便携式地物光谱仪土壤测试

一、为什么用地物光谱仪对地物进行测试?

对于地物的测试，传统的方法有化学法等。随着光谱学的发展，现在可以运用光谱法去对地物进行测试，获取地物自身的信息。无论是植被、土壤、水体还是人工地物都具有其自身特征的光谱反射率，我们可以通过地物光谱仪去测试地物的光谱反射率，有些地物信息是可以直接通过地物光谱测量去获取，除此之外地物光谱测量也能辅助一些化学法或者其他方法去对地物做研究。

地物光谱特征

每种地物的自身特性都不一样，有些地物会吸收掉大部分的太阳光，而有些会将大部分太阳光反射出去，这种地物的反射率比较高，有一些能被部分太阳光透过，这些地物都具有不一样的反射光谱。所谓光谱学，就是研究一定波长的电磁波在液体，固体和气体这三种介质中经过反射，辐射，散射以及吸收作用的学科。研究地物光谱特征主要就是研究其反射光谱，知道地物的光谱吸收段并通过吸收段的光谱响应来获取反演地物的材料，状态等等。光谱范围能否包括我们测试地物需要提取的特征点获取信息的光谱吸收段，是我们能否顺利研究获取地物信息的关键，所以我们首先需要知道光谱范围，还需要看其光谱分辨率，光谱带宽以及信噪比。相邻的两个通道的中心波长的波长间隔就是光谱分辨率，这个波长间距对被测地物的局部特征反映有影响，采样间隔越小，就越能反映被测地物的局部吸收。

光谱带宽是指光谱仪内一个光谱通道的宽度，带宽的宽窄直接影响了地物测量的精确性，带宽太宽，就会导致我们需要提取的特征点丢失，测量精度低，带宽越窄，就不容易损失有用的信息，在邻近的谱段能测到的波谱样本越多，对地物的测量就越精确，有利于数据处理分析。信噪比是传感器的信号功率(SP)和噪声功率(NP)之比，它取决于探测器的敏感度、光谱宽度、被测量物表面反射和发射光的强度，当信噪比低的时候，噪声功率的占比就会比较高，对地物的信号探索反演有很大的干扰;当信噪比高时，就能更准确的去获取地物的光谱信息。

除了植被、土壤等典型的地物光谱，人们还开始研究一些人工地物的光谱特征，比如迷彩服的绿色与植被的绿色的区别。而且根据这些需要，也建立起越来越精确且多样的地物光谱库，为高光谱影像分类和匹配做准备。

2.1 典型地物光谱特征

大量的光谱波段提供了不同且极其丰富的地物遥感信息，直接基于地物的吸收谱线的分析，是辨别地物类型，获取地物性质的最基本也是最有效的方法，因为不同类型的地物具有不同特征的吸收谱线。表2-1列出了波段范围内的一些显著的地物光谱特征。

表2-1不同波段区间的光谱吸收特征

不同的地物在不同的波段内响应都不同，沥青、水泥地以及其他的一些人工地物在可见光范围内的光谱反射率随着波长增加而增加;各种类型的植被光谱反射率曲线在不同波段都有以下几种特点：在可见光区内植物光谱反射率会有一个极大值和一个最小值，分别在550到560nm之间和650到680nm之间，而且在近红外(730-1000nm)光谱区有一段较平缓和比较高的反射率;本次测量将会测量几种不同的植被，并且根据获取的光谱信息对植被进行不同的分析。

2.2 土壤地物光谱特征

土壤矿物主要包括石英、云母、长石、氧化物等。影响土壤光谱特性变化的因素包括矿物(原生矿物和次生矿物)，土壤含水量，土壤有机物(胡敏酸和富里酸的腐殖质类型是主要的有机质)，土壤的质地和颗粒度等。

在自然状态下，土壤表面的反射曲线呈比较平滑的特征，没有明显的反射峰和吸收谷。

在干燥条件下，土壤的波谱特征主要与成土矿物(原生矿物和次生矿物)和土壤有机质有关。

土壤含水量增加，土壤的反射率就会下降，在水的各个吸收带(1.4μm、1.9μm、2.7μm处附近区间)，反射率的下降尤为明显。

图2.2 土壤反射光谱特征

土壤的光谱特征包括可见光波段、近红外波段、中红外波段和热红外波段。在可见光波段，土壤通常呈现出不同的颜色，反映土壤的含水量、有机质含量、粗细度等信息。在近红外波段，土壤的吸收谱线通常在800-1100 nm之间，与土壤中的有机质和矿物质有关。在中红外波段，土壤的吸收谱线通常在1800-2400 nm之间，与土壤中的水分、有机质、铁氧化物、氢氧化物等有关。在热红外波段，土壤的发射谱线通常在8000-14000 nm之间，可以反映土壤的温度、含水量、质地等信息。

