供土壤化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息。

三、地物光譜特征的數(shù)據(jù)獲取

環(huán)境因素、儀器參數(shù)靈敏度、采集的方法、地物本身特性等各種因素都會(huì)影響我們野外地物光譜測(cè)量的結(jié)果，所以我們?cè)跍y(cè)量前需要根據(jù)被測(cè)的地物和人物指定相應(yīng)的測(cè)試方案，盡可能規(guī)避所有對(duì)所測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實(shí)體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當(dāng)時(shí)使用的儀器參數(shù)，測(cè)量條件以及被測(cè)地物的信息。這樣測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)才具有可靠性，為之后的數(shù)據(jù)反演和光譜庫(kù)建立提供依據(jù)成。

圖3.3iSpecField-WNIR-HRs便攜式地物光譜儀

4.2數(shù)據(jù)分析

圖4-2為測(cè)試的五種土壤的光譜反射率經(jīng)過(guò)平均、平滑處理后的反射率對(duì)比圖，由圖可看出1號(hào)樣品的反射率相對(duì)于其他樣品偏高，五種樣品的反射率隨著波長(zhǎng)的增加而增加。

圖4-2五種土壤反射率圖

五種土壤在1100nm、2200nm有水分、羥基等所致的水吸收帶，且反射率升高，有研究表明，在低水平含水量范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率降低;在高水平范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率也升高。這一現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)自由水較多，土壤含水量達(dá)到或超過(guò)田間持水量時(shí)，水分形成的薄膜有較強(qiáng)的鏡面反射。所以出現(xiàn)土壤反射率隨著土壤含水量增加而增加的現(xiàn)象。而當(dāng)土壤含水量低于田間持水量時(shí)，入射光在射入顆粒表面以及從顆粒表面反射出時(shí)，附著于土壤顆粒上的水主要起吸收作用。由此可認(rèn)為五種土壤的含水量都處于高水平范圍內(nèi)。樣品在2300nm~2400nm波段也存在個(gè)較寬但不明顯的吸收帶，這可能是由硝酸鹽所導(dǎo)致的。

五、總結(jié)

研究土壤反射率能夠定性、定量的分析土壤的含水量、質(zhì)地等等，因此研究土壤光譜反射率有以下幾方面的意義：

1. 土壤質(zhì)量評(píng)估：通過(guò)對(duì)土壤光譜反射率的分析，可以了解土壤中不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率變化，進(jìn)而了解土壤質(zhì)量、土地利用狀況等信息

2. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土壤光譜反射率是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。通過(guò)對(duì)土壤光譜反射率的研究，可以了解農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中土壤的物理、化學(xué)特性等因素，并以此為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。

3. 土地資源開(kāi)發(fā)：通過(guò)對(duì)土壤光譜反射率的研究，可以為土地資源開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。例如，在進(jìn)行化礦勘探等工作時(shí)，可以通過(guò)地面和空中的光譜數(shù)據(jù)快速找到有可能存在礦產(chǎn)資源的區(qū)域。

4. 環(huán)境監(jiān)測(cè)：土壤光譜反射率的研究也有助于環(huán)境監(jiān)測(cè)。例如，可以通過(guò)對(duì)土壤光譜反射率的分析來(lái)了解土壤中污染物的種類(lèi)和分布情況，提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的精度和效率。

總之，研究土壤光譜反射率有助于人們更全面、準(zhǔn)確地了解土地、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等方面的情況，為科學(xué)決策提供有力支持。

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地物光譜儀iSpecField-HH/NIR/WNIR

地物光譜儀是萊森光學(xué)專(zhuān)門(mén)用于野外遙感測(cè)量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，獨(dú)有的光路設(shè)計(jì)，噪聲校準(zhǔn)技術(shù)、可以實(shí)時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)暗電流，采用了固定全息光柵一次性分光，測(cè)試速度快，最短積分時(shí)間最短可達(dá)20μs，操作靈活、便攜方便、光譜測(cè)試速度快、光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，廣泛應(yīng)用于遙感測(cè)量、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、森林研究、海洋學(xué)研究和礦物勘察等各領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