近红外反射土壤水分测量方法及主要仪器综述*

殷 哲 单志杰 于 洋 秦 伟 郭乾坤 李 柏

（中国水利水电科学研究院/流域水循环模拟与调控国家重点实验室/水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048）

土壤水分含量的准确测量对于农田灌溉管理、农业生产指导及水文气象预测等领域均有重要作用。长期以来，土壤水分测量方法的研究和相关仪器的研制开发受到广泛关注。目前，国内外测量土壤水分的方法多达几十种[1]。常用方法包括烘干法、中子法、时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）、遥感反演法等。烘干法（恒温烘箱法）是测量土壤水分的传统方法和国际公认的标准方法，但该方法需要耗费大量的时间、人力和物力，且对土壤有一定破坏，不利于野外长期、定点、连续、重复监测。中子法[2]测量土壤水分始于20 世纪60 年代，该方法可实现野外定点连续观测，但其辐射性对操作人员和环境有潜在危害。TDR[3]克服了中子仪测量法的放射性危害、测量精度较低等缺点，在相关科研领域应用较广，但其测量空间分辨率低、且价格较高，探针的埋置方式会导致测量误差。与TDR 测量土壤水分含量相比，FDR[4-5]具有快速、准确、连续测量、价格低、无污染以及未扰动被测土壤等优点，但需要对不同类型土壤进行标定，操作复杂。遥感反演法测量土壤水分含量的应用研究发展于20 世纪70 年代[6]，可长期对大区域的土壤水分状况进行实时、快速监测，但测量精度较低，且测定深层土壤水分含量的技术有待进一步研究[7-8]。

光谱学是通过光谱研究物质与电磁波之间相互关系的重要交叉学科。1800 年，英国物理学家Herachel 在做光的色散实验室，发现了近红外光，但在20 世纪中叶之前，近红外光谱技术并没有引起科学家的重视，随着计算机技术和光学元件的发展，近红外检测技术在科学研究和工业质量控制领域才得到广泛应用。

近红外区域按照美国材料与试验协会（ASTM）的定义，是指波长在780-2 526 nm 范围内的电磁波[9]。当一束近红外光照射样品时，如果被照射样品的分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光，则产生吸收光谱，发生在该区域内的吸收谱带对应于分子基频震动的倍频和组合频[10-11]。近红外光谱技术应用于土壤水分含量测定的研究始于20 世纪60 年代，到20 世纪90 年代后期，该研究开始在中国逐渐开展起来[12]。该分析技术能够满足对物质成分快速、非接触、现场重复测量的要求，已经被成功的应用在土壤水分测量中，研究表明，物质中的水分对近红外光谱的特定波段有强烈吸收，其中土壤水分在近红外光谱中的强烈吸收波段为1 400、1 900 和2 200 nm，利用水分对近红外光谱的吸收特性，Norris 等[13]在1964 年设计了第一台近红外小麦水分仪，随后，许多学者在仪器的设计和改进方面做了大量工作，研究方法和手段随着计算机等硬件技术和化学计量学相关统计方法不断进步，测量准确度和精度不断提高，面向实际应用的传感技术和仪器设备也有了长足发展。Skidmore 等[14]自行设计了近红外仪器，使用发光二极管（LED）代替传统的宽带光源，在输出能量能够满足测试需求的条件下，无需使用滤光片，同时仪器的耗能、体积减少。Bowman 等[15]设计了以LED 为光源的近红外水分仪，以1 450 nm 波段作为水分的吸收波段，1 300 nm 作为参考波段，用以测量收割后黑麦草Lolium perenne 的水分，测量的水分范围为20%-80%，Whalley 等[16]将Bowman 设计的仪器应用于沙土和沙壤土的水分测量中，分析了此仪器在测量膨胀土壤含水量时存在的问题。本文将从近红外土壤水分测量理论方法和先进仪器设备技术的研究进展两方面，系统总结国内外研究进展和发展趋势。

