土壤是指在地球陸地表面上能夠生長植物的疏松表層，不僅是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要一員，而且是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤是一個綜合且復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，土壤的定量評價(jià)與研究一直以來都是土壤學(xué)科的重點(diǎn)與難點(diǎn)。大量研究表明，土壤反射光譜的特性與土壤物理性質(zhì)之間的關(guān)系，為遙感技術(shù)在土壤中應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，同時也為研究土壤自身屬性提供了一個嶄新的方法物樣本信息的采集量。

1高光譜遙感在土壤研究中的應(yīng)用

1.1應(yīng)用范圍

隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷成熟，其空間和光譜分辨率不斷地提高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。其中，高光譜在土壤研究中的應(yīng)用歷史可以追溯到19世紀(jì)20—30年代。剛開始，人們利用反射光譜研究土壤含水量、土壤組分、粒徑及有機(jī)質(zhì)含量，之后，大量的研究表明，高光譜遙感技術(shù)被廣泛地用于反演土壤中有機(jī)質(zhì)含量、含水量、重金屬及土壤質(zhì)地等方面的研究應(yīng)用。

1.土壤有機(jī)質(zhì)含量土壤有機(jī)質(zhì)(soilorganicmatter，SOM)是指存在于土壤中的有機(jī)物質(zhì)，可以提供植物所需的養(yǎng)分，而且其含量的多少也是作為衡量土壤肥力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如今，通過光譜分析技術(shù)測定土壤有機(jī)質(zhì)含量已成為一種不可或缺的研究手段，國內(nèi)外專家分別運(yùn)用不同的遙感數(shù)據(jù)來反演土壤有機(jī)質(zhì)含量，并取得了一定成效。

2.土壤含水量土壤含水量是地球生態(tài)系統(tǒng)能量交換過程中非常重要的因子，同時也是農(nóng)業(yè)、氣候、生態(tài)等領(lǐng)域衡量土壤干旱程度的重要指標(biāo)。土壤含水量的遙感定量反演一直都是專家們研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究表明，土壤光譜反射率會隨著土壤含水量增加而降低，含水量低的土壤具有較高的光譜反射率，即表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因而土壤光譜反射率的變化能夠直接反映出土壤表層的含水量變化。

3.土壤重金屬含量隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速進(jìn)程，土壤中重金屬含量不斷加劇，嚴(yán)重地影響了土壤環(huán)境的質(zhì)量。土壤重金屬在土壤中殘留時間長、遷移性差且易積累，并能夠通過食物鏈進(jìn)入人體，對人身體造成威脅，因而備受學(xué)者們關(guān)注。高光譜技術(shù)的出現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)對土壤重金屬含量進(jìn)行快速、高效的監(jiān)測。土壤中重金屬富集主要是由于土壤組分的吸附所造成的，諸多學(xué)者根據(jù)這一性質(zhì)來定量估算土壤重金屬含量。4.土壤質(zhì)地土壤質(zhì)地是依據(jù)土壤粒徑大小來劃分的土壤類型，是影響土壤理化性質(zhì)極其重要的因子之一，通常可以分為砂、粉砂以及黏土。土壤質(zhì)地除了能從土壤粒徑大小影響土壤光譜反射率之外，還可以通過影響土壤的持水能力從而間接對土壤光譜反射率造成一定的影響。研究表明，土壤中顆粒粒徑的大小與其反射率之間存在一定的相關(guān)性，粒徑越小，其比表面積就越大，反射率也相應(yīng)越大。

1.2研究方法

高光譜遙感技術(shù)在土壤研究中常用的反演方法如表1所示，這些方法所建立的反演模型都能達(dá)到精度要求。目前常規(guī)反演方法在土壤研究中均有應(yīng)用，其中逐步多元線性回歸法和偏最小二乘回歸法2種方法的應(yīng)用相對更為廣泛。然而，研究者為了追求更高的反演精度，越來越多的非常規(guī)模型，如支持向量機(jī)模型、模糊識別模型、Hapke模型及GWＲ模型等，被引入土壤研究中，并在各自的研究區(qū)域內(nèi)取得了較為不錯的成果。越來越多建模方法的出現(xiàn)及成功應(yīng)用，標(biāo)志著高光譜遙感技術(shù)在土壤信息定量反演中已日趨成熟。

