土壤养分遥感监测研究进展

最小二乘等其他高级 统计方 法及机器 学 习方 法也 被 广泛用 于土壤 养分 的反演¨ 。。 从 目前 看 ， 。 比较研究各种建模 方法 ， 寻求具有较高精度 的反 演模 型是很多学者努力研究 的工作 内容之一。 偏 最小二乘 和主成 分分 析是土壤 养分反 演 中常 用 的方 法 ， 预 测 能 力 也 是 比较 稳 健 的 ， 当 用 于 建 其 但
与北方潮土的全氮具有较高 的相关 系数 ， 但是与东北
黑 土 的全 氮 含量 之 间 的相关 系 数 较低 。除 此 之 外 ， 光谱 反 射 率 的二 阶 微 分 也 是 土 壤 养 分 监 ｉ 中 经 常 使 贝 ４
用 的指 标 ¨ 。
目前 的研 究 多 集 中 于 土 壤 氮 含 量 反 演 中 光 谱 指 标 的选 取 ， 这 些 指标 来 反 演 土 壤 养 分 取 得 了令 人 满 用 意 的效 果 。但 由于 所 选 择 的 光 谱 特 征 不 能 较 好 地
特 征 指 标 的选 择 、 演 方 法 、 演模 型及 其 适 用 性 等 方 面 的研 究 进 展 。 研 究 指 出 ， 反 反 随着 空 间 信 息 技 术 的发 展 ， 遥
感 技 术 在 土壤 养 分 预 测 中将 展 现 出 更广 阔 的应 用 前 景 。 土 壤 养 分 遥 感 反 演 模 型 对 环 境 、 壤 类 型 、 壤 剖 面 等 土 土
立 的土壤 全 氮 含 量 估 测 模 型 在 棉 花 的 ４个 生 育 期 都
取信息的能力 ， 为高效快速地监测土壤养分提供 了新 的技 术 手段 ＿７ 。 １’ ’ｍ 现有 的土壤养 分遥感监 测方法 都集 中在从 获取 的遥感数据 中提 取有 用 的信息 ， 对土 壤养 分进 行 反 演 ｎ ，］ ，・ 埔 。一个模 型反演是 否成 功 ， 不仅取 决 于观
反映磷 、 钾等其他 营养元 素 的变化 ， 以用这 些指标 所
构 建 的反 演 模 型 ， 往 精 度 并 不 是 很 高 往 征 指 标 是学wk.baidu.com者 们普 遍 关 注 的研 究 内容 。 ， 。 因 此 ， 择 与 所研 究 的土 壤 养 分 具 有 高 度 相 关 的光 谱 特 选
２ 建模方 法
构建反 演模 型 的方 法 多数 使 用 的是 统计 方 法 。 除 了传统的多元线性 回归 、 逐步 多元 回归分析 以外 ，
人 工 神 经 网络 、 小 二 乘 支持 向量 机 、 最 主成 分 分 析 、 偏
４ 结 语
土 壤养 分 的 遥 感 反 演 虽 然 取 得 了 一 定 的研 究 进 展 ， 是 总体 上 都 注 重 于 某 个 时 间 点 的研 究 ， 静 态 但 是 的， 目前 还没 有 发 现土 壤 养 分 遥 感 监 测 模 型 ； 外 ， 另 空
－
ｍａ ） ｗ ｉｉｎ ａ １６ ｃｒｏ ｉ ｓｅｔａ ｎ ＠ ２ ．ｏ ｌ ｌ ｎ
通 讯作者 ：谢德 体 （９ ７ ， ， １５ 一）男 四川开 江人 ， 授 ， 士生 导师 ，Ｅ 教 博 （—
ｍａ ） ｄ ＠ Ｓ Ｕ ｅ ｕ ｃ ｉ ｘｔ Ｗ ．ｄ ．ｎ ｌ
・
２９・ ４
２１ ０ １年 ９月
反 演 模 型 。这 主要 是 由于 复杂 的土壤 环 境 造成 的 。 不 同地 区具 有 不 同 的 土 壤 类 型 和 环 境 条 件 ， 被 植
生 长 状 况也 不 同 ， 难 找 到 一 种 适 用 于 不 同 地 区 的 、 很
与 原 始光 谱 反 射 率 、 射 率 倒 数 的 一 阶 导 、 射 反 反 率平 方 根 的 一 阶 导 、 射 率 的 一 阶 导 相 比 ， 射 率 对 反 反 数 的一 阶导 与 土 壤 全 氮 含 量 的相 关 性 最 好 Ｊ 反 射 。 率 的 一 阶 导 数 与 土 壤 养 分 也 具 有 很 好 的 相 关 性 ＇，１２ ， 该 指 标参 数 不适 用 于 河 北 沧 州 的滨 海 ，９３４ 但 ８，，１ 盐潮 土 表 层 土 土 壤 全 氮 含 量 反 演 。吸 光 度 的 导 数
