測色儀與中國標準土壤色卡測定土壤顏色比較*
——以川中丘陵區為例

陳劍科 袁大剛 晏昭敏 呂 揚 翁 倩 付宏陽 張 楚 王昌全張敬昇

（四川農業大學資源學院，成都 611130）

土壤顏色是人對土壤的直觀感覺之一，是土壤在可見光波段的反射光譜特性［1］，是土壤剖面特征描述的重要內容［2］。土壤系統分類中土壤顏色判別主要依據Munsell色空間繪制的土壤色卡［3］，將土壤顏色用色調（Hue，以下簡稱H）、明度（Value，以下簡稱V）、彩度（Chroma，以下簡稱C）進行解釋，明確土壤顏色在土壤Munsell色卡中的位置［4-5］。利用色卡目測土壤顏色易受主客觀條件影響，例如判別者色彩敏感度，判別土壤顏色時周圍光線、空氣濕度等環境條件［6-8］。

隨著光學技術進步，測定土壤顏色的儀器設備已被陸續研發。光譜儀［9］、數碼相機［10］及更便捷的手機［11］均可用于測定土壤顏色，卻也存在部分問題，如光譜儀等較大型的設備便攜性較差，價格昂貴；數碼相機、手機這類便攜式拍攝裝置由于采用不同廠商的感光元件，且無校正，對同一土壤顏色還原程度仍有差距［12］。能提供準確的色彩信息的便攜式測色儀逐漸應用于測定土壤顏色，馮力威等［13］利用分光測色計CM700d測定河南仰韶村遺址剖面色度指標，以反映該地區古氣候變化特征；Stiglitz等［14］利用色彩色差計Nix測定土壤顏色，并利用色度指標預測土壤有機碳含量。目前正在開展的四川土系調查有大量土壤樣品需測定土壤Munsell顏色，本實驗利用2種原理不同、價格差距較大的便攜式測色儀與利用色卡目測土壤Munsell顏色進行對比，比較二者間土壤顏色的差異，以實現對土壤顏色更準確、快捷的判別，為后續相關研究提供更精準的土壤顏色信息。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

供試土樣采集于川中丘陵區（圖1）。川中丘陵屬典型方山丘陵，位于四川盆地中東部，地跨103°15′至108°30′E， 27°35′至32°52′N，地處長江以北，沱江、涪江、嘉陵江、渠江等中下游，屬亞熱帶濕潤季風氣候，地貌以中、淺丘為主，丘陵出露地層主要為中生界侏羅系中上統的紫紅色泥巖和砂巖，區域內主要土壤類型為雛形土、新成土等（發生分類的紫色土等類型）。

1.2 土樣采集與處理

2015至2016年間在川中丘陵區獲取27個土壤剖面（圖1），依據發生層次自下而上采集分析樣品，共97個土樣，其中發生分類的紫色土共18個剖面53個土樣。由于新鮮土樣土塊大小不一，色彩均一性較差；水分含量不等，可能發生含水量過飽和現象［15］，進而對顏色測定產生一定影響，因此對土樣進行風干、過篩、混勻處理，即先將采集的土樣平鋪于干凈牛皮紙，然后剔除動、植物殘體和磚瓦等侵入體，置于陰涼處風干，最后將風干土碾碎，過2 mm尼龍篩，混合均勻，裝袋備用。

圖1 土壤樣點分布圖Fig. 1 Distribution of soil sampling sites

1.3 土壤顏色測定

土壤色卡目測（以下簡稱目測）。實驗者均無色盲、色弱，有判別土壤顏色的基礎。目測實驗在實驗室內利用《中國標準土壤色卡》（以下簡稱色卡）進行，比色時段控制在日出3h后至日落前3小時間，此時段為目測物體顏色的標準自然光，同時避免在陽光直接照射下比色。比色環境內無彩色面積過大物體，如紅磚墻等。將供試土樣平鋪于白瓷盤內，淡色土使用灰色卡框，深色土采用黑色卡框遮蔽其余部分。對比色卡HV/C值，最接近者為目測土壤顏色，若明度、彩度位于二者之間，可取平均值。實驗者同一實驗室內判別3次，后再由另一實驗者判別，無爭議后確定土樣最終目測顏色并記錄。

