一种土壤水分反射光谱特征分析方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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:Liu W D， Baret F， Gu XF， et al. Relating soil surface moisture to reflectance. Remote Sensing ofEnvironment，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 :Michael L W， Lin L， Susan L U. Predicting water content using Gaussian model on soil spectra. Remote Sensing ofEnvironment. 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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用的技术方案如下 本专利技术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(9 ms)、风干土重量含水量(9 m。)； 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(A e)，即A e =1 5%，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A e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)/A e] ① 其中，MOD为取整公式；e i = e卜一(i-i) x a e ② 其中，i为第i个调配土样，i的取值范围为从l n。的正整数，e i与e i—工分别 为第i与i-i个调配土样的含水量，当i = l时，e h = e m。； 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 ( 9 i/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A 9 /50 A e /3、且喷出量稳定的喷壶或喷 雾器。 本专利技术的优点在于 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。附图说明 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(9 m0)为4.7%、 3. 8% 、3. 6% 、2. 9% 。确定含水量间隔为A 9 =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e ms = 53. 6%、 e m0 = 3. 8%、 a e =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A e = 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，避免本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（θ↓［ｍｓ］）、风干土重量含水量（θ↓［ｍ０］）；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（↓［Δ］θ），即↓［Δ］θ＝１～５％，进而得到所需调配含水量样本个数ｎ↓［０］，ｎ↓［０］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↓［０］份风干土样，根据含水量间隔↓［Δ］θ进一步确定ｎ↓［０］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；ｎ↓［０］＝ＭＯＤ［（θ↓［ｍｓ］－θ↓［ｍ０］）／↓［Δ］θ］①其中，ＭＯＤ为取整公式；θ↓［ｉ］＝θ↓［ｉ－１］＋（ｉ－１）×↓［Δ］θ②其中，ｉ为第ｉ个调配土样，ｉ的取值范围为从１～ｎ↓［０］的正整数，θ↓［ｉ］与θ↓［ｉ－１］分别为第ｉ与ｉ－１个调配土样的含水量，当ｉ＝１时，θ↓［ｉ－１］＝θ↓［ｍ０］；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↓［０］，进一步确定每个调配土样的喷水次数ｎ↓［ｉ］，其计算方法见公式③；ｎ↓［ｉ］＝ＭＯＤ（θ↓［ｉ］／ｗ↓［０］）③其中，ｎ↓［ｉ］为第ｉ个调配土样的喷水次数，ｗ↓［０］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。...

【技术特征摘要】
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＝M...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘焕军，宇万太，张兴义，马强，周桦，姜子绍，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳应用生态研究所，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]