土壤特征光譜測(cè)定與分類技術(shù)研究

楊心怡

摘 要：隨著人口的增多，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展壓力越來(lái)越大，種植植物的土壤質(zhì)量已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的重要條件，但是農(nóng)業(yè)種植中對(duì)于土壤質(zhì)地?zé)o法實(shí)現(xiàn)精確的識(shí)別，因此選擇合適的檢測(cè)方法來(lái)研究測(cè)定土壤質(zhì)地狀況，并根據(jù)土壤類型選擇合適的作物進(jìn)行種植，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有決定性的幫助。一旦確定可精確識(shí)別的技術(shù)手段，對(duì)于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等多方面的統(tǒng)計(jì)和種植都有著革新的科研價(jià)值與意義。

關(guān)鍵詞：土壤特征；光譜測(cè)定

現(xiàn)如今的技術(shù)手段來(lái)說(shuō)，土壤質(zhì)地的室內(nèi)測(cè)定一般采用“比重計(jì)法”和“吸管法”。其中，吸管法操作較為繁瑣，計(jì)算較多，但測(cè)定結(jié)果較為精確，而比重計(jì)法操作較為簡(jiǎn)單，但精度較差，計(jì)算也較為繁瑣，而野外則采用“干試法”和“濕試法”進(jìn)行簡(jiǎn)易速測(cè)，但這兩種方法均使用手掌研磨辨別土壤質(zhì)地，無(wú)法在精度上得到保證。土壤的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的前提，而光譜技術(shù)在土壤檢測(cè)方面中已得到了廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用在土壤肥力指標(biāo)的測(cè)定、土壤有機(jī)質(zhì)等參數(shù)測(cè)定、紅外反射光譜對(duì)土壤參數(shù)的定量化研究、紅外定標(biāo)技術(shù)得到較大的土壤參數(shù)。近年來(lái)，光譜特征技術(shù)被用于識(shí)別土壤質(zhì)地。本次課題闡述以采用光譜檢測(cè)土壤識(shí)別技術(shù)選擇種植土壤。

一、土壤光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用的光譜儀光譜量程在390nm到1000nm之間，分辨率在1.5nm。實(shí)驗(yàn)光源選取鎢燈。實(shí)驗(yàn)材料選擇工地細(xì)沙、植樹園林、種植農(nóng)田、工地石子、道路瀝青進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采集到的土壤保存在室外，溫度約為0℃。

不同土壤的顆粒大小不同，而顆粒較小的土壤種植作物易導(dǎo)致水土流失，顆粒較大的土壤種植作物不易使作物生根。在實(shí)驗(yàn)室中將土壤以顆粒大小分成細(xì)沙、農(nóng)田、園林、小石子、瀝青五類，在0℃左右、干旱條件下進(jìn)行測(cè)量。

室外一年四季夏季溫度最高，冬季最低，而大多數(shù)作物均為春夏秋開花結(jié)實(shí)，因此，經(jīng)過(guò)查找夏季與冬季平均氣溫后，將土壤溫度調(diào)整數(shù)據(jù)為冬季0℃左右，夏季50℃左右，測(cè)量不同溫度下光譜。土壤的水分主要來(lái)自于降雨、降雪等，實(shí)驗(yàn)中以鎢燈（模擬太陽(yáng)光），以礦泉水作為雨水進(jìn)行測(cè)定。在實(shí)驗(yàn)室中先測(cè)量干旱的土壤，再加入水測(cè)量土壤的反射光譜。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

土壤光譜反射率是土壤理化指標(biāo)光譜特性的綜合表現(xiàn)，而這種特征與土壤所處環(huán)境條件密切相關(guān)。光與土壤的互相作用包括土壤正面光譜反射、漫反射，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境將其他影響極小因素忽略，只考慮土壤的正面光譜的反射。

根據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)得到，在可見光譜范圍內(nèi)，土壤隨著顆粒大小的增加，可見光波段反射率隨顆粒大小增強(qiáng)而減小。