加拿大的NixTMPRO測色儀測定（以下簡稱Nix）。該儀器屬色彩色差計，價格較低，可測定土壤RGB、CMYK、CIEL*a*b*、CIEL*C*h、XYZ等色空間/色度指標。土樣平鋪于白紙，直徑約4 cm，厚度在1至2 mm，將傳感器放置于土樣上，傳感器底部完全覆蓋于土壤表面且底部無縫隙，通過手機藍牙與傳感器進行連接，在傳感器提供的手機軟件界面進行測定，測定參數為觀測角度2°、內置C光源（色溫6774K正常日光），測色口徑15 mm，儀器出廠前由廠商進行校正，測試前無需再進行校正，同一土樣重復測定3次，獲得XYZ數據，取平均值記錄。

日本Konica Minolta的CM600d分光測色計測定（以下簡稱CM600d）。該儀器屬分光測色計，價格較高，可測定土壤CIEL*a*b*、CIEL*C*h、Hunter Lab、Yxy、XYZ、Munsell等色空間/色度指標。將供試土樣放置于配套的粉末測試裝置，使土樣略多于裝置，擰緊裝置蓋，待測土樣制備完成。測定參數為觀測角度2°、內置C光源，選用8 mm測色穩定片，測試前進行1次零校正，5次白板校正，將CM600d測定端放置于粉末測試裝置進行測定，同一土樣重復測定3次，獲取HV/C（Munsell色空間）及XYZ數據。

1.4 土壤顏色轉化

目測與CM600d可直接獲取土壤顏色在Munsell色空間HV/C值，而Nix無法直接獲取HV/C數據。因此，須利用色系轉化公式，將Nix獲取的XYZ值轉化為Munsell色卡中的 HV/C值；為便于分析比較，將CM600d獲取的XYZ值也轉化為Munsell色卡中的HV/C值。Miyahara和Yoshida［16］于1988年擬定了CIEXYZ轉化為MunsellHV/C數值公式，Rossel等［17］進一步將其公式精度提升，具體轉化過程如下：

首先，對XYZ三原色刺激量進行校正，如式(1)～ 式(3)所示：

式(1)～式(3)中X、 Y、 Z分別為紅、綠、藍原色刺激量，XC、 YC、 ZC為校正值。然后進行兩種色度指標轉換，由于視覺感知顏色存在非均勻性，需進行非線性轉換，轉換過程如式(4)～ 式(5)所示：

式(4)，式(5)中，M1、M2為等明度平面坐標上坐標值。轉換完成后，再次對空間顏色組成均勻性進行校正，校正過程如式(6)～式(7)所示，S1、S2分別為校正值：

最后計算色調值H，明度值V，彩度值C，計算過程如式(8)～ 式(10)所示：

需注意，在土壤Munsell色卡中，色調由2.5的整數倍與英文顏色縮寫組合作為一個色調，如2.5YR、5YR、7.5YR等，實驗將2.5R計為2.5，2.5YR計為12.5，2.5Y計為22.5［17］，以此類推。

1.5 土壤顏色差異比較

測色儀與目測土壤顏色差異采用2種方式進行比較：

（1）用極值、極差、平均值、均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）等描述性統計參數進行比較，方法間極值、極差和平均值越接近，MSE、RMSE越接近于0，表明方法間差異越小［18］，測色儀測定越接近目測。

（2）根據相關研究［2-3］，采用土壤Munsell色卡差異等級，擬定土壤Munsell顏色差異等級如表1所示。為統一HV/C差異，1個ΔH單位為2.5個H計算值，即2.5YR計算值為12.5，5YR計算值為15，兩者計算差值2.5就是1個ΔH單位。差異等級越小，即越“微弱”，方法間差異越小，測色儀測值越接近目測。

