土壤粒径的光谱响应特性研究

曾远文，段松江

(重庆市地理信息中心，重庆 401121)

光谱分析技术是近年来发展最为迅速的高新技术之一，具有快速、便捷、无污染的特点，已在农业及其他领域得到了广泛的应用[1]。近年来，随着光谱分析技术应用领域的不断拓展，用于土壤理化参数的研究日益增多[2-5]，在土壤样本光谱测试过程中，测试土样粒径的大小及其分布决定着土壤样本反射能量的分布，导致对光谱数据精度及光谱测试的结果有非常明显的影响。许多学者将样本研磨成相同的粒径水平来排除粒径大小的影响，但所采用的颗粒大小不尽一致，除采用原状土壤样品光谱外[6]，有人采用2mm[7-8],0.5mm[9]等，因此在不同的研究中，对同一土壤数据的测试过程中采用的是不同的粒径大小，必然会导致数据的不一致性。土壤粒径大小是导致室内土壤光谱数据不确定性的重要因素之一，其光谱响应特性同样值得我们关注。国外学者在这方面做过一些研究，Fluhler和Bnninger通过土壤粒径大小与反射率的差异试验发现，土壤粒径从0.063 ～0.071mm增加到0.45～0.55mm，土壤光谱反射率值会明显降低[10]。土壤粒径越大，其反射的光线被其他颗粒拦截的可能性就越大，这就会使整体的光谱反射率降低[11-13]。这些研究大多处于定性阶段，定量研究并未多见，目前，国内关于这方面的研究还比较少。为了探讨土壤粒径的高光谱响应特性，该文通过对1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm，5个级别的土壤粒径进行光谱试验，研究了土壤粒径大小与光谱反射数据的关系，确定高光谱诊断土壤粒径状况的敏感波段，并且拟合出土壤反射率与粒径的模式方程，为今后实验室土壤样本的制备提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样本处理

本次试验使用的土壤样本采集于徐州市九里矿区，土壤样本经实验室自然风干后，研磨成1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm 5个不同等级的粒径，共157个样本，其中0.075，0.125，0.25mm粒径的样本数都为37个，0.5mm的有24个，1mm粒径22个。

1.2 室内光谱测量与预处理

用ASD FieldSpec 3光谱仪进行室内光谱测量。测量时将装有样品的石英玻璃皿放置在黑色天鹅绒中心，并使用ASD 公司配置的功率为50W的卤素灯和8°视场角的探头，探头垂直于土样表面，到土样表面距离15cm，光源入射方向与垂直方向夹角15°，光源到土样中心的距离为30cm，各几何参数在实验过程中保持不变。把适量经过处理的土壤样品放入盛样皿中，用玻璃压实，使其表面尽量平整，为了消除土样反射光谱各向异性的干扰，测量时转动盛样皿三次，测量土样的4个方向的光谱曲线(每个方向取5条，一共20条光谱曲线)，将各方向的光谱曲线算术平均后得到该土样的反射光谱数据。

对获取的光谱曲线进行断点校正、10mm间隔重采样、低信噪比波段及水吸收峰剔除，具体的剔除范围为：350～395mm，1345～1515mm，1795～2025mm，2405～2500mm，经过以上预处理之后最终剩下158个波段。

除了原始光谱外，还进行了对数lgR、倒数1/R、倒数的对数lg(1/R)(吸光度)、对数的倒数1/lgR等基本变换，并分别求其一阶(FD)、二阶微分(SD)，加上连续统去除(CR)，最终得到16种变换形式。

1.3 研究方法

2 结果与分析

2.1 不同粒径水平的光谱反射曲线分析

计算1mm，0.5mm，0.25mm，0.125mm，0.075mm 5个粒径水平下样本反射率的平均值，可知，随着土壤粒径的减小土壤光谱曲线呈现出不断增大的趋势，粒径对土壤光谱反射率的影响强度在各个波段范围并不一样，土壤粒径对光谱曲线形状的影响并不明显。

为验证各个粒径水平下土壤反射率差异的显著性和土壤粒径对光谱反射率影响各波段范围的差异性，以粒径水平为分组，分别以各样本在UV ～VNIR(350 ～ 1005mm)，SWIR1(1010 ～1805mm)，SWIR2(1815～2500mm)波段范围的反射率的平均值为变量，进行单因素方差分析。结果如表1～3所示。

表1 UV ～VNIR波段单因素方差分析

*均值差显著水平为0.05。

表2 SWIR1波段单因素方差分析

*均值差显著水平为0.05。

表3 SWIR2波段单因素方差分析

*均值差显著水平为0.05。

由上表可知，总体上各粒径水平之间土壤光谱反射率的差异性是显著的，说明土壤粒径大小对光谱反射率有显著的影响；无论是在UV ～VNIR，SWIR1还是SWIR2波段范围内，0.075mm和0.125mm，0.5mm和1mm之间光谱反射率的差异性都不显著，说明粒径大小从1mm减小到0.5mm的过程中并没有引起光谱反射率的显著变化，同样当粒径从0.125mm减小到0.075mm时也出现了相同的规律，由此可以推断土壤粒径大小对光谱反射率的影响可能存在一个阈值，土壤反射率并非随粒径的减小呈线性增加，当粒径大于或小于一个值的时候，其对土壤光谱反射率的影响强度受到抑制。

