黑土有机质含量野外高光谱预测模型

参 考 文献
Ｍａｌｌｅｙ Ｄ Ｆ，Ｙｅａｍｉｎ Ｉ，，Ｗｒａｙ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｍｍｕｎ．ＳＯｌｌ Ｓｃｉ．Ｐｌａｎｔ Ａｎａｌ．。１９９９。３０：９９９．
Ｃｏｚｚｏｌｉｎｏ Ｄ，Ｍｏｒｏ’ｎ八Ｊ．Ａｇｒｉｃ．Ｓｃｉ．，２００３，１４０：６５． Ｍａｌｅｋｉ Ｍ Ｒ，Ｖａｎ Ｈｏｌｍ Ｌ，Ｒａｍｏｎ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，９５（３）：４２５． Ｈｅ Ｙ，Ｈｕａｎｇ Ｍ，Ｇａｒｃｉａ Ａ，ｅｔ ａＬ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００７，５８（２）：１４４．
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－４
—２
Ｆｉｇ．３
Ｄｃｒｉｔａｔｉｖｅ ｏｆ ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ
Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ＯＭ
类［１引。黑土反射光谱曲线属于有机质控制类型。本文的研究 表明有机质是影响黑土反射光谱特征的决定因素，不同黑土 的反射光谱特征的差异主要集中在小于１ １００ ｒｉｍ的波谱范 围，这与笔者基于黑土实验窜光谱反射率的分析结果一致。 而我国红壤和潮土在小于１ ０００ ｎｍ范围内反射光谱曲线形 状复杂，存在多个波峰、波谷；与其相比，黑土反射光谱曲 线比较平滑、近似直线，呈下凹形状，只在９４０ ａｎ３附近有一 个微弱的水分吸收带。这足由于黑土有机质含量较高决定 的，进一步证明了有机质对黑土反射光谱特征的决定作用。
第３０卷，第１２期 ２ ０ １ ０年１ ２月
光谱学与光谱分析 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖ０１．３０，Ｎｏ．１２。ｐｐ３３５５—３３５８ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１０
黑土有机质含量野外高光谱预测模型
刘焕军１’２，张新乐２，郑树峰¨，汤 娜２，胡言亮２
１．农业部资源遥感与数字农业莺点开放实验室，北京 １０００８１ ２．东北农业大学资源与环境学院。黑龙江哈尔滨 １５００３０ ３．黑龙江人学农业资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 １５００８０
１．２光谱测试 在采集土壤样品前，利用便携式光谱仪ＡＳＤ ＦｉｅｌｄＳｐｃｃ＠
３对田间自然状态土壤进行光潜测量，共获取５９个采样点的
收稿日期：２０１０－０２—２２．修订日期：２０１０—０５—２６ 基金项目：农业部资源遥感与数字农业重点开放实验窜开放基金项目（ＲＤＡ０９０６）和国家自然科学基金项日（４０８０１１６７）资助 作者简介：刘焕军，１９８１年生。东北农业人学资源与环境学院讲师 ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｊｕｎｌｉｕ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ
与以往基于实验室风干土高光谱反射率的研究不同，本
４结论
本文以田间原状黑土野外实测高光谱反射率为研究对 象，分析了黑土反射光谱特征，并建立了黑土有机质高光谱 预测模型。得出如下结论。
（１）黑土反射光谱特征差异主要在小于１ ２５０ ｎｌＴｌ的光谱 范围，尤其是在小于１ １００ ａｍ的范围，有机质是影响黑土反 射光谱特征的决定因素。
基于土壤反射光谱特征分析，分析土壤有机质与光谱指 数之间的关系。运用相关分析、数理统计方法建立黑土有机 质高光谱预测模型。从模型的稳定性和预报能力两个方面对 模型进行枪验。模型的稳定性用决定系数Ｒ２的大小检验， 群越大，模型越稳定；模型的预报能力用总均方根差 （ＲＭＳＥ）来检验，ＲＭＳＥ越小，模型精度越高、预测能力越 好。
Ｈｅ Ｙ，Ｓｏｎｇ Ｈ Ｙ，Ｐｅｒｅｉｒａ Ａ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５，３６４４：８５９． Ａｉｃｈｉ Ｈ，Ｆｏｕａｄ Ｙ。Ｃ Ｗａｌｔｅｒ，Ｒ Ａ ｅｔ ａ１．Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，１０４（３）：４４２．
２结果与分析
