基于遥感数据分析山西省土壤有机质空间分布

张红丽　权腾

摘要：本文利用TM影像分析山西省土壤有机质含量的空间分布，将山西省根据地形地貌划分成四个区域，在对影像进行预处理后，利用SAS分别建立四个区域土壤有机质含量的反演模型，通过计算得到2008年山西省的耕地土壤有机质空间分布。结果显示，山西省的土壤有机质含量多数介于3.42g/kg～29.62g/kg之间，而且呈现出从北向南、从西向东逐渐升高的趋势。

关键词：TM遥感影像；山西省；反演模型；土壤有机质

1. 引言

土壤有机质对于增加土壤肥力以及促进植物生理活性具有重要意义[1]。研究土壤有机质的空间分布，可以提高土壤质量，确保农业可持续发展。遥感技术已被广泛地使用在土壤调查之中。相比传统土壤有机质的测定方法，遥感技术具有时限性与可获取性等优势。本文使用遥感影像分析山西省土壤有机质空间分布，可以有效地促进山西省的资源转型。

2. 材料和方法

2.1 研究区概况

山西省地处华北西部的黄土高原东翼。地理坐标为东经110°14'～114°33'、北纬34°34'～40°44'。土地面积为156700km2 [2]。全省地貌类型相对较复杂，包括丘陵、盆地等地貌，丘陵与山地占到全省的三分之二。山西省境内坡地与旱地较多，且耕地产量较低。

2.2 土壤样品处理

本研究将山西省2008年的耕地评价数据作为土壤样品数据，在经过对土壤有机质实测数据（0cm～20cm）均匀筛选，剔除异常值[3]后，得到392个土壤样品。

2.3 遥感技术测定法

2.3.1 遥感影像预处理

本文采用Landsat-5TM的L2级TM数据，影像获取时间为：2008年3月和2008年11月，和本次获取的土壤样点时间基本一致。所使用的影像已经过系统辐射校正和几何校正，仍需要进一步的辐射校正等处理。辐射校正包括辐射定标、大气校正。消除系统误差采用的是辐射定标，消除外部误差采用的是大气校正[4]。本文将影像单波段band1～5，7合成。把DN值转换为辐射亮度值L，然后使用不变目标法相对大气校正方法清除光照等对地物反射的影响。对影像采用先辐射归一化后拼接，从而合成研究区的遥感影像图。

2.3.2 耕地图层提取

结合使用监督与非监督分类能较好地提高分类精度，本文利用上述方法得到山西省耕地图层。分类后处理得出耕地像元面积是50918.67km2，与山西省实际耕地面积相差约6%，结果表明分类精度较高。

2.3.3 处理光谱数据

通过对可见光区域的光谱值进行对数变换，能有效地减少光照变化所引起的乘性因素影响。有研究发现，低阶微分处理后的光谱数据能够去除部分光照等因素的影响[5]。本文对光谱值采取各种数学变换，找出对有机质含量最敏感的指标。

2.3.4 划分区域

本研究根据山西省地形地貌、土壤等自然因素，把山西省划分成四个区域：中南部盆地边山丘陵区、北部边山丘陵区、西部黄土丘陵沟壑区、东部丘陵低山区。根据四个区域分别反演的山西省土壤有机质含量更准确。

2.3.5 模型建立与验证

经对比得出，有机质含量和对应的光谱值及其数学变换之间采用指数关系表示效果最好。本研究使用多元逐步回归分析方法建立土壤有机质反演模型，最后，采用均方根误差验证模型。

3. 结果与分析

3.1 土壤有机质含量与光谱值之间的关系

3.1.1 中南部模型建立与验证

使用中南部盆地边山丘陵区71个样本，在SAS软件中经过多元逐步回归分析，建立中南部区域有机质反演模型如下：

（1）

采用36个实测点对模型进行验证，检验样点系数R2=0.64，模型精度较高。

3.1.2 北部模型建立与验证

使用51个样点建立北部土壤有机质含量的反演模型为：

（2）

采用38个样点进行验证，检验样点系数R2=0.62。

3.1.3 东部模型建立与验证

使用57个样点建立东部土壤有机质含量的反演模型为：

（3）

使用39个样点进行模型验证，检验样点系数R2=0.60。

3.1.4 西部模型建立与验证

采用61个样点建立西部土壤有机质反演模型为：

（4）

采用39个样点验证模型，检验样点系数R2=0.66。

3.2 山西省表层土壤有机质含量空间分布

将四个区域遥感影像耕地图，分别通过各自区域模型进行运算后，得到如下山西省耕地有机质分布，如下图1所示：

结果显示，山西省耕地土壤有机质含量从西北到东南逐渐升高。全省地势从西北到东南依次降低。西北部是黄土高原，土壤有机质含量较低，大多介于3.42g/kg～8.66g/kg之间。晋北地势较高，雨水少，多数为旱生草本植物，土壤有机质含量最低。东南部有机质含量最高，这是由于东南部主要为褐土，降水量较多。东南部部分区域土壤有机质含量大于29.62g/kg。中部地区大多为潮土，其保肥性能较好，所以其有机质含量也相对较高。有机质含量由北到南依次过渡到13.91g/kg～19.14g/kg，部分地区有机质含量超过19.14g/kg。西部区域有机质含量低于东部区域，这是由于西部土壤类型属于灰褐土，是介于森林草原与干旱草原之间，而且东南部年降雨量大于西北部地区。山西省土壤类型、降雨量、地形地貌等因素是形成以上土壤有机质含量空间分布的主要原因。

4. 结论

本文通过对遥感影像预处理及对光谱值采取各种数学变换，分别建立了山西省四个区域的土壤有机质含量反演模型。结果表明利用TM影像能够直观地显示出山西省耕地土壤有机质含量的空间分布。在后续研究中，采用高光谱遥感技术建立模型，能够更精准地获取土壤光谱信息，提高模型精度。

参考文献：

[1] 王相平，杨劲松，金雯晖，等.近30年玛纳斯县北部土壤有机碳储量变化[J].农业工程学报，2012，28（17）：223-229.

[2] 康志文.山西省旱作农业发展战略探讨[D].西北农林科技大学，2006，11.

[3] 杨希东.实验数据异常值的剔除方法[J].唐山师专学报，1998，20（5）.

[4] 池宏康，周广胜，许振柱，等.表观反射率及其在植被遥感中的应用[J]，植物生态学报，2005，29（1）：74-80.

[5] 浦瑞良，宫鹏.高光谱遥感及其应用[M].北京：高等教育出版社，2000.1-228.