去除土壤水分对高光谱估算土壤有机质含量的影响

行 了实证 ， 为完善野外原位获取 Ｓ Ｏ ＭＣ信息技术 提供理论基础 。
关键词 土壤 有机 质 ； 高光谱 ；土壤含水率 ； 外部参数正交化法 ；江汉平原
中 图分 类 号 ： Ｓ １ ２ ７ ； Ｔ Ｐ ７ ９ 文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ７ — ２ １ ４ ６ — ０ ６
升高光谱估算 Ｓ ＯＭＣ模型 的精度 。 外部 参 数 正 交 化 法 （ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｅ Ｐ Ｏ） 在去除外部环境参数方 面效果 显著 ，为消 除土壤 水分的影响提供 了新途径 。Ｅ Ｐ Ｏ算 法首先确定受土壤水分影
产生影响 。因此 ， 去除 土壤水分 对高光 谱 的影响 ，有 助于提
引 言
土壤有机质含 量（ ｓ ｏ ｉ ｌ ｏ ｒ ｇ ａ ｎ ｉ ｃ ｍａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ， Ｓ ＯＭＣ ） 的 高 低 是 衡 量 土 壤 肥 力 的 重 要 指 标 ，快 速 、准 确 地 监 测 Ｓ ＯＭＣ
响的光谱 区域 ， 再 将所有的光谱投影到 与受 土壤水 分影响 相
正交的空间上 ， 从 而 实 现 这 一 影 响 因素 的去 除［ ５ 。 ］ 。 另 外 ，室
内土壤光谱测试环境 （ 水分 、 粒径 等因素） 较 室外环境 影响 条 件容易控制 ，采用 高光 谱技 术估 算 Ｓ Ｏ ＭＣ可 以获 得较 为 理 想准确 的估算精度 ，而且观测结果具有 良好 的稳定性 和可 重 复性 ，这为基于 Ｅ Ｐ Ｏ算法去 除土壤 水分对高 光谱 的干扰 提 供了 良好的实验设计基础 。 采集江汉平原潜江市 的潮 土样本 ， 通过 在室 内模 拟野外 土壤水 分环境参数 的影响 ，设计并实施人工 加湿土壤 样本实 验， 共获取 ６ 个不 同土壤 含水率水平 的高光 谱数 据 ， 分 析土
工加湿土样 ， 分别获取 ６ 个 Ｓ ＭＣ水平 的土壤高 光谱 数据 ，采 用标 准正态 变换 （ Ｓ Ｎ Ｖ） 对 光谱 数据 进行 预处 理 ，基于外部参数正交化法 （ Ｅ Ｐ ０） 去除 土壤水分 对高光谱 的影响 ，利用偏最 小二乘方 法 （ Ｐ Ｌ Ｓ Ｒ） 建立并 对 比 Ｅ Ｐ Ｏ处理前 、后不 同 Ｓ ＭＣ水平 Ｓ Ｏ ＭＣ反 演模 型。结果 表 明 ， 土壤 水分对 Ｖｉ ｓ — ＮＩ Ｒ光谱 反射 率有 显著 的影 响，掩盖 了 Ｓ ＯＭＣ的光谱吸收特征 ；Ｅ Ｐ Ｏ处理前不 同 Ｓ ＭＣ水 平 的光 谱 曲线之 间的差异 较为 明显 ，而 Ｅ Ｐ Ｏ 处理后 的各 Ｓ ＭＣ水平 的光谱 曲线形态基本相似 ； 采用 Ｅ Ｐ Ｏ处理后 的土壤 高光谱 数据建立 Ｓ ＯＭＣ估算模 型 ， 预测集 的 Ｒ ， Ｒ Ｐ Ｄ分别为 ０ ． ８ ４和 ２ ． ５ ０ ， 其精度 与 Ｅ Ｐ Ｏ处 理前所建模型相 比有较大提 升 ， 表明 Ｅ Ｐ Ｏ算法可 以有效去 除土壤水 分的影响 ， 从 而提升 Ｓ Ｏ ＭＣ的估算 精度 。对定 向去 除外部环境 参数对 土壤高 光谱影 响进
第３ ７ 卷， 第７ 期
２ ０ １ ７年 ７月
光
谱
学
与Biblioteka Baidu
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谱
分
析
Ｖｄ ３ ７ ． Ｎｏ ． ７ ． ｐ ｐ ２ １ ４ ６ — ２ １ ５ １
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
摘
要
土壤 高光谱技 术 具有 方便 快捷 、 无 破 坏 、成本 低 等优 点 ，已被广 泛 应用 于估 算 土壤 有 机 质含 量
（ Ｓ ＯＭＣ ） 。然而 ，野外 测量的土壤高光谱数据 因受外部 环境 因素（ 土壤湿度 、温度 、表面 粗糙度 等） 干扰 ，导
致Ｓ ＯＭＣ估算模型适用性有待 提升 。 土壤含水率 （ Ｓ ＭＣ ） 是 影响 野外测量 高光谱 的最 主要 的障碍 因素之一 ， 它 的变化严重影 响可见一 近红外 （ Ｖｉ ｓ — ＮＩ Ｒ） 光谱反射率 的观测结果 。因此 ，消除 Ｓ ＭＣ对高光谱 数据 的干扰是 提高土壤 高光谱估 算 Ｓ Ｏ ＭＣ模 型预测精度的关键环节 。以江汉 平原潜江 市潮土样 本为研究 对象 ，在室 内人
对于耕地质量评价 、精准农业可 持续发 展、土壤数 字化制 图
具有重要 意义 ［ １ ］ 。近年 来 ，近地 土壤 高 光谱 技术 凭借 方便 快捷 、无破 坏 、大面积 、信 息量大 等优点 ，已逐渐成 为 田问 土壤肥力关键参数 实时动态监测的重要技术手段 ＿ ３ ］ 。 然而在野外进行 土壤光谱测量 ， 无论 是采用静 态原位 还 是实时动态 的监测方法都 会受 到许多外 部环 境参数 （ 土壤含 水量 、 表 面粗糙度 、 土壤质地 、室外温度 等 因素 ） 的影 响 ， 导 致估 算模 型 适 用性 较 差 。其 中，土壤 含 水量 （ ｓ ｏ ｉ ｌ ｍｏ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ
Ｊ ｕ ｌ ｙ，２ ０ １ ７
去 除 土壤 水 分对 高光 谱 估 算 土壤 有 机质 含 量 的影 响
于 雷Ｌ ， 洪永胜 ， 朱亚 星 ， 黄 鹏 ， 何 琦 ， Ｑ Ｉ Ｆ ｅ ｎ ｇ 。
１ ．华 中师范大学地理过程分析与模拟湖北省重点实验室 ，湖北 武汉 ２ ．华 中师范大学城市与环境科学学院 ，湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ９ ４ ３ ０ ０ ７ ９
３ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｓ ｕ ｓ ｔ ａ ｉ ｎ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｋｅ ａ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ，Ｎｅ ｗ Ｊ ｅ ｒ ｓ ｅ ｙ ０ ７ ０ ８ ３ ， ＵＳ Ａ