1 基于近红外光谱学原理的土壤水分测量方法

1.1 基本理论

当一束近红外单色光或复合光照射样品时，如果被照射样品的分子选择性地吸收辐射光中某些频率波段的光，则产生吸收光谱。分子吸收近红外辐射（光子或能量）后会引起构成分子中各化学键的震动，这些化学键震动的方式可以用简谐振动模型来描述，表达式如下：

其中，n 为振动量子数；h 为普朗克常数，6.63×10-34m2·kg/s；k 为振动力常数；μ 为原子化学键减少的质量。

当分子吸收光的能量等于分子不同震动能级之间的能量差时，就会使分子从低能级向高能级跃迁，形成吸收光谱。

其中，Ep为吸收光的能量；v 为入射光的频率；h 为普朗克常数，6.63×10-34m2·kg/s；ΔEv为不同振动能级之间的能量差。

当含有一定水分的土壤受到近红外光照射时，由于水分子中O-H 键的拉伸和弯曲，导致水分子的倍频和基频振动，不同形式的水对近红外波段的光有强烈的吸收；倍频和合频构成了近红外光谱的核心部分，近红外谱带的产生和属性（频率，强度）取决于非谐性，非谐性最高的化学键是含有最轻原子的氢原子化学键，这些键在高能处发生振动，伸缩振动具有大的振幅，因此，具有很强的强度。水分子中O-H 键在近红外光谱区有两个特征吸收波段，1 940 nm 和1 450 nm 这两个吸收波段分别是组合频和O-H 键伸缩振动的一级倍频引起的，因此物质中的水分含量可以通过这些特征吸收来测定。

土壤水分对土壤表面的反射有一定的影响，在过去的几十年中，大量学者在此领域进行了深入和广泛的研究。一致的研究结果是，随着土壤中水分的增加，土壤的反射强度减小。对于这个结果存在两种分析，第一种认为水分引起对光的吸收，因为在近红外波段区域，水分的吸收很强烈。第二种分析首先由Angstrom[17]提出，研究结果表明，当光射入干燥的土壤时，光会和土壤颗粒进行多次反射，产生散射，从而引起土壤表面强烈的反射，其主要原因是，对于干燥土壤，土壤颗粒周围是空气，土壤颗粒（nsoil,λ≈1.5）和周围空气（nair,λ≈1.0）有一定的折射系数，而对于湿润土壤而言，土壤颗粒表面被水分包裹，水的折射系数约为1.33。土壤湿润前后的折射系数的变化是引起土壤表面反射强度减小的原因，另外，覆盖在土壤表面的一层水膜会导致一部分的散射光重新反射到空气—水表面，引起光在土壤内部传播深度的增加，最终导致土壤对光的吸收增加，结果很少的光能够从土壤表面反射。图1 是对以上解释的示意说明。

1.2 建模方法

1.2.1 相对反射率法 Liu 等[18]提出了相对反射率法，此方法是基于单波段的反射值。为最小化土壤类型对建立的土壤水分预测模型的影响，将一定水分含量下土壤表面的反射光强与相应的干燥土壤表面的反射光强的比值称为相对反射率，公式如下：

式中：R*为相对反射率；R（θ，λ）为一定土壤含水率时土壤表面的反射光强；R（0，λ）为干燥土壤表面的反射光强。

1.2.2 微分法 除了直接对土壤表面反射光强进行测量，然后换算为相对反射率进行分析外，还可以对反射光强进行微分变换，从中寻找对土壤水分敏感的光谱指标。微分光谱有助于限制低频噪声对目标光谱的影响。不同阶数的微分（差分）值可以迅速确定光谱的拐点和最大最小反射光强的波长位置。一定波段的一阶微分光谱如下式：

其中，λi和λi+1分别为两个连续的波段。

图1 土壤表面光的射示意Figure1 A sign of soil surface reflection

分别根据式（4）和（5）建立土壤含水率与反射光谱一阶微分和吸收光谱一阶微分之间的关系，找出最适合预测土壤含水率的波段进行建模预测。

1.2.3 相对吸收深度法 一般采用“连续统去除”法来提取光谱特征参数，将反射率归一化到0-1，来获取波段吸收深度值。归一化处理如下式所示：

其中，R΄为归一化处理后的光谱反射率值，R为原光谱的反射率值，RC为平滑直线上的反射率值。

输出的归一化处理后的光谱反射率的取值范围是0 到1，吸收深度通过下式进行计算：

其中，D 为吸收深度。

1.2.4 归一化差异法 在光谱吸收波段区域，选取合适的肩部端点波长，可通过肩部端点处对应波长的反射率来计算归一化差异值，建立归一化差异值与土壤水分之间的关系。归一化差异值计算方法如下：