表1 土壤Munsell顏色差異等級劃分規則Table 1 Rules for grading of difference in Munsell soil color

1.6 數據統計分析

描述性統計參數利用Excel2016計算，相關與回歸顯著性用SPSS22分析，圖表用ArcGIS10.2及Excel2016制作。

2 結 果

2.1 目測土壤Munsell顏色

目測土壤Munsell顏色統計參數見表2，頻率分布見圖2。H值范圍為12.50～22.50，即在2.5YR至2.5Y，共計5個色調，主要集中于YR色調，其中以5YR、10YR出現頻率最高，分別為33和30次，發生分類的紫色土18個剖面53個土樣，風干、過篩后均不顯示系統分類中紫色砂、頁巖巖性特征要求的RP色調；V值范圍為4.00～8.00，C值范圍為2.00～6.00，跨度不大。結合頻率分布（圖2）中土壤“明度/彩度”組合情況可以看出，5/3、5/4、6/4、7/4出現頻率較高，表明供試土壤總體表現為明度較高，彩度較低。

表2 目測土壤Munsell顏色Table 2 Ocular estimation of Munsell soil color

圖2 目測土壤Munsell顏色頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of Munsell soil color using the ocular estimation method

2.2 CM600d測定土壤Munsell顏色

CM600d測定土壤Munsell顏色統計參數如表3所示。

從實測結果來看，H值范圍為13.50～21.60，極差較目測偏小1.90，測定范圍較窄，平均值較目測偏黃0.98，但不足一個色調，MSE、RMSE分別為3.03和1.74，表明實測結果與目測差異較大。V值范圍為3.89～6.72，極差較目測偏小1.17，平均值較目測偏暗0.83，不足一個明度，MSE、RMSE分別為0.96和0.98，與目測差異較小。C值范圍為1.96～6.03，極差較目測偏大0.07，平均值偏小0.10，與目測較一致，MSE、RMSE分別為0.62和0.79，較H、V值更接近目測。

從用X Y Z的轉化結果來看，H值范圍為16.08～24.66，極差較目測偏小1.42，略大于實測值，平均值較目測和實測分別偏黃3.55、2.57，即偏黃1.42、1.03個色調，MSE、RMSE分別為15.10和3.89，較實測偏大12.07、2.15，即轉化后色調偏黃程度大于實測值。V值范圍為3.43～6.03，極差較目測偏小1.40，平均值偏暗1.37，與實測值相比，轉化值測定土壤Munsell顏色明度更暗。C值范圍為1.69～5.18，極差較目測偏小0.21，平均值偏小0.58，MSE、RMSE分別為0.90、0.95，但與實測值相比，仍與目測差異較大。

表3 CM600d測定土壤Munsell顏色實測與轉化結果Table 3 Measured Munsell soil color by CM600d and converted one

將CM600d實測值與目測值進行相關分析（圖3），結果表明，CM600d實測H、V、C值與目測值均在P＜0.01水平上相關，即呈極顯著相關；CM600d實測H、V值與目測值決定系數R2均大于0.7，而C值R2小于0.4，偏小。綜合1∶1線，CM600d測定土壤色調總體上較目測偏黃，主要表現在10YR以下色調；明度偏暗，彩度較為一致，與統計參數分析結果一致。

將CM600d實測HV/C值與用XYZ轉化的HV/C值進行相關分析（圖4），可以看出，轉化值與實測值之間存在極顯著相關關系，色系轉化公式存在色調偏黃、明度偏暗、彩度偏低現象，與Rossel等［19］研究結果一致。

2.3 Nix測定土壤Munsell顏色

Nix獲取的X Y Z值轉化成H V/C值后，其統計參數如表4。根據C M 6 0 0 d實測H V/C值與用X Y Z轉化的H V/C值的相關關系（圖4），再將轉化的HV/C值進行校正，結果列于表4。