０ 引言
土壤养分 含量准 确快速地 估算不仅 是精 确 的测 土配方施肥顺利进行的保 障 ， 也是对农 田面源污染进 行 准确 评 价 和有 效 控制 的重要 依 据 Ｊ 。 传统的土壤养 分测定 一般采 用 的是 化学测 定 的 方法 ｌ， ８ 该方法相对 准确 ， Ｊ 但是费时费力 ， 不能实时
基 金项 目：中 央高 校 基 本 科 研 业务 费专 项 （ Ｄ Ｋ ０ ９ ０ ７ ； Ｘ Ｊ ２ ０ Ｃ ６ ） 国家 “ 十一五 ” 科技 支撑计划项 目（２ ０ Ｂ ８ Ｂ．） ０ ７ ＡＤ ７ ］ ０
作者 简介 ：徐丽 华（９ ６ ， ， 龙江绥滨人 ， 师 ， １７ 一） 女 黑 讲 博士研 究生 ，Ｅ （
不 同土 壤类 型 的通 用 土 壤养 分 遥感 监 测 反 演模 型 。 有 时 土壤 水 分 对反 射 光 谱 的影 响 ， 能 超 过 了土 壤 类 可 型对 反 射光 谱 的 影 响 。 与 使 用 原 土 样 或 进 行 田 问 直 接 检 测结 果 的模 型相 比 ， 用 经 过 干 燥 处 理 土 样 的 使 模 型 往往 具 有 很 高 的精 度 重 要 因素 ＇ ∞ ｌ 。 。 除 此 之 外 ， 壤 的 土 质 地 和 耕作 措 施 也 是 影 响 土 壤 养 分 反 演 模 型 精 度 的 相 同土壤 类 型 不 同深 度 上 的土 壤 养 分 反 演 模 型 也 不 完 全 相 同 。研 究 显 示 ， Ｍｇ在 土 壤 的 不 同层 次 都 表现 出较 高 的 预 测 精 度 ， 交 换 性 Ｎ 但 ａ在 两 个 土 壤 层 的预 测 精度 具 有 明 显 的差 异 。土 壤 全 氮 模 型 适 用 于 山西 广灵 黄 土 类 型不 同层 次 的 土壤 ， 不 适 用 于 河 但 北沧 州 滨 海盐 潮 土 的 不 同 层 次 ； 层 土 壤 （ 表 ０～ｌ ｅ Ｏｍ） 的土 壤 全 氮 反 演 模 型 的 精 度 低 于 深 层 土 壤 （ ０ ～ １ ３ ｅ ，０— ０ ｍ） ０ｒ ３ ６ｃ ａ 。这说 明 ， 地 区土 壤 的养 分 模 某 型 可 以用 于该 地 区的表 层 土壤 和深层 土壤 但 可 能 …， 并不 适 用 于其 他 地 区 ， 这还 需 要进 一 步 的验 证 。
型 预 测 的精 度 。
２ 针 对 不 同 的土壤 类 型 、 壤 剖 面 、 作 条 件 、 ） 土 耕 气 候 的环境 等 进 一 步 研 究 遥 感 数 据 用 于 预 测 土 壤 养 分
１ 光谱特征指标
原始反射光谱常常受 到干扰 ， 往往不能直接反 映 出光谱与土壤养分含量 的关 系 。因此 ， 实际中往往
收 稿 日期 ：２ １ —１ — ４ ０ ０ １ ２
指数 Ｍ Ｂ 、 Ｓ Ｉ生理反射植被指数 Ｐ Ｉ Ｒ 都与土壤全氮含量
达到 显 著相 关 水 平 ， 用 这 些 指 标 监 测 土 壤 的 养 分 ， 利
方 面介 绍 土 壤养 分 遥感 监 测 的应 用 进 展 。
含量的相关性也 比较高 ， 但反射率 的倒数与土壤全 氮之间的关 系并不够稳定 Ｊ 。
１ ２ 植 被指数 ．
植被指数是从 作物冠层 光谱 中提取 的主要光 谱
特征 指 标 。最 优 土壤 调 节植 被 指数 Ｏ Ａ Ｉ土 壤 亮 度 ＳＶ、
的光 谱 特征 指 标 ¨ Ｈ 。研 究 指 出 ， 土 土 壤 全 氮 含 Ｊ 黑 量 与 黑 土在 １１０ ｍ 的 反 射 峰 高 度 、６ ｎ 的反 射 面 ０ ｎ ５０ｍ 积 具 有最 好 的 相关 性 … ， 波段 深 度 与 土壤 全 氮 含 量 但