其中，ND 为归一化差异值，无量纲，可选取适当的i 和j 波长值，建立其与土壤含水率之间关系；i 和j 分别为位于吸收波段左边和右边肩部端点处的波长；R[i]和R[j]分别为波长i 和j 对应的反射率。

2 基于近红外光谱特性的土壤水分测量仪器

近红外光谱仪器一般由光源、分光系统、测样部件、检测器以及数据处理五部分构成。根据光的分光形式，近红外光谱仪可以分为滤光片型、光栅扫描型、固定光路多通道检测、傅里叶变换以及声光调谐等几种类型[19]。

滤光片型光谱仪可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式，固定滤光片型光谱仪是光谱仪器最早的设计形式，设计简单，成本较低，光通量大，坚固耐用，但该测量仪器只能在单一的波长下测定，所以适用范围小[20]。光栅扫描型光谱测量仪器可以进行全谱扫描，分辨率较高，但该仪器抗震性较差，且光栅的机械轴长时间使用容易造成磨损，从而影响波长的精度。固定光路多通道检测近红外光谱仪的检测器对所有波长的单色光同时检测，可在瞬间完成几十次甚至上百次的扫描累加，获得较高的信噪比和灵敏度，另外，仪器内无移动性部件，其使用的耐久性和可靠性得到保障[21]。傅利叶变换近红外光谱仪器的扫描速度快、波长精度高、分辨率较好，且仪器的信噪比和测定灵敏度较高，但由于干涉仪中有移动性部件，测量时对工作环境稳定性要求高[22]。声光调谐近红外光谱仪器采用具有较高的声光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体制成分光器件，具有测量速度快、精准度较高、能够长时间稳定工作等特点[23]。

2.1 实验室商用仪器

1985 年，Kano 等人[24]设计了有两个固定滤光片、双通道检测器的土壤水分测定仪器，通过求积圆柱体和两个小窄带干涉滤光片1 800 nm 和1 940 nm 得到光谱反射强度，然后确定土壤水分含量，对于土壤含水率为5%-35%的粘壤土，测量的标准误差为1.9%。彭玉魁等人[25]采用美国Neotec 公司生产的51A 型近红外光谱分析仪对中国黄土区的土壤水分进行了分析评价，该仪器的旋转滤波系统装有6 个倾斜式滤光片，共计768 个波长点，扫描1 500-2 360 nm 近红外光谱区，分析结果表明红外光谱分析法与实验室化学分析法之间具有较高的相关性，具有快速、准确、低耗等优点。光栅扫描型仪器是近红外仪器的主流，与滤光片型仪器只能获得几个确定波长下的光谱数据不同，光栅扫描型仪器能够获取一定波长范围内的光谱图，通过化学计量学技术全谱校正和建模方法的应用，可以提取更多样品结构信息。Chang 等[26]利用光栅扫描型光谱仪对土壤样品的400-2 498 nm 波段范围进行光谱数据采集，测得土壤水分含量标准偏差为3.5%，均方根误差（RMSE）为2.0%。

孙建英等人[27]采用由美国Thermo Nicolet 公司生产的Antaris 型傅里叶变换近红外光谱仪，以中国北方潮土为研究对象对其进行土壤水分测量，该光谱测量仪配有光导纤维探头，可直接将探头插土壤中进行测定，该仪器的光谱测量范围为833-2 500 nm。采用傅里叶变换近红外光谱仪对采集的原始土样测量得到吸收光谱数据，进行相关分析后建立了土壤水分的预测模型，并为后期开发便携式土壤水分测量仪奠定基础。何挺等人[28]采用ASD Pro FR 地物光谱仪在波长为350-2 500 nm 的范围内分析了不同类型土壤的测试光谱数据，通过建立光谱与土壤含水率的定量关系以及探测土壤水分含量最为敏感的光谱特征，确定了土壤含水率与 1 450 nm 处的光谱吸收特征峰面积、位置和深度存在良好的线性回归关系。

