謝奮慧，谷海斌，盛建東，王 靚，于 洋， 蔡云飛

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

綠洲農(nóng)田典型鹽堿斑光譜特征與鹽分反演建模

謝奮慧1，谷海斌1，盛建東1，王 靚1，于 洋1， 蔡云飛1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

通過(guò)野外測(cè)定鹽堿斑光譜反射率，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行去包絡(luò)線處理，并分析鹽堿斑光譜特征。結(jié)合鹽堿斑表層土壤電導(dǎo)率，進(jìn)行鹽堿斑電導(dǎo)率和反射光譜相關(guān)性分析。結(jié)果表明，綠洲農(nóng)田鹽堿斑光譜反射曲線650～700 nm波段為鹽堿斑電導(dǎo)率最敏感波段，可通過(guò)該波段數(shù)據(jù)與鹽堿斑的電導(dǎo)率建立鹽堿斑電導(dǎo)率光譜預(yù)測(cè)模型。

綠洲；鹽堿斑；光譜特征；電導(dǎo)率；模型

土壤鹽漬化問(wèn)題是制約干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙，也是影響綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素[1]。新疆是土壤鹽漬化集中分布區(qū)之一[2]。在土壤鹽漬化遙感監(jiān)測(cè)研究中，土壤的光譜特征是鹽漬化土壤識(shí)別與分類(lèi)的基礎(chǔ)，其依據(jù)是不同鹽漬化土壤的光譜特征具有明顯的差異性[3-5]。因此，探討土壤因子與光譜特征之間的關(guān)系已成為土壤遙感監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。Metternicht、Muller 分析了土壤鹽堿化遙感監(jiān)測(cè)的影響因素[6,7]；李娜分析了鹽離子與光譜反射率之間的關(guān)系[8]；張建明探討了土壤光譜微分變換與土壤鹽分含量相關(guān)性較強(qiáng)的波段范圍[9]；扶卿華等的研究結(jié)果顯示波長(zhǎng)451．42～593．79 nm區(qū)域的土壤反射率對(duì)土壤鹽分含量較為敏感[10]；馬諾等分析了土壤光譜曲線與土壤鹽漬化程度之間的關(guān)系[11,12]。

目前，大多數(shù)研究主要集中在農(nóng)田土壤的鹽漬化、土壤水分、質(zhì)地等的光譜特征與遙感監(jiān)測(cè)方面，積累了大量研究成果和參數(shù)體系。但是，在綠洲農(nóng)田中還存在許多“鹽堿斑”現(xiàn)象，這些“鹽堿斑”嚴(yán)重影響了作物產(chǎn)量，減少了有效耕地面積。同時(shí)，無(wú)效的耕作、施肥和灌溉也浪費(fèi)了大量水資源和養(yǎng)分資源，成為限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。本文以綠洲農(nóng)田鹽堿斑為研究對(duì)象，實(shí)地測(cè)定鹽堿斑光譜反射率，分析鹽堿斑的敏感波段，反演鹽堿斑土壤電導(dǎo)率模型，為綠洲農(nóng)田鹽堿斑的遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)瑪納斯縣位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，昌吉州的最西部，準(zhǔn)噶爾盆地南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)85°34'～86°43'，北緯43°28'～45°38'。地貌主要分為3大類(lèi)型：南部山區(qū)與丘陵地、中部平原區(qū)、北部為古爾班通古特沙漠的一部分。主要河流有瑪納斯河、塔西河兩大水系。