圖3 目測與CM600d實測土壤Munsell顏色相關分析Fig. 3 Correlation analysis of visual and measured Munsell soil color by CM600d

圖4 CM600d測定土壤Munsell顏色實測值與轉化值相關分析Fig. 4 Correlation analysis of measured and converted Munsell soil color by CM600d

表4 Nix測定土壤Munsell顏色校正前后結果Table 4 Measurement of Munsell soil color by Nix before and after calibration

從表4可知，校正前，H值范圍為16.40～24.76，極差較目測小1.64，平均值偏黃3.82，即1.53個色調，MSE、RMSE分別為17.17和4.14，色調整體偏離程度大。V值范圍為3.91～6.82，極差較目測偏小1.09，平均值偏暗0.83，不足1個明度，與Rossel等［19］研究結果一致，MSE、RMSE分別為0.97和0.98，與目測值差異較小。C值范圍為2.02～5.77，極差較目測偏小0.25，平均值偏小0.12，MSE、RMSE分別為0.56和0.75，與目測較一致。

將校正前Nix測定值與目測值進行相關分析（圖5a），結果表明，校正前Nix測定值與目測值呈極顯著相關，H值決定系數R2為0.701 4，回歸線在1∶1線上方，表明Nix測定結果較目測偏黃；V值決定系數R2為0.706 5，回歸線位于1∶1線下方，表明Nix測定明度值較目測偏暗；C值R2偏低，為0.401 2，回歸線與1:1線交叉，這是由Nix測定C值較目測值上下偏移造成的。綜上，校正前Nix測定土壤Munsell顏色與目測差異較大。

圖5 目測與Nix測定土壤Munsell顏色校正前（a）后（b）相關分析Fig. 5 Correlation analysis of Munsell soil color between visual and Nix before (a), after (b) calibration

經校正，Nix測定H值范圍為14.60～24.76，極差較目測偏小2.91，平均值偏黃1.24，不足1個色調，MSE、RMSE分別為4.16和2.04，與校準前相比減少13.01、2.10。V值范圍為4.39～7.62，極差較目測偏小0.77，平均值偏暗0.24，MSE、RMSE僅為0.33和0.57，與校準前相比減少0.64、0.41，與目測結果較一致。C值范圍為2.35～6.60，極差較目測偏大0.25，平均值偏大0.42，校正后Nix測定彩度更鮮明、豐富，MSE、RMSE分別為0.78和0.88，與校準前相比，增加0.22、0.13。

校正后Nix測值與目測值的相關分析（圖5b）可發現，校正后，H值回歸線向下移動，更接近1∶1線，偏黃現象得到改善。V值回歸線對比校正前向上移動，偏暗現象得到改善。C值回歸線對比校正前向上移動，彩度更鮮明、豐富。R2校正前后變化不大，差值均小于0.01。

對比CM600d實測值與校正后Nix測定值。2種測色儀與目測之間雖存在一定差異，但均與目測存在極顯著相關關系，CM600d實測土壤Munsell顏色HV/C值MSE、RMSE分別為3.03、0.96、0.62和1.74、0.98、0.79，Nix校正土壤Munsell顏色HV/C值MSE、RMSE分別為4.16、0.33、0.78和2.04、0.57、0.88，CM600d在測定色調和彩度方面較Nix更接近目測，Nix測定明度較CM600d更接近目測。

同時對比圖3～圖5可以看出，測色儀與目測土壤Munsell顏色之間決定系數R2均不高，C值最為突出，主要表現在橫坐標點重合度高。由于使用色卡進行目測時，Munsell色卡色調均為2.5的整數倍，明度和彩度最小精度為0.5，使用測色儀時，其轉化值、測定值最小精度達0.01，測色儀在測定土壤Munsell顏色時較目測精度更高。