土壤的光谱反射率主要在可见光谱段显示颜色(400-700 nm)。在近红外(NIR)波段(700-1300 nm)和中红外(MIR)波段(1300-2500 nm)，土壤的反射率通常很高，但在特定波段会出现明显的吸收带。土壤吸收带通常出现在以下波长范围内：

1. 1450-1500 nm处有一个明显的吸收带，与水合铝和铁结合有机物(如腐殖酸和孢子酸)的存在有关。

2. 1900-2200 nm处有一个比较宽的吸收带，由水分、羟基等所致。

3. 2300-2400 nm处的吸收带由硝酸盐所致。

4. 4000-4200 nm区域，由土壤有机质和粘土矿物质的反应所致。

5. 热红外波段(8000-14000 nm)也有吸收带，由土壤温度和含水量的影响。

总之，土壤吸收带的出现是由于土壤中的特定化学成分吸收特定波长的电磁辐射而导致的。不同波段吸收带的存在可以提供土壤化学成分和结构的信息。

三、地物光谱特征的数据获取

环境因素、仪器参数灵敏度、采集的方法、地物本身特性等各种因素都会影响我们野外地物光谱测量的结果，所以我们在测量前需要根据被测的地物和人物指定相应的测试方案，尽可能规避所有对所测结果产生影响的各种干扰因素，尽可能保证所得的光谱数据能够真实体现出地物本身的光谱特性，并且记录当时使用的仪器参数，测量条件以及被测地物的信息。这样测量出来的数据才具有可靠性，为之后的数据反演和光谱库建立提供依据成。

图3.3iSpecField-WNIR-HRs便携式地物光谱仪

4.2数据分析

图4-2为测试的五种土壤的光谱反射率经过平均、平滑处理后的反射率对比图，由图可看出1号样品的反射率相对于其他样品偏高，五种样品的反射率随着波长的增加而增加。

图4-2五种土壤反射率图

五种土壤在1100nm、2200nm有水分、羟基等所致的水吸收带，且反射率升高，有研究表明，在低水平含水量范围内随着含水量的增加，反射率降低;在高水平范围内随着含水量的增加，反射率也升高。这一现象可以解释为：当自由水较多，土壤含水量达到或超过田间持水量时，水分形成的薄膜有较强的镜面反射。所以出现土壤反射率随着土壤含水量增加而增加的现象。而当土壤含水量低于田间持水量时，入射光在射入颗粒表面以及从颗粒表面反射出时，附着于土壤颗粒上的水主要起吸收作用。由此可认为五种土壤的含水量都处于高水平范围内。样品在2300nm~2400nm波段也存在个较宽但不明显的吸收带，这可能是由硝酸盐所导致的。

五、总结

研究土壤反射率能够定性、定量的分析土壤的含水量、质地等等，因此研究土壤光谱反射率有以下几方面的意义：

1. 土壤质量评估：通过对土壤光谱反射率的分析，可以了解土壤中不同波长范围内的反射率变化，进而了解土壤质量、土地利用状况等信息

2. 农业生产：对于精准农业生产，土壤光谱反射率是一个极为重要的指标。通过对土壤光谱反射率的研究，可以了解农作物生长过程中土壤的物理、化学特性等因素，并以此为农业生产决策提供数据支持。

3. 土地资源开发：通过对土壤光谱反射率的研究，可以为土地资源开发提供科学依据。例如，在进行化矿勘探等工作时，可以通过地面和空中的光谱数据快速找到有可能存在矿产资源的区域。

4. 环境监测：土壤光谱反射率的研究也有助于环境监测。例如，可以通过对土壤光谱反射率的分析来了解土壤中污染物的种类和分布情况，提高环境监测的精度和效率。

总之，研究土壤光谱反射率有助于人们更全面、准确地了解土地、农业、环境等方面的情况，为科学决策提供有力支持。

推荐：

地物光谱仪iSpecField-HH/NIR/WNIR

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审核编辑 黄宇