2 研究?jī)?nèi)容及方法

2.1 鹽堿斑光譜測(cè)定

2013-09-24～30對(duì)研究區(qū)5塊典型鹽堿斑進(jìn)行光譜測(cè)定，由鹽斑中心每隔5 m左右依次向鹽斑外圍擴(kuò)展。使用HR-768型便攜光譜儀，其波長(zhǎng)范圍是350～2 500 nm；光譜分辨率為3 nm（350～1 000 nm）和10 nm（1 000～2 500 nm）；最小積分時(shí)間1 ms。在測(cè)定鹽堿斑光譜之前先測(cè)定參照板的反射數(shù)據(jù)，測(cè)定時(shí)，將參照板調(diào)至水平位置，采用4°鏡頭，光譜儀鏡頭與參照板垂直距離控制在20 cm左右，測(cè)量期間每5 min作一次白板校正。參照板光譜測(cè)定后再測(cè)定鹽堿斑的反射強(qiáng)度，將鹽堿斑的反射強(qiáng)度與參照板反射強(qiáng)度相比便得到鹽堿斑的反射光譜。為盡可能消除大氣輻射的影響，所有的反射光譜數(shù)據(jù)均在野外自然光條件下測(cè)得。為減少不同太陽(yáng)高度角對(duì)反射率的影響，反射光譜的測(cè)定均在當(dāng)?shù)靥鞖馇缋薀o(wú)云、10:00～14:00間進(jìn)行。為去除隨機(jī)噪音干擾，每一樣品采集10條光譜，得到土壤反射亮度平均值作為其最終光譜值。鹽堿斑采樣點(diǎn)如圖1所示。

圖1 鹽堿斑采樣點(diǎn)示意圖

2.2 鹽堿斑電導(dǎo)率測(cè)定

土壤樣品在通風(fēng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后過(guò)1 mm孔徑篩，稱(chēng)量40 g土壤與200 ml去離子水配制成土水比為1∶5的土壤溶液，采用電導(dǎo)儀（DDSJ-308A）測(cè)定土壤電導(dǎo)數(shù)據(jù)。

2.3 光譜數(shù)據(jù)處理

將采集的10次鹽斑中心光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，然后運(yùn)用ENVI軟件中光譜分析工具對(duì)所采集的鹽斑光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)線去除處理，以突出鹽堿斑光譜特性。進(jìn)行去包絡(luò)線歸一化處理后，可有效突出鹽堿斑吸收和反射光譜特征的個(gè)性和共性，并將其歸一到一致的光譜背景上，以利于鹽堿斑光譜的比較分析[13-15]。包絡(luò)線消除后，歸一化光譜曲線的特點(diǎn)是起始點(diǎn)數(shù)值為1，其余的點(diǎn)位于0～1之間[16,17]。

大量研究顯示，除了將土壤電導(dǎo)率與原始光譜反射率、包絡(luò)線去除后的反射率進(jìn)行相關(guān)分析外，還可以通過(guò)對(duì)反射率進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)變換來(lái)確定鹽堿斑土壤電導(dǎo)率的敏感波段[18,19]。而對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理可以去除部分線性或接近線性的背景值干擾，突出細(xì)微信息差異的變化[20]。野外實(shí)測(cè)所獲得的光譜數(shù)據(jù)是離散形式的，所以微分計(jì)算就變成了差分計(jì)算，采用如下公式近似計(jì)算光譜數(shù)據(jù)的一階微分：

R'（λi）=[R（λi）-R（λi-1）]/Δ λ (1)式中，R'（λi）為光譜數(shù)據(jù)在波長(zhǎng)λi的一階微分；R（λi）為在波長(zhǎng)λi的光譜反射率；Δ λ是波長(zhǎng)λi與λi-1的間隔。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽堿斑光譜特征分析

對(duì)典型鹽堿斑不同采樣部位的原始光譜曲線分析可以看出（圖2），鹽堿斑中心到外圍的土壤光譜曲線總體形態(tài)和趨勢(shì)是一致的，即光譜反射率在可見(jiàn)光部分不太高，在近紅外、短波紅外波段呈增大趨勢(shì)，波段間具有良好的正相關(guān)性。在波長(zhǎng)1 450 nm、1 940 nm附近有明顯的吸收峰。鹽堿斑中心（A點(diǎn)）光譜曲線的光譜數(shù)值最高，結(jié)合電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)及野外調(diào)查分析可知，A點(diǎn)土壤表層有白色鹽霜，地表光滑發(fā)白，電導(dǎo)率值最高，其土壤光譜反射率大于其他采樣點(diǎn)。而鹽堿斑B點(diǎn)和外圍地表局部有鹽結(jié)皮或鹽斑。土壤光譜反射率由于土壤鹽分含量的差異，引起了反射率的變化，隨著鹽分含量的不斷增加，其曲線梯度總體變化有逐漸加大趨勢(shì)。