根據(jù)圖2、圖3、圖4實(shí)驗(yàn)得到，以鎢燈作為光源的土壤光譜，在經(jīng)過(guò)加熱后，在可見光譜范圍內(nèi)，在470nm-760nm處，反射率較未加熱的土壤有所增加，在近紅外光譜段，在760nm-900nm之間加熱土壤的反射率大于未加熱土壤，在900nm-1000nm處，未加熱土壤的反射率大于加熱土壤。

根據(jù)圖5、圖6、圖7實(shí)驗(yàn)得到，在可見光譜段（400nm-760nm），加水后的土壤粘合程度增加，反射率反而隨著粘合程度的增加而下降，在近紅外光譜段（760nm-1000nm），反射率也隨著粘合程度的增加而下降，加水后的土壤反射率小于未加水土壤。

三、 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)中使用光纖光譜儀于地下實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以人為排除各種光源的干擾，且溫度與濕度得到控制。但是在光譜儀中光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)時(shí)，來(lái)自CCD（電荷耦合原件）的噪聲成為數(shù)據(jù)制圖方面的最大干擾。一方面，當(dāng)CCD在低光照、條件下應(yīng)用時(shí)，由于采取了一切可能的措施降噪（比如地下實(shí)驗(yàn)室密閉環(huán)境），光子散粒噪聲成為主要的噪聲源。另一方面，源于構(gòu)成CCD傳感器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料硅的內(nèi)部由于發(fā)熱導(dǎo)致的電荷數(shù)量統(tǒng)計(jì)波動(dòng)，在給定的CCD傳感器溫度條件下，熱電荷的生成速率通常被稱之為暗電流，這種信號(hào)與CCD傳感器的溫度高度相關(guān)，溫度每增加5℃～6℃，暗電流將增加到原來(lái)的兩倍。在弱信號(hào)條件下，CCD采用長(zhǎng)時(shí)間積分的方法進(jìn)行觀測(cè)，暗電流將是主要的影響因素。

針對(duì)以上兩種噪聲干擾，采用調(diào)整實(shí)驗(yàn)光源輻射度盡量降低弱信號(hào)測(cè)繪的可能，以及在使用儀器時(shí)，每使用一段時(shí)間，間隔使用使得CCD冷卻至室溫。

四、結(jié)論和討論

實(shí)驗(yàn)得到不同顆粒大小對(duì)土壤反射率的影響表現(xiàn)為：顆粒越小，反射率越大。

實(shí)驗(yàn)得到不同溫度對(duì)土壤反射率的的影響表現(xiàn)為：加熱后的土壤反射率與未加熱的土壤相比，反射率曲線在470nm-760nm以及760nm-900nm之間反常高，表現(xiàn)為這兩區(qū)間處加熱土壤曲線位于未加熱土壤曲線上方。

實(shí)驗(yàn)得到不同濕度對(duì)土壤反射率的的影響表現(xiàn)為：土壤隨著水分的增加，粘合程度增加，反射率曲線在400nm-760nm、760nm-1000nm處均比未加水時(shí)低，表現(xiàn)在在這兩區(qū)間內(nèi)，反射率曲線均在未加水土壤曲線下方。

實(shí)驗(yàn)得到同一溫度不同濕度與同一濕度不同溫度的對(duì)比關(guān)系：在可見光區(qū)與近紅外區(qū)均主要以顆粒大小為影響因素，但同一溫度不同濕度時(shí)，在可見光區(qū)的600nm波峰與500nm波谷處，反射率曲線特征較為明顯。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到，土壤反射的光譜隨著顆粒的減小，反射率均逐漸增大。可以認(rèn)為這是由于顆粒越小，彼此的結(jié)合越緊密，土壤表面也就越平滑，反射率就越大。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同濕度不同土壤，顆粒越小，在相同的濕度變化范圍內(nèi)，反射率變化越大。可以認(rèn)為這是由于較大的顆粒之間能容納更多的空氣和水，而小顆粒受到的影響相對(duì)較小。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王遵義， 金春華， 劉飛， 王艷艷， 鮑一丹 基于光譜技術(shù)的土壤快速分類方法研究 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版） 2010.3.