现，有机质含量不同，黑土去包络曲线在大于１ ２５０ ｎｍ的光 谱范同差异较小；而小于１ ２５０ ｎｍ的光谱范同黑土去包络 曲线差异显著，尤其是在小于１ １００ ｎｌｎ的范围；随着有机质 含鼍的变化，该波谱范围内黑土反射光谱特征呈现唯／双谷 现象（６００ ｎｍ处为双符的分界）；有机质含量小于３％的黑土 去包络线在该波谱范围有明显的双吸收谷，且吸收深度一般 小于０．１；而有机质含量大于４％的黑土去包络线在该范围 表现为总体上的举吸收符特征，且吸收深度一般大于０．１５， 仉在６００ ｎｍ去包络线仍有较明显的变化。以上分析说明， 有机质是影响黑土反射光谱特征的决定因素。 ２．２有机质含量与光谱指数的相关关系
对黑土光谱反射率进ｊ｝一阶、二阶微分、倒数对数微分 计算，计算有机质含甚与黑土反射率、微分、倒数对数微分 之间的相关系数。图２为黑土有机质与反射率及ｊ￡数学变换 形式之问的相关系数。可以看出，有机质与黑土反射率的倒
数对数微分（倒对微）的相关系数最高，最高值在１ ２６０衄，
达到一ｏ．７７（Ｒ２），相关系数高的波潜范嗣为７５０～１ ２６０ ｎｍ。
２．３有机质高光谱预测模型建立与验证
基于相关分析结果，运用数理统计方法建立黑土有机质
高光谱预测模型。以１ ２６０ ｎｍ处的黑土反射率倒数对数一
阶微分为自变量、有机质含量为因变量，建立黑土有机质含
萤高光谱预测模型，见式（Ｉ）、图３。模犁决定系数Ｒ２为
０．７１，总均方根差（ＲＭＳＥ）为０．４２。说明模型稳定性强，预
光谱数据预处理：采用９点加权移动平均法对光谱曲线 进行平滑去噪处理¨”。对光谱数据以５ ｎｍ为间隔、利用高 斯模型进行光谱重采样。将重采样结果作为测试土样的实际 光谱反射率。对土壤反射光谱曲线进行微分、去包络线处 理，提取指示有机质含量的光谱指数（微分、倒数对数微分、 去包络线等光谱指数）。 １．４模型建立与验证
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更ｔ警墨＿２岛讨警ｏ ３
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研究测定了野外原状黑土的光谱反射率。分析了黑土野外反 射光谱特征；建立了黑土有机质含量高光谱预测模型，尽管 模型精度低于基于室内反射率数据得到的模型ＤＴ］，但模璎 的稳定性和预测能力均较强，能够用于黑土有机质含最的野 外速测。然而，由于土壤反射光谱特征的影响因素较多，仅 仅考虑有机质含量影响所建立的模型预测能力还受到一定的 限制，因此，在下一步工作中，需要充分考虑其他因素的综 合影响，建立引入其他理化参数的黑土有机质光谱预测模 型。
Ｌｉｕ Ｈｕａｎｊｕｎ，Ｚｈａｎｇ Ｙｕａｎｚｈｉ，Ｚｈａｎｇ Ｘｉｎｌｅ，ｅｔ ａＬ Ｐｅｄｏｓｐｈｅｒｅ，２００９，１９（４）：５３２．
Ｄ，Ｍａｌｌｅｙ Ｍａｒｔｉｎ Ｐ
Ｄ Ｆ，Ｍａｎｎｉｎｇ Ｇ，ｅｔ ａ１．Ｃａｎ．Ｊ．Ｓｏｉｌ ｓｃｉ．，２００２，８２：４１３．
Ｆｏｘ Ｇ Ａ。Ｓａｂｂａｇｈ Ｇ Ｊ．Ｓｏｉｌ Ｓ０１．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｊ．，２００２，６６：１９２２．
以一ｌ－公路，在黑龙江省北安市（南部）、海伦市（中部）、绥化 市（东部）等地黑土区采集５９个耕层（Ｏ～２０ ｃｍ）土样；同时 利用ＧＰＳ记求样点的经纬度。采用重铬酸钾容量法－夕｝加热 法测定土壤有机质含量。有机质含量描述统计量见表ｌ。
Ｔａｂｌｅ １
Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｖｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ（ｎ２－５９）
（２）与反射率及其一阶微分、去包络线等变换形式相比， 有机质与黑土反射率倒数对数微分的相关系数最高，最高值 在１ ２６０ ｎｒｎ，达到一０．７７（Ｒ２），相关系数高的波谱范围为 ７５０～１ ２６０ ｎＩＴｌ。
（３）基于黑土野外光谱反射率的有机质含量高光谱预测 模型稳定性强（Ｒ２—０．７１），预测能力较好（ＲＭＳＥ＝０．４２）， 能够用于黑土有机质含量野外速测。
为消除室内光源、测试几何结构等冈素影响，本研究以 田问原状黑土野外实测高光谱反射率为研究对象，分析黑土
有机质的光谱响应波段，提取定量光谱指标，建立基于反射 光谱特征的黑土有机质高光谱预测模趔，以期为黑土区土壤 有机质的快速测定提供技术支持。
１材料与方法
１．１土样采集与处理 ２００９年５月２２—２６日，在作物播种后、出茵前，沿县级
ｎ辱２
Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｄｅｎｔｓ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ＯＭ ａｎｄ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ Ｏｒ ｉｔｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
鹏ｌ
Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｅｏｎｔｉｎｕｍｎ ｒｅｍｏｖｅｄ ｃｉＩｒｖｅｓ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ＯＭ ｃｏｎｔｅｎｔ
关键词高光谱；有机质；黑土；反射率 中图分类号：ＴＰ７９／Ｓ１２７ 文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１０）１２—３３５５—０４
引言
土壤反射光谱特性的高光谱遥感技术可以快速提供土壤 有机质、成土母质、铁、水分、机械组成、粗糙度等信息Ｌｊ。５］。 该技术的广泛应用将为农业生产管理、卡ｉｌｆ被／土壤定量遥感 研究、土壤水土流失防治、土壤资源保护、陆地牛态系统相 关研究等上作提供准确的土壤属性时卒数据，以改进农业生 产与环境保护工作方法ｆ６引。但日前的土壤理化参数高光谱 速测模剐主要是慕于室内反射光谱数据得到的［９“］，窜内土 壤光谱获取过程中由于没有统一的方法，土壤取样和预处理 及测试过程中的一些测试条件（包括光源功率、光源距离、 光源照射角度等）的不同，增加ｒ光谱数据的不确定性，导 致不同研究问的高光谱数据不能ｊ乓享，同一研究中不同时问 测试的高光谱数据无可比性，从瓜限制土壤属性光谱预测量 化研究［１ ２‘。此外，大多研究利用实验室风干土高光潜反射率 为研究对象Ｌ１３Ｊ ４。，尽管该方法对于土壤反射光谱特征研究 具有苇要意义，彳Ｈ是所建立模型的实用性较差，难以用于野 外土壤理化参数的光谱速测。
测能力较好。
（Ｍ＝－－０．６１９ ７×［１ｎ（１厢２６０）］７＋１．２８３
（１）
其中，［１ｎ（１／印ｚ∞）］’为ｌ ２６０ ｎｍ波段黑土反射率倒数对数
一阶微分。
３讨论
比较不同有机质含量黑土反射率的去包络曲线，可以发Ｓｔｏｎｅｒ通过大量实验将室内土壤反射光谱瞌线分为五
万方数据
ห้องสมุดไป่ตู้１２期
光谱学与光谱分析
摘要以田问原状黑土野外实测高光谱反射率为研究对象，分析黑土有机质的光谱响应波段，运用光谱 分析方法提取光谱指数，建立基于反射光谱特征的黑土有机质高光谱预测模型。得出如下结论：（１）黑土反 射光谱特征差异主要在小于１ ２５０ ｎｎｌ的光谱范围，尤其是在小于ｌ １００ ｎｌｎ的范围，随着有机质含量的变 化，该波谱范围内黑土反射光谱特征呈现单／双谷现象。有机质是影响黑土反射光谱特征的决定因素。（２）有 机质与黑土反射率倒数对数微分的相关系数最高，最高值在１ ２６０ ｎｎｌ，达到一０．７７（Ｒ２），相父系数高的波谱 范围为７５０～１ ２６０ ｎｍ。（３）基于黑土野外光谱反射率的有机质含量高光谱预测模捌稳定性强，预测能力较 好，能够用于黑土有机质含量野外速测。
相关系数最高值在Ｉ ２６０啪，这是因为该点处于黑土去包络
曲线吸收谷的边缘，有机质含最高低不旧，该点黑土反射率 的变化率不同，即有机质含量与该点反射率曲线的形状特征 相关性显著。
２．１黑土野外反射光谱特征 由于黑土光谱反射率相对较低，对其进行去包络线处
理，综合分析黑土反射光谱特征。图１为不Ｍ有机质含量黑 土光谱反射率与去包络线（由于水分吸收带及大气的影响， １ ３５０ １ ４２０。ｉ ８００～１ ９２０，２ ３６０～２ ５００ ｎｍ三个波潜范围 发射率数据噪声较大，被删除）。由图可知，黑土光谱反射率 总体较低，反射光谱曲线较平滑；在４００ １ ３００ ｎｍ波谱范 围内，曲线形状下凹；一般而言，有机质含量越高，下ＩＵｌ的 程度越大；在２ １５５～２ ２８５ ａｍ范围内，由于水分吸收影响， 存在明显的吸收带，但不同土壤样品在该波段的吸收特征差 异较小；以卜特征是由黑土富含有机质且机械组成比较粘细 等特性决定的。
＊通讯联系人 ｅ－ｍａｉｌ：ｚｓｆ７４１５＠１６３．ｃｏｍ
万方数据
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光谱学与光谱分析
第３０卷
土壤反射光谱曲线。测试过程中，为消除随机噪声，每个土 壤采样点随机选择３个测试点，每个测试点测定４条光谱反 射率曲线，即每个采样点共获取１２条土壤反射率光谱曲线， 算术平均后得到该土样的实际野外光谱反射率。光谱测试 时，光纤探头与土壤表面距离为２ ｍ。 Ｉ．３光谱数据处理与分析