2.2 便携式近端感应仪器

传统的商用近红外光谱仪器重量大，且体积较大，在一定环境条件下不容易接近被测样品，因此不适合用于野外现场监测。近端感应测量技术包括手持式测量系统，能够实现现场快速检测土壤特性。

从光源和探测改进方面提高仪器的便携性，Zhou 等[29]设计了一种基于LED 光源的反射式近红外土壤水分探测器，探测器由可以发出不同波段的LED 光源和光源探测器组成，可以用于野外实时监测土壤水分含量。Ben-Dor 等人[30]设计了一款手持式近红外光谱探测器，仪器首先被插入一个事先钻好的圆柱形孔中，当探测器的探头达到测试深度后，开启仪器并收集土壤的光谱数据，将收集到的土壤反射光信号通过光纤传输到数据采集系统中进行后续数据分析与处理，测量得到土壤剖面一些土壤参数。

Auer 和Bowie[31]研发了一种用于测量一定深度下土壤水分含量的仪器，能够实现土壤不受扰动且测量结果不受土壤类型和土壤质地影响。基于光谱技术，Kano 和Skaggs[24]开发了一种便携式仪器，并通过相关试验对该仪器性能进行了相关分析，但测量结果受到土壤类型以及土壤质地的影响。Hummel 等人[32]研发了一种实时的便携式光谱测量仪器，测量波长范围为400-1 700 nm，用于测量地下土壤的反射率，通过分析反射光谱确定土壤水分等相关土壤参数。

一些学者设计了近红外传感器，将其安装在牵引机上，作为行走式土壤含水率测量系统[33]。行走式田间实时测量仪器主要通过钢柄底部的滤光片而测量获得土壤的反射数据，测量结果可以指导农田灌溉作业。

3 结论

近红外反射光谱技术是一门涉及多学科交叉融合的研究领域，包括光谱学、数学、分析化学和仪器设计等。将近红外光谱法代替传统的土壤分析方法，对土壤测试领域的发展具有重要的意义，传统土壤分析方法取样和样品制备需要消耗大量的人力和物力。近端感应技术在土壤水分测量方面具有显著的优势，但在实际应用过程中仍存在影响测试结果的限制因素，如土壤表面植被、砾石、土壤盐分、土壤颜色和质地等，针对目前近红外反射光谱技术国内外的研究进展，提出以下几方面的展望建议。

3.1 模型发展

近红外光谱法对土壤水分的准确测量要依靠预测模型，因此必须应用化学计量学技术建模，从模型中找出相关的信息。因为样品的类型不同，要使样品的物理和化学特性包含在校正模型中，就必须应用不同的校正模型。目前，通用预测模型满足所有类型土壤水分的测量还难以实现，未来也是一个突破点和研究方向。

3.2 光谱数据库建设

土壤光谱学已经经历了将近30 年的发展历程，大量的研究论文和重要的研究结果已经在过去20 年时间得到公布并成功应用于各个生产领域。很明显，这项技术在土壤分析领域具有广阔的应用前景，为了更好的理解土壤光谱学中土壤可变性和复杂性，需要对土壤和光之间的相互作用关系有一个更加深刻的研究，揭示土壤反射和吸收的物理基础。未来，通过大量的数据收集和研究，建立全国土壤光谱数据库，进一步支撑我国土壤基础学科的发展。

3.3 先进仪器技术

目前，商用光谱仪器和先进的近端感应传感技术在土壤领域得到了广泛的应用，但是，受测量样品、环境、光谱采集分辨率的影响，光谱反射技术在土壤领域的应用发展缓慢，目前的仪器只是在实验室内应用，而且价格昂贵。能够直接用在田间，针对性强，便携式的近端感应设备还比较少，因此，便携近红外土壤分析仪将是未来近红外光谱技术的发展方向。