土壤表层有机质空间分析的遥感技术应用综述_张莉娜

土壤有机质（ Soil Organic Matter，SOM） 是陆地生态系 统的动态组成部分，参与大气圈和生物圈 2 个碳库之间的 循环，对全球范围内生态环境的稳定有重要意义。土壤有 机质也是土 壤 的 重 要 组 成 部 分，是 土 壤 肥 力 的 核 心 指 标 之一［1 － 3］。
土壤作为一个连续体，土壤有机质空间分布呈现异质 性。土壤有机质含量的多少及其时空分布特征为气候、母 质、地形、生 物 和 时 间 以 及 人 类 活 动 等 因 素 综 合 影 响 所 致［4］。利用普查和实地测量取样、借助地统计学等数学理 论估测土壤有机质时空分布特征的方法存在缺陷，一方面 大尺度的实地观测耗费大量的人力、物力，随机性增加，准 确性难以保证，区域甚至全球尺度下的研究实现困难； 另 一方面，研究的周期长，实时性差，不能实现一个动态的连 续性观测研究［5 － 10］。遥感（ Remote Sensing） 作为一门新兴 的综合性探测技术科学，与地理信息系统（ Geographic In-
1 基于遥感影像估算土壤有ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ质
土壤颜色的深浅实际上是土壤对可见光波段反射能 力的体现，一般土壤有机质含量越高，反射能力越差，人眼
作者简介： 张莉娜（ 1976 － ） ，女，硕士研究生，主要从事水环境监测研究。 收稿日期： 2010 － 07 － 28
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张莉娜 土壤表层有机质空间分析的遥感技术应用综述
formation System） 、全球定位系统（ Global Position System） 结合形成“3 S ”技 术，在 空 间 分 析 方 面 取 得 了 不 可 替 代 的 地位［11 － 13］。20 世纪 70 年代，遥感技术在土壤调查中广泛 应用起来，与传统的地面土壤调查相比，遥感可在短时间 内对同一地 区 实 施 重 复 观 测 记 录，获 得 大 面 积 的 观 测 数 据。遥感观测的电磁波数据包含了大量的地面信息，可以 综合反映地貌、土壤、植被等特征［14 － 16］，也包括土壤有机 质含量［10］。利用遥感影像监测土壤有机质空间分布及其 动态变化具有观测区域面积广、费用低、准确性高和实时 性强等优点，能 为 区 域 的 土 壤 表 层 有 机 碳 储 量 及 动 态 变 化、时空变异 性 研 究 提 供 准 确 可 靠 和 快 速 有 效 的 基 础 资 料，极具现实意义。
当前，利用遥感影像直接获得土壤有机质空间分布格 局成为土壤有机质空间分析研究的一个热点。国内外许 多学者在不同地域、不同尺度和多种土壤类型上运用遥感 影像直接估算法反演土壤有机质空间格局做了一些研究。 利用航空影像的红、绿、蓝波段的像素值与土壤有机质含 量的统计关系建立了预测模型［11 － 12］； 利用 Landsat TM 影 像中 TM 5 波段较好的实现了对黑龙江黑土表层土壤有机 碳空间分布格局的预测［13］； 利用机载高光谱传感器记录 的土壤可见光 － 近红外 － 中红外波段光谱数据估算了区 域的土壤有机质含量和分布状况［14 ； － 17］ 利用高光谱卫星 遥感影像对澳大利亚新南威尔士州西北部的 Narrabri 地 区的变性土土壤有机质含量进行了估算，认为高光谱卫星 遥感影像在反演区域土壤有机质含量方面有优势和潜力， 该方法将成为实现土壤数字化的有力手段［18］。尽管以上 研究使用的遥感影像记录的光谱波段、空间分辨率会有所 不同，但得到的结果都表明裸露地表的遥感影像直接估算 法可根据可见光和近红外光谱遥感影像定量分析土壤有 机质含量及其时空分布特征。遥感影像直接估算法实施 过程简便、准确性比较可靠，应用性强，在区域土壤有机质 空间分析中具有很好的发展前景，但该方法只能局限于裸 露土壤的观测，且遥感影像的成像质量受大气作用影响， 需要进行大气和辐射修正，另外，土壤表面特征（ 表面粗糙 度、土壤质地等） 、土壤水分含量、铁氧化和物等也会影响 土壤有机质的遥感影像信息的准确性。 1. 2 间接（ 植被指数、水分等） 测定法 在目前遥感技术 手段下，有植被覆盖的土地土壤特性一般不能直接使用卫 星或航空影像记录的数据来分析。然而不同特征的土壤 条件下（ 如 SOM） ，生长在其上的植被状态、土壤含水量等
图 1 基于遥感影像的土壤有机质估算
1. 3 高光谱技术土壤有机质测定 土壤反射光谱包含丰 富的 土 壤 信 息，可 以 从 中 获 得 土 壤 质 地、机 械 组 成、有 机 质、氧化铁和土壤水分等有价值信息，其中，土壤有机质在 可见光 － 近红外 － 短波红外区域的光谱特性与其含量密 切相关。通常情况下，一定尺度范围内，土壤光谱反射率
参数会产生相应的差异性，大多数遥感传感器可以记录这 些参数的差异性［19 － 20］，因此，利用遥感影像相关遥感指数 推算植被状态、土壤含水量等土壤有机质替代指数，从而 建立土壤有机质 含 量 的 相 关 模 型，可 获 得 遥 感 观 测 区 域 内的土壤有机质信息［21］（ 图 1） 。主要的相关遥感植被指 数见表 1。
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睛接收到的土壤反射可见光就越少，土壤颜色越深。研究 者曾就土壤可见光反射光谱特征与土壤有机质含量的相 关关系做了进一步的研究，利用土壤反射光谱特征来区分 土壤，并研制 土 壤 光 谱 感 应 器［10］。 随 着 物 理 学 和 光 学 的 发展，基于多光谱或高光谱遥感记录的光谱特征比简单的 可见光光谱反映的土壤信息要多，多光谱或高光谱感应器 在遥感观测中的应用，丰富了土壤有机质空间分析研究的 方法手段。目前，根据遥感观测地表状况和具体实施过程 的不同，利用遥感技术研究土壤有机质时空分布特征的主 要方法有： 遥感影像的直接估算法和间接（ 植被指数、水分 等） 测定法，具体实施过程见图 1。其中基于高光谱的土 壤有机质测定是目前研究热点和发展趋势。 1. 1 遥感影像的直接估算法 此方法的原理在于土壤有 机质含量不同，其光谱反射率不同，遥感影像上的感应器 记录的反射光谱特征即为土壤有机质含量的差异性体现， 通过遥感影像光谱特征与实地取样测量土壤有机质数据 的相关性计算和检验、模型的拟合与验证，直接反演获得 遥感观测区域的土壤有机质空间分布格局（ 图 1） 。
