基于遙感數據分析山西省土壤有機質空間分布

張紅麗　權騰

摘要：本文利用TM影像分析山西省土壤有機質含量的空間分布，將山西省根據地形地貌劃分成四個區域，在對影像進行預處理后，利用SAS分別建立四個區域土壤有機質含量的反演模型，通過計算得到2008年山西省的耕地土壤有機質空間分布。結果顯示，山西省的土壤有機質含量多數介于3.42g/kg～29.62g/kg之間，而且呈現出從北向南、從西向東逐漸升高的趨勢。

關鍵詞：TM遙感影像；山西省；反演模型；土壤有機質

1. 引言

土壤有機質對于增加土壤肥力以及促進植物生理活性具有重要意義[1]。研究土壤有機質的空間分布，可以提高土壤質量，確保農業可持續發展。遙感技術已被廣泛地使用在土壤調查之中。相比傳統土壤有機質的測定方法，遙感技術具有時限性與可獲取性等優勢。本文使用遙感影像分析山西省土壤有機質空間分布，可以有效地促進山西省的資源轉型。

2. 材料和方法

2.1 研究區概況

山西省地處華北西部的黃土高原東翼。地理坐標為東經110°14'～114°33'、北緯34°34'～40°44'。土地面積為156700km2 [2]。全省地貌類型相對較復雜，包括丘陵、盆地等地貌，丘陵與山地占到全省的三分之二。山西省境內坡地與旱地較多，且耕地產量較低。

2.2 土壤樣品處理

本研究將山西省2008年的耕地評價數據作為土壤樣品數據，在經過對土壤有機質實測數據（0cm～20cm）均勻篩選，剔除異常值[3]后，得到392個土壤樣品。

2.3 遙感技術測定法

2.3.1 遙感影像預處理

本文采用Landsat-5TM的L2級TM數據，影像獲取時間為：2008年3月和2008年11月，和本次獲取的土壤樣點時間基本一致。所使用的影像已經過系統輻射校正和幾何校正，仍需要進一步的輻射校正等處理。輻射校正包括輻射定標、大氣校正。消除系統誤差采用的是輻射定標，消除外部誤差采用的是大氣校正[4]。本文將影像單波段band1～5，7合成。把DN值轉換為輻射亮度值L，然后使用不變目標法相對大氣校正方法清除光照等對地物反射的影響。對影像采用先輻射歸一化后拼接，從而合成研究區的遙感影像圖。

2.3.2 耕地圖層提取

結合使用監督與非監督分類能較好地提高分類精度，本文利用上述方法得到山西省耕地圖層。分類后處理得出耕地像元面積是50918.67km2，與山西省實際耕地面積相差約6%，結果表明分類精度較高。

2.3.3 處理光譜數據

通過對可見光區域的光譜值進行對數變換，能有效地減少光照變化所引起的乘性因素影響。有研究發現，低階微分處理后的光譜數據能夠去除部分光照等因素的影響[5]。本文對光譜值采取各種數學變換，找出對有機質含量最敏感的指標。

2.3.4 劃分區域

本研究根據山西省地形地貌、土壤等自然因素，把山西省劃分成四個區域：中南部盆地邊山丘陵區、北部邊山丘陵區、西部黃土丘陵溝壑區、東部丘陵低山區。根據四個區域分別反演的山西省土壤有機質含量更準確。

2.3.5 模型建立與驗證

經對比得出，有機質含量和對應的光譜值及其數學變換之間采用指數關系表示效果最好。本研究使用多元逐步回歸分析方法建立土壤有機質反演模型，最后，采用均方根誤差驗證模型。

3. 結果與分析

3.1 土壤有機質含量與光譜值之間的關系

3.1.1 中南部模型建立與驗證

使用中南部盆地邊山丘陵區71個樣本，在SAS軟件中經過多元逐步回歸分析，建立中南部區域有機質反演模型如下：

（1）

采用36個實測點對模型進行驗證，檢驗樣點系數R2=0.64，模型精度較高。

3.1.2 北部模型建立與驗證

使用51個樣點建立北部土壤有機質含量的反演模型為：

（2）

采用38個樣點進行驗證，檢驗樣點系數R2=0.62。

3.1.3 東部模型建立與驗證

使用57個樣點建立東部土壤有機質含量的反演模型為：

（3）

使用39個樣點進行模型驗證，檢驗樣點系數R2=0.60。

3.1.4 西部模型建立與驗證

采用61個樣點建立西部土壤有機質反演模型為：

（4）

采用39個樣點驗證模型，檢驗樣點系數R2=0.66。

3.2 山西省表層土壤有機質含量空間分布

將四個區域遙感影像耕地圖，分別通過各自區域模型進行運算后，得到如下山西省耕地有機質分布，如下圖1所示：

結果顯示，山西省耕地土壤有機質含量從西北到東南逐漸升高。全省地勢從西北到東南依次降低。西北部是黃土高原，土壤有機質含量較低，大多介于3.42g/kg～8.66g/kg之間。晉北地勢較高，雨水少，多數為旱生草本植物，土壤有機質含量最低。東南部有機質含量最高，這是由于東南部主要為褐土，降水量較多。東南部部分區域土壤有機質含量大于29.62g/kg。中部地區大多為潮土，其保肥性能較好，所以其有機質含量也相對較高。有機質含量由北到南依次過渡到13.91g/kg～19.14g/kg，部分地區有機質含量超過19.14g/kg。西部區域有機質含量低于東部區域，這是由于西部土壤類型屬于灰褐土，是介于森林草原與干旱草原之間，而且東南部年降雨量大于西北部地區。山西省土壤類型、降雨量、地形地貌等因素是形成以上土壤有機質含量空間分布的主要原因。

4. 結論

本文通過對遙感影像預處理及對光譜值采取各種數學變換，分別建立了山西省四個區域的土壤有機質含量反演模型。結果表明利用TM影像能夠直觀地顯示出山西省耕地土壤有機質含量的空間分布。在后續研究中，采用高光譜遙感技術建立模型，能夠更精準地獲取土壤光譜信息，提高模型精度。

參考文獻：

[1] 王相平，楊勁松，金雯暉，等.近30年瑪納斯縣北部土壤有機碳儲量變化[J].農業工程學報，2012，28（17）：223-229.

[2] 康志文.山西省旱作農業發展戰略探討[D].西北農林科技大學，2006，11.

[3] 楊希東.實驗數據異常值的剔除方法[J].唐山師專學報，1998，20（5）.

[4] 池宏康，周廣勝，許振柱，等.表觀反射率及其在植被遙感中的應用[J]，植物生態學報，2005，29（1）：74-80.

[5] 浦瑞良，宮鵬.高光譜遙感及其應用[M].北京：高等教育出版社，2000.1-228.