便攜式地物光譜儀的土壤測試案例

1.為什么用地物光譜儀對地物進行測試？

對于地物的測試，傳統(tǒng)的方法有化學法等。隨著光譜學的發(fā)展，現(xiàn)在可以運用光譜法去對地物進行測試，獲取地物自身的信息。無論是植被、土壤、水體還是人工地物都具有其自身特征的光譜反射率，我們可以通過地物光譜儀去測試地物的光譜反射率，有些地物信息是可以直接通過地物光譜測量去獲取，除此之外地物光譜測量也能輔助一些化學法或者其他方法去對地物做研究。

2.地物光譜特征

每種地物的自身特性都不一樣，有些地物會吸收掉大部分的太陽光，而有些會將大部分太陽光反射出去，這種地物的反射率比較高，有一些能被部分太陽光透過，這些地物都具有不一樣的反射光譜。所謂光譜學，就是研究一定波長的電磁波在液體，固體和氣體這三種介質(zhì)中經(jīng)過反射，輻射，散射以及吸收作用的學科。研究地物光譜特征主要就是研究其反射光譜，知道地物的光譜吸收段并通過吸收段的光譜響應來獲取反演地物的材料，狀態(tài)等等。光譜范圍能否包括我們測試地物需要提取的特征點獲取信息的光譜吸收段，是我們能否順利研究獲取地物信息的關鍵，所以我們首先需要知道光譜范圍，還需要看其光譜分辨率，光譜帶寬以及信噪比。相鄰的兩個通道的中心波長的波長間隔就是光譜分辨率，這個波長間距對被測地物的局部特征反映有影響，采樣間隔越小，就越能反映被測地物的局部吸收。光譜帶寬是指光譜儀內(nèi)一個光譜通道的寬度，帶寬的寬窄直接影響了地物測量的精確性，帶寬太寬，就會導致我們需要提取的特征點丟失，測量精度低，帶寬越窄，就不容易損失有用的信息，在鄰近的譜段能測到的波譜樣本越多，對地物的測量就越精確，有利于數(shù)據(jù)處理分析。信噪比是傳感器的信號功率（SP）和噪聲功率（NP）之比，它取決于探測器的敏感度、光譜寬度、被測量物表面反射和發(fā)射光的強度，當信噪比低的時候，噪聲功率的占比就會比較高，對地物的信號探索反演有很大的干擾；當信噪比高時，就能更準確的去獲取地物的光譜信息。

除了植被、土壤等典型的地物光譜，人們還開始研究一些人工地物的光譜特征，比如迷彩服的綠色與植被的綠色的區(qū)別。而且根據(jù)這些需要，也建立起越來越精確且多樣的地物光譜庫，為高光譜影像分類和匹配做準備。

2.1典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因為不同類型的地物具有不同特征的吸收譜線。表2-1列出了波段范圍內(nèi)的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1 不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長增加而增加。

2.2土壤光譜特征

土壤的光譜特征包括可見光波段、近紅外波段、中紅外波段和熱紅外波段。在可見光波段，土壤通常呈現(xiàn)出不同的顏色，反映土壤的含水量、有機質(zhì)含量、粗細度等信息。在近紅外波段，土壤的吸收譜線通常在800-1100 nm之間，與土壤中的有機質(zhì)和礦物質(zhì)有關。在中紅外波段，土壤的吸收譜線通常在1800-2400 nm之間，與土壤中的水分、有機質(zhì)、鐵氧化物、氫氧化物等有關。在熱紅外波段，土壤的發(fā)射譜線通常在8000-14000 nm之間，可以反映土壤的溫度、含水量、質(zhì)地等信息。

土壤的光譜反射率主要在可見光譜段顯示顏色（400-700 nm）。在近紅外（NIR）波段（700-1300 nm）和中紅外（MIR）波段（1300-2500 nm），土壤的反射率通常很高，但在特定波段會出現(xiàn)明顯的吸收帶。土壤吸收帶通常出現(xiàn)在以下波長范圍內(nèi)：

1. 1450-1500 nm處有一個明顯的吸收帶，與水合鋁和鐵結(jié)合有機物（如腐殖酸和孢子酸）的存在有關。

2. 1900-2200 nm處有一個比較寬的吸收帶，由水分、羥基等所致。

3. 2300-2400 nm處的吸收帶由硝酸鹽所致。

4. 4000-4200 nm區(qū)域，由土壤有機質(zhì)和粘土礦物質(zhì)的反應所致。

5. 熱紅外波段（8000-14000 nm）也有吸收帶，由土壤溫度和含水量的影響。

總之，土壤吸收帶的出現(xiàn)是由于土壤中的特定化學成分吸收特定波長的電磁輻射而導致的。不同波段吸收帶的存在可以提供土壤化學成分和結(jié)構(gòu)的信息。

