土壤属性的高光谱遥感方法研究
土壤的有机质含量以及砂粒粉粒和粘粒含量属性是进行生态、水文以及陆面过程研究中模型的重要输入参数。但是传统的对土壤属性的实验室测定分析方法，费用高，费时，采样过程对生态环境具有破坏性。而且因为土壤属性具有很强的空间异质性，对于大区域的土壤属性的调查是一个比较困难的问题。20世纪80年代高光谱分辨率光谱仪的出现，为土壤属性的研究提供了新手段。它具有快速、实时，非破坏性，简单，而且费用低等特点，正好填补了传统方法的不足。
本论文通过文献综述，在土壤属性高光谱研究理论基础的支持下，分析了黑河上游土壤的反射光谱特征以及土壤有机质和质地对反射率的影响。本论文重点对土壤反射率进行不同的预处理之后，采用PLS方法研究了与全氮、有机质、砂粒、粉粒、粘粒含量的关系和对其预测研究的效果进行了研究，以了解黑河流域土壤的反射光谱特性，寻求可见光-近红外波段对预测每种土壤属性的最佳反射率预处理方式以及最适合每种土壤属性研究的波段范围，并探索遗传算法用于土壤属性研究最佳波段选择的适用性。本论文的研究得到以下结果：
1)植被覆盖为阳坡草地和云杉林的土壤在600～800nm波段范围比灌丛林土壤的反射率要低，但从900nm开始其反射率上升的比较快。土壤反射光谱的吸收峰主要表现在1414nm、1919nm、2210和2350nm，经过包络线处理之后，在420nm、490nm、540nm、660nm和900nm又表现出明显氧化铁的吸收峰。
2)通过分析发现，土壤有机质含量对反射率影响最大的是600～800nm波段，并以有机质含量20g/kg为界，有机质含量小于20g/kg，则在600～800nm表现出明显的陡坎状凸起。土壤反射率随着砂粒含量的减少以及粉粒含量的增加而升高，在1300～2500nm波段，土壤的反射率随着粘粒含量的增加而降低。
3)我们的研究结果表明，高光谱遥感完全可以用于土壤的全氮和有机质含量的研究，其精度完全能满足要求，而且无论对反射率做与不做预处理，都能得到满意的效果。不过进行一定的处理之后，效果更佳，尤其是进行倒数处理(1/R)的效果最好，且最适合的波段为400～800nm波段，尤其是以600nm为中心的波段最佳。
4)虽然对土壤砂粒和粉粒的研究结果不理想，但是还能发现对土壤砂粒和粉粒的研究只需对反射率进行求导和平滑处理就可以，且最佳波段位于以500nm和600nm为中心的波段较窄波段。
5)但是本文在400～1300nm波段，土壤反射率的五种预处理方式和粘粒含量的相关性都很小，其相关系数都小于0.3，且偏最小二乘方法对其含量的预测研究是失败的。
6)通过试验发现，在对土壤有机质研究的偏最小二乘建模之前，利用遗传算法进行波段选择，可以改善模型的预测结果，降低预测误差。也就是说遗传算法可以用于没有明显吸收特征的土壤属性研究之前的波段选择。
7).本文的研究表现了高光谱遥感在土壤属性研究中的潜力。可以充分发挥高光谱遥感的优势，利用目前的高光谱遥感影像，例如AVIRIS、Hymap、Hyperion等，对西北地区裸露或者休耕期的农田的表层土壤属性进行研究。
土壤属性
中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
博士
地图学与地理信息系统
李新
2007
中文
S151.93
100
2011-05-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）