之 间具有较低 的 回归精度 Ｊ 。而归 一化反射 高度建
１ ３ 光 谱反 射率 的微 分 形式 ．
农 机 化 研 究
第 ９期
相 同 的输入 、 同 的 建 模 方 法 ， 有 可 能 得 到 不 同 的 相 也
不 同的微 分 形 式 对 土 壤 养 分 的 响 应 往 往 是 不 同
的 ， 可 能产 生 不 同 的校 正 或者 验 证 精度 。 也
模 的数 据 集 中存 在 定 标 的 数 据 集 中 ， 不包 含 干 扰 效 应 时 ， 须进 行 场 址特 性 校 正 ¨ 必 。在 土 壤 全 氮含 量 的预
间信息技术的发展 ， 多源数据 的共享和集成 也将 为土
壤养分遥感监测提供新 的技术手段 。为此 ， 今后 可从
以下 几个 方 面开 展 进 一步 的研究 。 １ 进 一 步 深 入 研 究 和 探 讨 与 土 壤 养 分 ， 其 是 ） 尤 磷 、 等 元 素具 有 高 度 相 关 的光 谱 特 征 指 标 ， 高 模 钾 提
测 数 据对 反 演参 数 的敏 感 程 度 ， 取决 于反 演 策 略 与 还
具有通用性 ， 并在花期 中取得 了最高的估测精度＿ 。 】 除此之外 ， 很多学者采用 了原始光谱 的代数运算 形式作为光谱特征指标 。其 中， 反射率倒数 的对数
（ 吸光 度 ） 经 常采 用 的一 种 代数 变 换 形 式 ， 与 土 壤 是 它
往往都 能 取得 较 满 意 的效果 。归一 化 植 被 指数 Ｎ Ｖ 、 换型调 节植被指 数 ＴＡ Ｉ 比值植被 指数 Ｄ Ｉ转 ＳＶ 及 Ｒ Ｉ与土壤速效 氮含量也具有很好 的相关性 ＿＿ Ｖｉ ｌ 。由 ５ 于受到土壤背景 、 环境条 件 、 大气状况 等多种 因素 的 影响 ， 植被 指 数 往 往 具 有 明 显 的地 域 性 和 时效 性 心 。 因此 ， 在不 同地 区 ， 于土壤养 分遥感监 测 的植 被指 用 数指标往往是不 同的＿ 。 ｌ
反 映土 壤 养分 状 况 ¨ Ｊ 。遥 感技 术 具 有 实 时 、 速 获 快
采 用 原 始光 谱 的 变 换 形 式 作 为 反 映 土 壤 养 分 变 化 的 光 谱 特 征指 标 。 １ １ 光谱 形状 特征 及反 射率 的代 数运 算形 式 ．
光谱 的形状 特征参数经 常作 为与土壤养 分预测
方 面 的 适用 性 、 谱 特 征 指 标 的选 择 、 态 监 测模 型 的建 立 、 源 数 据 和多 种 技 术 手 段 的 集 成 将 是 土 壤 养 分 监 测 光 动 多
今 后 的 发展 研 究 方 向 。
关键词 ：土壤养 分 ；遥感数据 ；光谱特征 ；反射 率 ；统计 学
中图分 类号 ：Ｓ ５ １５ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ － ８ Ｘ（ ０ １ ０ － ２ ９ ０ ０ ３ １８ ２ １ ）９ ０ ４ — ４
养分高度相关
Ｊ ¨ 。反射率的对数与土壤全氮
方法以及模 型的适用 性。土壤养分 监测 中所用 到的 观测数据 ， 都是从土壤光谱 和作 物冠层光谱 中提取 与 土 壤养 分 高 度相 关 的光谱 特 征指 标 ｌ 。 为此 ， ｌ Ｈ 本 文从 光谱特征指标 的选择 、 反演 方法 、 反演模 型 ３个
偶
２１ ０ ９月 １年
农 机 化 研 究
第 ９期
土 壤 养 分 遥 感 监 测 研 究 进 展
徐 丽 华 ，魏 朝 富 ，谢 德 体。 ，杨
（ 南 大学 ａ 资源 与 环 境学 院 ；ｂ 档 案馆 ，重 庆 西 ． ． 摘
伟
４０ １） ０ ７ ６
要 ： 用 遥 感 技术 监 测 土 壤 养分 是 精 准 施 肥 中 的一 个 重 要 手段 。为 此 ， 合 分 析 了土 壤 养 分 遥 感 监 测 在 光 谱 综