2.3土壤光譜反射率分析步驟

分析土壤的光譜反射率需要進行以下幾個步驟：

1. 光譜數(shù)據(jù)采集：采用光譜儀獲取土壤的光譜反射率數(shù)據(jù)，并記錄土壤樣本的相關信息，如采集時間、地點等。

2. 光譜數(shù)據(jù)處理：對采集得到的光譜數(shù)據(jù)進行去噪和平滑處理，可以采用平均濾波、中值濾波、卡爾曼濾波等處理方法。同時進行光譜數(shù)據(jù)校正和標準化，以方便后續(xù)的分析。

3. 特征提?。簭囊烟幚淼墓庾V數(shù)據(jù)中提取有效的特征參數(shù)，如反射率峰值、吸收峰值、Slope、Depth、 Area等等。

4. 建立模型：利用機器學習、統(tǒng)計學等方法，將提取的光譜反射率特征與土壤性質(zhì)（如土壤含水量、有機質(zhì)含量等）建立關系模型，預測或分類土壤質(zhì)量。

5. 結(jié)果分析：分析光譜反射率與土壤性質(zhì)之間的關系，探索哪些波段的光譜反射率與什么樣的土壤性質(zhì)有關系，以及探尋未知的土壤性質(zhì)。

以上是常見的分析土壤光譜反射率的流程，但具體方法還需要根據(jù)具體的應用場景和研究目的進行調(diào)整和優(yōu)化。

3.地物光譜特征的數(shù)據(jù)獲取

3.1野外光譜數(shù)據(jù)采集

環(huán)境因素、儀器參數(shù)靈敏度、采集的方法、地物本身特性等各種因素都會影響我們野外地物光譜測量的結(jié)果，所以我們在測量前需要根據(jù)被測的地物和人物指定相應的測試方案，盡可能規(guī)避所有對所測結(jié)果產(chǎn)生影響的各種干擾因素，盡可能保證所得的光譜數(shù)據(jù)能夠真實體現(xiàn)出地物本身的光譜特性，并且記錄當時使用的儀器參數(shù)，測量條件以及被測地物的信息。這樣測量出來的數(shù)據(jù)才具有可靠性，為之后的數(shù)據(jù)反演和光譜庫建立提供依據(jù)成。

3.2地物光譜測量條件和注意事項

3.2.1地物光譜測量條件

①目標選?。哼x取的被測地物要具有象征性，需要能準確反映出該地物的平均生態(tài)情況。（根據(jù)實際需求）。在測量植被冠層等地物時，需要考慮土壤覆蓋率等背景因素。

②能見度的要求：除了測量內(nèi)容包括對大氣污染程度的研究，測量的能見范圍要不小于10千米。

③云量限定：太陽光源需穩(wěn)定，不能夠時而陰天時而晴天，云量也需要穩(wěn)定，若在測量過程中光照強度發(fā)生變化，則需要重新進行標定。

④風力要求：一般情況下測量時風力不大于5級，若測量植物，測量時風力不大于3級。

⑤測量時間：上午10時至下午2時是最好的地物光譜測試時間段。

測量步驟：

①記錄測量儀器及附件名稱、編號。

②記錄測量時間、地點(地理位置和經(jīng)緯度)、環(huán)境(天氣，能見度，風力等)。

③記錄測量目標，可使用照相機進行實物拍照。

④開始測量。

⑤測量結(jié)束后，記錄結(jié)束時間,測量人員。

3.2.2地物光譜測量注意事項

野外光譜測試的時間要求是在上午十點至下午二點進行，若下午三四點太陽光依舊充足且穩(wěn)定，則可以進行測量。風力小于5級，若測量地物為植被，則風力小于3級，如果被測地物為土壤，要避免雨后的濕氣對土壤反射率的影響。要選擇能反映出地物平均自然性的地物，對同一種地物進行多次測量，排除隨機性，保證測試結(jié)果準確可比，使數(shù)據(jù)具有代表性。