1.2.1土壤有機(jī)質(zhì)

目前，大多數(shù)學(xué)者通過光譜反射率數(shù)據(jù)在對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行定量反演研究時，主要運(yùn)用偏最小二乘回歸和多元逐步線性回歸的方法建立反演模型。

在對黑土研究中發(fā)現(xiàn)，土壤光譜反射率在經(jīng)過倒數(shù)和對數(shù)處理后的數(shù)據(jù)所建立的最優(yōu)模型都為最小二乘回歸模型，而對土壤光譜反射數(shù)據(jù)進(jìn)行一階微分處理后，建立的最優(yōu)模型則為逐步多元線性回歸模型。

由此可以得出，建模方法的選擇在一定程度上會影響高光譜反演土壤有機(jī)質(zhì)含量的精度。此外，針對土壤有機(jī)質(zhì)和高光譜反射數(shù)據(jù)受多重因素的影響，且二者之間有可能存在非線性關(guān)系等問題，專家學(xué)者們通過BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)模型及模糊識別模型分別建立土壤有機(jī)質(zhì)高光譜反演模型，并取得了較好的成果。

1.2.2土壤含水量

近年來學(xué)者們大多通過土壤反射光譜數(shù)據(jù)，建立光譜反射率和土壤含水量之間的相關(guān)估算模型來進(jìn)行土壤含水量遙感定量反演。在建模方法上，目前學(xué)者主要采用線性回歸分析法、偏最小二乘回歸法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等統(tǒng)計(jì)模型法。

1.2.3土壤重金屬含量

目前通過高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行土壤重金屬含量預(yù)測常用方法有多元線性回歸法、偏最小二乘回歸法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等，這些方法在特定的研究區(qū)均取得了較好的效果。

1.2.4土壤質(zhì)地

目前，通過反射光譜數(shù)據(jù)來進(jìn)行土壤質(zhì)地的預(yù)測，學(xué)者們大多采用多元逐步回歸法、偏最小二乘回歸法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。

2展望

目前高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于土壤信息各研究領(lǐng)域中，為快速、實(shí)時、準(zhǔn)確獲得土壤信息提供了技術(shù)與理論的支持。利用反射光譜數(shù)據(jù)反演土壤信息已成為研究熱點(diǎn)，建模的方法也越來越豐富。建模的方法決定了土壤信息反演精度，通過對現(xiàn)有模型的對比分析、改進(jìn)優(yōu)化以及根據(jù)不同需要創(chuàng)建新的模型已成為現(xiàn)在土壤研究的發(fā)展趨勢。基于此，對未來的發(fā)展有以下展望:

未來高光譜數(shù)據(jù)的存儲方式將會以更方便快捷被學(xué)者加以應(yīng)用，土壤反射光譜數(shù)據(jù)的處理方式也會不斷地優(yōu)化改進(jìn)，研究者將會獲得質(zhì)量更高、使用更方便、共享性更強(qiáng)的光譜數(shù)據(jù)。

隨著學(xué)者們對土壤信息提取精度的追求，多角度遙感技術(shù)將會在土壤研究中廣泛應(yīng)用，建模的方法也會隨之被優(yōu)化改進(jìn)，使得模型具有適用性強(qiáng)、移植性高、實(shí)用價(jià)值突出等優(yōu)勢。

科學(xué)管理、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立光譜信息庫。同時還應(yīng)對不同類型、不同區(qū)域的土壤建立針對性的專一光譜數(shù)據(jù)庫，以便于光譜數(shù)據(jù)實(shí)時共享，提高工作效率。

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審核編輯 黃昊宇