根據(jù)圖3可以看出，對(duì)5個(gè)典型鹽堿斑的中心采樣點(diǎn)光譜曲線進(jìn)行去包絡(luò)線處理后，不同鹽堿斑中心的光譜反射率曲線在形態(tài)上很相似，基本平行，中心光譜曲線在350～1 300 nm附近總體上變化比較平緩。鹽堿斑中心的光譜曲線，在靠近460 nm波段的反射率高時(shí)，其在靠近1 900 nm波段也具有相對(duì)較高的反射率。從350～2 300 nm波段來(lái)看，光譜曲線在2 300 nm附近光譜反射率呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)。在348～210 9 nm波段之間，分別在1 400 nm、2 000 nm、2 300 nm波長(zhǎng)附近有3個(gè)水汽吸收帶，表現(xiàn)出強(qiáng)弱各異的吸收。

3.2 鹽堿斑電導(dǎo)率與光譜反射率關(guān)系的分析

圖2 鹽堿斑中心到外圍的光譜反射率變化圖

圖3 典型鹽堿斑光譜曲線變化圖

通過(guò)對(duì)鹽堿斑電導(dǎo)率與鹽堿斑光譜反射率進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，原始光譜反射率與電導(dǎo)率之間的相關(guān)性較低。但是，將原始光譜經(jīng)過(guò)各種數(shù)學(xué)變換發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率與光譜反射率的一階微分之間相關(guān)性較好，呈交替正負(fù)相關(guān)（圖4）。

3.3 建立鹽堿斑電導(dǎo)率光譜預(yù)測(cè)模型

圖4 鹽堿斑電導(dǎo)率與一階微分光譜反射率相關(guān)系數(shù)

根據(jù)相關(guān)分析的結(jié)果，用SPSS軟件進(jìn)行逐步回歸分析，建立鹽堿斑土壤光譜反射率估算土壤電導(dǎo)率的預(yù)測(cè)方程（表1）。

表1 不同敏感波段反射率與土壤電導(dǎo)率的預(yù)測(cè)方程

比較各敏感波段的相關(guān)系數(shù)，波段650～700 nm相關(guān)性最高，選取此波段建立土壤電導(dǎo)率預(yù)測(cè)模型：

式中，y為電導(dǎo)率（μs/cm）； x為土壤在此波段的一階微分光譜反射率，決定系數(shù) R2為 0．853。

3.4 電導(dǎo)率估算精度評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證模型的可靠性，依據(jù)以上相關(guān)分析結(jié)果，取研究區(qū)未建模土壤樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行反演精度驗(yàn)證。如圖5所示，可知R2=0．873 2，相關(guān)系數(shù)較高，說(shuō)明利用土壤光譜反射率模型預(yù)測(cè)土壤電導(dǎo)率可行。

圖5 預(yù)測(cè)模型的檢測(cè)

4 結(jié) 語(yǔ)

鹽堿斑的光譜特征受研究區(qū)的氣候、土壤類(lèi)型、土壤有機(jī)質(zhì)含量等因素的影響，土壤光譜曲線存在一定的差異。光譜數(shù)據(jù)在波段選擇方面對(duì)使用數(shù)據(jù)的依賴(lài)性很強(qiáng)。因此，在分析其光譜特征時(shí)，選擇合適的波段，便于獲得較好的預(yù)測(cè)精度。土壤光譜和土壤鹽分之間如果存在線性關(guān)系，則能夠很好地進(jìn)行分析，反之，則難以很好地預(yù)測(cè)。在后續(xù)工作中，不僅需要尋找光譜對(duì)于鹽堿斑鹽分特征最為敏感的波段，而且需要探索土壤鹽分定量預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合衛(wèi)星遙感影像，最終建立基于遙感影像的鹽堿斑預(yù)測(cè)模型。

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0153-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.054

謝奮慧，碩士，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)方面的研究。

2014-03-25。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41261057）。