第六章 土壤遥感

内容提要
6.1 土壤波谱特征及其变化规律
6.1.1 土壤的反射光谱特征 6.1.2 土壤的热红外辐射特征 6.1.3 土壤的微波辐射与散射特征
6.2 土壤遥感数据分析
6.2.1 多元统计分析 6.2.2 主成分分析 6.2.3 光谱混合分解模型
6.3 土壤遥感分析
6.3.1 土壤类型的遥感分析 6.3.2 土壤侵蚀调查与监测 6.3.3 土壤水分监测与干旱灾害预测
(2) 土壤矿物成分对土壤光谱的影响
土壤矿物质基本来自岩石风化形成的成土母质， 对土壤的形成与土壤肥力的发展有重要影响。
可见光区的光谱主要由土壤成分中的Fe3+和Fe2+ 引起。
Fe2+吸收波长位于0.43、0.45、0.51、0.55和 1.0——1.1um
Fe3+吸收波长位于0.40、0.45、0.49、0.70、 0.87um
在含量0. 5%～ 5% 时, 估测精度较高。 可见光和近红外是土壤有机质分类的最重要波段。
(4) 土壤物理属性的影响
物理属性包括：颜色、质地、结构、干湿度、孔隙 度等。
A. 土壤质地的影响
土壤质地影响反射率的原因：
影响土壤蓄水能力，较大颗粒之间能容纳更多的空气和 水；
土壤颗粒大小对土壤反射率有显著影响，颗粒越小，彼 此的结合越紧密，土壤表面越光滑，反射率越大。
在土壤光谱曲线中，
1.45um和1.95um两个波段处有两个强吸收谷； 在0.97um、1.2um与1.77um处有三个弱吸收谷
总体讲：
随着土壤含水量的提高，任意波长的反射率均会 降低，而且其差异随波长的增加而加大；
但当土壤含水量超过田间持水量时，由于土壤表 面膜水层形成镜面反射，反而会提高反射率。 因此, 尽可能应用近红外波段来估计土壤水分含量。
但是，土壤质地对反射光谱的影响不仅与不同粒径组合 及表面状况(糙度和阴影) 有关, 而且与不同粒径的化学 组成也密切相关。
因此, 不能笼统地说, 土壤颗粒越细, 反射率越高。因为 当颗粒细至黏粒时, 土壤持水能力增加, 反而会降低反 射率。
即不同粒径土壤的光谱差异随波长的增加而变大, 波长由2.2um增大到2.65um时，土壤对太阳辐射 的吸收至少增加14.6%。
可用2.2～ 2.65um 光谱段来区别土壤质地差异。
利用土壤黏粒在常温下风干后依然能吸附水分的 持水特性, 可以应用反射光谱1 .9um 处水分吸收 峰的强弱来估计土壤中黏粒含量的多少。
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土壤波谱特征及其变化规律
1. 反射光谱特征 土 壤是岩矿的风化产物，因而土壤和岩矿的光
谱反射特性在整体上基本一致：即反射率从可见 光的短波段起随波长的增加而逐渐抬升。
土壤是岩矿经历不同的风化过程，又是在不同的 生物气候因子和人类长期耕作活动的共同作用下 形成的，因此，土壤类别是多种多样的，其光谱 反射特性也必然相应 地发生许多变化。
(1) 土壤水分含量对土壤光谱的影响
土壤水分：来源于大气降水、地下水、灌溉水和大气凝结水； 损耗于土壤蒸发、植物吸收、植物蒸腾和水的渗漏与径流
土壤水分即土壤湿度。一般情况下，土壤水分含量与反射率 呈反比，甚至可以认为土壤水分含量与反射率之间在一定范 围内呈线性关系。
一般含水量在10%～ 25% , 反射率变化显著。 而持水性差的土壤, 其灵敏度范围可能小于10%。
氧化铁含量对土壤光谱的影响
土壤中的部分含铁矿物被风化为铁的氧化物，如 针铁矿、赤铁矿、褐铁矿，它们均以胶体状态覆 于土壤颗粒表面。
土壤在可见光波段的许多吸收特征都是铁氧化物 引起，铁氧化物的存在导致土壤在整个波段范围 的反射率下降。
由于土壤中铁大量存在，几乎所有土壤的光谱反 射率都朝着蓝波段方向下降，这种下降甚至可扩 展至紫外。
通常颜色愈深的土壤, 其光谱反射率 愈低,而其相对肥力则愈高。
沙土 里有 机质 含量 的差 异
有两个光谱特征指标比较有机质含量的高低:
其一是0.4～ 1.1um (特别是620～ 660 nm )平均反 射率的高低。有机质含量越高, 反射率越低;
其二是光谱曲线在0.6um 处的形态, 即0.6um 处光 谱曲线的“弓曲差”的大小。有机质含量越 高,“弓曲差”越小, 曲线越平直。反之亦然。
按土壤光谱曲线在可见光至近红外区的整体形态 与斜率变化情况看，可归纳为平直型、缓斜型、 陡坎型和波浪型四大类。
2. 土壤反射光谱特征的影响因素
土壤是一种极其复杂的多孔体系，由不同含量的 矿物质、水分、气体和土壤有机质组成。
土壤反射率由土壤的组成成分及其结构的内在的 散射和吸收性质决定。
土壤反射光谱受土壤地球化学（矿物成分、湿度 、有机质、氧化铁含量、土壤结壳等），几何光 学散射（几何、照明、微粒形状、大小、方位、 粗糙度）以及外部环境（气候、风化程度、植被 覆盖度、落叶）等因素的影响。
总体来说， 氧化铁会导 致可见光红 波段
(0.6~0.7μm) 的反射率上 升，近红外 波段
(0.85~0.9μm )反射率的下 降
(3) 土壤有机质含量对土壤光谱的影响
就同一类型的土壤而言, 有机质含量的高低 与土壤颜色的深浅有直接关系。
有机质含量高时, 土壤呈深褐色至黑色; 有机质含量低时土壤呈浅褐色至灰色。
遥感地学分析
Geography Analysis for Remote Sensing
第6章 土壤遥感
土壤遥感是应用遥感手段研究土壤科学的技术。
土壤遥感能对某些土壤性状、水分含量、养分供应 状况以及能对土壤盐渍化、沼泽化、风沙化、水土 流失、土壤污染等变化进行动态监测，为合理开发 、利用与管理土壤资源及时提供科学数据。
土壤组分的影响
土壤由固相（矿物质：原生矿物和次生矿物；有 机质：有机氮、脂肪、碳水化合物、糖类等）， 液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）三 相物质有机组成。
按容积计，矿物质占38-45%，有机质占5-12%，孔 隙约占50%；
按重量计，矿物质的固相占90%以上，有机质占110%
对土壤光谱影响较大的组分包括土壤水分、有机 质、氧化铁。