对UV ～VNIR，SWIR1，SWIR2波段范围内组间均值差(若为负数取其绝对值)进行比较可知，均值差呈现出UV ～VNIR

2.2 粒径大小与光谱反射率的关系

2.2.1 相关性分析

将土壤粒径和土壤反射率及其数学变换形式进行逐波段相关性分析，可知土壤粒径大小和光谱反射率呈负相关关系，且相关系数随波长的增加而增大，这进一步验证了单因素方差分析的结论。对反射率及其基本变换与土壤粒径的相关性的大小进行比较发现，在405～ 1335mm之间反射率的基本变换并没有增加其与土壤粒径大小的相关性，1335mm之后反射率的倒数变换、对数变换和倒数的对数变换的效果才得到凸显，相关系数最大的是经过倒数变换之后的波长为2335mm处，相关系数为0.625。

经过一阶微分变换之后其相关性不再是单纯的正相关和负相关，而是呈现时正时负的波动形式，从总体上说，反射率的基本变换经过一阶微分变换均增强了其与土壤粒径的相关性。比较各基本变换的一阶微分在各波段处的相关系数发现，相关系数最大的是反射率的一阶微分在1605mm处，相关系数为-0.752。

二阶微分处理之后的相关系数在各个波段的变化趋势和一阶微分处理后的相似，也是呈现时正时负的波动状态，相关性与波长之间的关系也很难界定。总体上看，相比基本变换形式二阶微分在某些波段上增强了相关性，但其效果不如一阶微分显著，相关系数最大的是反射率的二阶微分1535mm处，相关系数为0.644。

连续统去除之后各波段上的相关系数都较小，相关系数最大为-0.450，位于1635mm处，由此可知连续统去除对增强光谱反射率与土壤粒径的相关性无显著效果。相关分析部分结果如图1所示。

图1 反射率及其变换形式与土壤粒径之间的相关系数

2.2.2 回归模型的建立与检验

根据相关分析的结果，选择反射率倒数在2335mm波段处、反射率的一阶微分在1605mm波段处、反射率二阶微分在1535mm波段处的值与土壤粒径大小分别建立一元回归模型。157个土壤样本中117个(占总数75%)用于建模，剩下的40个(占总数的25%)用于验证模型的精度。由反射率及其变换形式为自变量，土壤粒径大小为因变量进行回归曲线估计，结果如图2所示。

图2 土壤粒径回归曲线估计

通过比较各个模型的决定系数和残差平方和来选取最优的模型，以反射率倒数为自变量建立的模型中决定系数最高的是乘幂模型(R2=0.559)，其次为指数模型(R2=0.539)，再次为三次多项式模型(R2=0.505)，但是乘幂模型和指数模型的残差平方和都比较大，分别为40.833和42.727，对模型的精度会造成严重的影响，因此选择三次多项式模型来作为反射率倒数和土壤粒径大小的回归模型，以同样的方法可得反射率一阶微分和二阶微分与土壤粒径大小的回归方程均为三次多项式。但是对各回归方程的各项系数进行T检验结果发现，方程的系数很多未达到统计学意义上的显著性水平(P<0.05)，因此改选二次多项式回归模型，但反射率的倒数建立的二次多项式的各项系数也未能通过检验，反射率的一阶和二阶微分建立的模型各个系数达到了显著性水平，因此保留这两个方程，反射率的倒数选择线性模型，此时各项系数通过了检验。最终确定的回归模型的系数检验结果如表4所示。

表4 回归方程系数的检验

图3 预测值和实测值的散点图

3 结论

分析了土壤粒径大小的高光谱响应特性，研究表明，土壤粒径对光谱反射率存在显著的影响，不过对反射光谱曲线的形状影响不大；随着土壤粒径的增大土壤反射率呈现出减小的趋势，但这种负相关的趋势有可能存在一个阈值即当土壤粒径大于或者是小于一个值之后，其对土壤光谱反射率的影响会受到抑制；土壤粒径对光谱反射率的影响在各个波段范围内并不一样，呈现出随着波段的增加影响效果不断增强的规律。在对反射率和土壤粒径进行相关性分析之前，对原始反射率值进行了数学变化，以求增大两者之间的相关性；经过分析比较最终选择反射率的倒数在2335mm波段处、反射率的一阶微分在1605mm波段处和反射率二阶微分在1535mm波段处的值来建立回归模型，三模型中以反射率的一阶微分建立的回归模型最优。因此，利用室内光谱分析技术来探讨土壤粒径的高光谱响应特性是可行的，研究结论可为今后实验室土壤样本的制备提供一定的科学依据。

该文只探讨了土壤粒径的光谱特性，而土壤是一个复杂的综合体，土壤粒径对土壤其他理化参数光谱特性的影响机制还有待进一步研究。