文献标识码 A
文章编号 1007 － 7731（ 2010） 17 － 188 － 04
Review on Spatial Analysis of Surface Soil Organic Matter Using Remote Sensing Technique
Zhang Lina （ Shengyang Environmental Monitoring Center，Shenyang 110016，China） Abstract： Soil organic matter has great significance in ecosystem． Aided by remote sensing approach，we can characterize and quantify the spatial distribution and dynamic change of soil organic matter． It helps humans to take reasonable activities in order to maintain the consistency of environment． Spatial analysis of soil organic matter based on remote sensing technique can measure area in large scale and have high accuracy and better real － time，however，the cost may be very low so that it can be widely applied and benefit most． The development of remote sensing technique and image interpreter methods also ensure its great potential in the promising application． This paper reviewed the primary principles and approaches to investigate the spatial distribution and dynamic changes of soil organic matter using the remote sensing technique． Based on the existing researches，problems are proposed to be resolved． Meanwhile，in view of the current and future development of remote sensing technique，a promising perspective is made on applying remote sensing technique in spatial analysis of soil organic matter． Key words： Remote sensing； Soil organic matter； Spatial analysis
面积广、费用低、准确性高和实时性强等优点，遥感技术及图像解译技术的发展也使得此方法潜力巨大。综述了利用
遥感技术监测土壤有机质空间分布及其动态的原理、主要方法及存在的一些问题，并结合目前和未来遥感技术发展
趋势展望了遥感技术在土壤有机质空间分析中的应用前景。
关键词： 遥感； 土壤有机质； 空间分析
中图分类号 S153． 6 + 21
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安徽农学通报，Anhui Agri. Sci. Bull. 2010，16（ 17）
土壤表层有机质空间分析的遥感技术应用综述
张莉娜
（ 沈阳市环境监测中心站，辽宁沈阳 110016）
摘 要： 土壤有机质在生态系统中意义重大。借助遥感技术手段能了解和量化土壤有机质的空间分布特征和动态变
化，有助于人们采取合理的生产活动以实现环境的可持续利用。基于遥感技术的土壤有机质空间分析具有观测区域
Levine 等在美国缅因州国际纸业集团的北方森林实 验站开展了 类 似 研 究，进 行 了 深 入 的 野 外 采 样 和 实 验 工 作，测试并开发了归一化差异植被指数 NDVI 与土壤有机 碳间的相关模型［22］； 连纲等借助 Landsat 7 ETM + 的遥感 影像分析了土壤有机质含量与地形指数、土壤调节植被指 数（ MSAVI） 相关性，但基于多元线性逐步回归分析模型的 预测结果不甚理想［23］； Puzachenko 等利用气象资料和归 一化差异植被指数（ NDVI） 分析，认为全球尺度上土壤有 机碳储量与水热供应、水热之间的关系以及生物生产力相 关［24］； Takata 等利用基于 MODIS 的中高分辨率遥感影像 记录的地形信息和增强植被指数（ EVI） 进行了土壤有机 质空间估计和动态监测，并对其动态变化的影响因素做了 定量分析［25 ； － 26］ Verhulst 等利用手持土壤反射光谱测定设 备采集的归一化差值植被指数（ NDVI） 评价了土壤有机质 的空间变异 性 和 对 作 物 产 量 上 的 相 应 影 响［27］。 实 际 上， 一切其它可以控制土壤有机质含量的因素都可通过遥感 技术间接测量土壤有机质空间分布状况及动态变化，此方 法手段中比较成熟的有归一化差异植被指数（ NDVI） 与土 壤有机质之间的关系模型，但目前也只是集中在小区域， 尚未广泛应用到更大的区域尺度，因此需要更多的地域和 尺度的研究来验证，并且采取各种数学手段不断完善预测 模型。