儀器測試要求：儀器的探頭需要正對著地物，使探測面與水平面持平。

傳感器鏡頭的選擇：根據(jù)測量地物的面積、地物覆蓋率去選擇不同視場角的鏡頭，視場角較大的鏡頭適合測量距離較近、地物覆蓋率高的地物。若測量地物較遠或者該地物覆蓋率不高的情況下，則需要用到視場角較小的鏡頭。

避免陰影：校準標定標準板時需要正對著陽光，測量的時候也需要正對著陽光，避免陰影。野外大面積測試光譜數(shù)據(jù)時，需要根據(jù)太陽光的方向設計測試方案。

白板反射校正：根據(jù)被測地物自身反射率高低，選擇合適反射率的標準板。由于太陽光角度、強弱時刻發(fā)生變化，儀器需要經(jīng)常用白板校準，天氣較好的情況下幾分鐘需要標定一次。若天氣較差，標定的頻率則需要更高。當陰影不可避免時，使用參考白板校正時應注意遮蔭。

防止光背景污染：野外測量時，應該注意到被測地物周圍的環(huán)境是否對地物本身的反射光譜特征有影響，若有則需要記錄下來或者規(guī)避該影響。測量植被時，土壤覆蓋率較高的話，則需要更換視場角鏡頭以及記錄土壤的光譜數(shù)據(jù)，后期對植被光譜數(shù)據(jù)進行校正。除此之外，測試人員需要穿深色顏色的衣服，避免改變被測物體的反射光譜特征。

測量時間和校準頻率：光譜測試應在上午十點至下午兩點之間完成，并在光照穩(wěn)定的條件下進行。在時間充裕的情況下，盡可能多測幾組數(shù)據(jù)，以求平均值，降低儀器等因素帶來的影響。進行水體測量時，需要換低反射率的標準板重新標定，測量數(shù)據(jù)應至少跨越一個波浪周期。

采集輔助數(shù)據(jù)：記錄所有測試地物的GPS信息，并且記錄測試時每種被測地物的周圍環(huán)境，并且拍照記錄，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

圖4-1 便攜式地物光譜儀

③測試地物：五種土壤樣品。

4.2數(shù)據(jù)分析

圖4-2為測試的五種土壤的光譜反射率經(jīng)過平均、平滑處理后的反射率對比圖，由圖可看出1號樣品的反射率相對于其他樣品偏高，五種樣品的反射率隨著波長的增加而增加。

圖4-2 五種土壤反射率圖

五種土壤在1100nm、2200nm有水分、羥基等所致的水吸收帶，且反射率升高，有研究表明，在低水平含水量范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率降低；在高水平范圍內(nèi)隨著含水量的增加，反射率也升高。這一現(xiàn)象可以解釋為：當自由水較多，土壤含水量達到或超過田間持水量時，水分形成的薄膜有較強的鏡面反射。所以出現(xiàn)土壤反射率隨著土壤含水量增加而增加的現(xiàn)象。而當土壤含水量低于田間持水量時，入射光在射入顆粒表面以及從顆粒表面反射出時，附著于土壤顆粒上的水主要起吸收作用。由此可認為五種土壤的含水量都處于高水平范圍內(nèi)。樣品在2300nm~2400nm波段也存在個較寬但不明顯的吸收帶，這可能是由硝酸鹽所導致的。

5.總結(jié)

研究土壤反射率能夠定性、定量的分析土壤的含水量、質(zhì)地等等，因此研究土壤光譜反射率有以下幾方面的意義：

1. 土壤質(zhì)量評估：通過對土壤光譜反射率的分析，可以了解土壤中不同波長范圍內(nèi)的反射率變化，進而了解土壤質(zhì)量、土地利用狀況等信息

2. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：對于精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，土壤光譜反射率是一個極為重要的指標。通過對土壤光譜反射率的研究，可以了解農(nóng)作物生長過程中土壤的物理、化學特性等因素，并以此為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。

3. 土地資源開發(fā)：通過對土壤光譜反射率的研究，可以為土地資源開發(fā)提供科學依據(jù)。例如，在進行化礦勘探等工作時，可以通過地面和空中的光譜數(shù)據(jù)快速找到有可能存在礦產(chǎn)資源的區(qū)域。

4. 環(huán)境監(jiān)測：土壤光譜反射率的研究也有助于環(huán)境監(jiān)測。例如，可以通過對土壤光譜反射率的分析來了解土壤中污染物的種類和分布情況，提高環(huán)境監(jiān)測的精度和效率。

總之，研究土壤光譜反射率有助于人們更全面、準確地了解土地、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等方面的情況，為科學決策提供有力支持。