2.4 土壤顏色差異等級

從表1所示土壤Munsell顏色差異等級劃分規則可以看出，不同方式測定土壤Munsell顏色若差異等級為“微弱”，其限制性條件為方法間彩度必須滿足“ΔC＜1.5”，而色調與明度要求方法間差距（ΔH與ΔV）允許在一定條件下大于1.5。因此，當色調、明度、彩度差值均滿足小于1.5時，方法間差異等級一定為“微弱”。

統計方法間色調、明度、彩度單項差值小于1.5和同時滿足3項差值小于1.5的數量，如表5所示。可以看出，以目測值為參照，CM600d轉化值與Nix未校正值的4項指標分別為67.01%、63.92%、94.85%、38.14%和55.67%、90.72%、96.91%、49.48%，表明2種測色儀使用色系轉化公式測定色調均與目測差異較大，滿足條件“ΔH＜1.5”的數量僅為67.01%和55.67%，與Rossel等［19］研究結果一致。

采用實測值，或校正后，CM600d、Nix對比目測4項指標的數量分別增加28.87%、22.99%、2.06%、44.33%和40.21%、8.25%、-9.28%、32.99%，CM600d實測值較轉化值更接近目測，Nix經校正，除“ΔC＜1.5”數量略有下降，其余指標較校正前更接近目測。

表5 不同方式測定土壤Munsell顏色差異數量Table 5 Difference between the methods in measured Munsell soil color

對比CM600d實測值與Nix校正值可知，2種測色儀與目測滿足“ΔH＜1.5”數量均為95.88%，CM600d滿足“ΔV＜1.5”數量較Nix校正值少12.06%，滿足“ΔC＜1.5”數量較Nix校正值多9.28%，滿足“ΔHV/C＜1.5”數量均為82.47%。

表6 不同方式間測定土壤Munsell顏色差異等級Table 6 Grading of differences between the methods in measured Munsell soil color

利用表1所示土壤Munsell顏色差異等級，對不同方法測定的97個土樣HV/C值進行對比并劃分差異等級如表6所示。使用色系轉化2測色儀與目測差異等級為“微弱”“明顯”“強烈”的數量分別為39.18%、56.70%、4.12%和64.95%、26.80%、8.25%，未校正前，2種測色儀測定土壤Munsell顏色與目測差異較大。

采用實測值，或校正后，CM600d和Nix與目測差異等級為“微弱”“明顯”“強烈”的數量分別為90.72%、8.25%、1.03%和84.54%、14.43%、1.03%，差異等級為“微弱”數量分別增加51.54%和19.59%，差異等級為“明顯”數量分別減少48.45%和12.37%，“強烈”數量減少3.09%和7.22%。

對比CM600d實測值、Nix校正值與目測的差異等級，差異等級“微弱”數量CM600d較Nix多6.18%，差異等級“明顯”數量CM600d較Nix減少6.18%，“強烈”數量持平。因此，CM600d較Nix更接近目測，但是Nix經校正，與目測差異為“微弱”數量仍能保持在84%以上，效果良好。

對比2種測色儀實測值、校正后值的單項差值可以看出，測色儀間差異在色調、明度、彩度差異均小于1.5，2種測色儀間差異等級均為“微弱”，無“明顯”“強烈”差異等級出現，表明2種測色儀測定土壤顏色結果較一致，使用測色儀可助提高測定土壤Munsell顏色的精度。

3 討 論

土壤顏色是土壤理化性質的集中體現，是土壤系統分類一項重要指標。土壤系統分類判別土壤顏色目前主要采用Munsell色空間下的土壤色卡，采用目視判別［20］。隨土壤顏色與土壤理化性質之間的深入研究發現，采用Munsell色卡目測存在較大主觀性，且為定性結果，難區別細微色差，數學分析較難［21］。實驗中發現采用Munsell色卡目測較測色儀精度更低，主要表現在圖3、圖5中橫坐標點重合度高，沈星誠等［22］利用色卡目測和測色儀對“日本紅楓”葉片色彩進行測定，結果也表明色卡精度較測色儀更低。采用測色儀對土壤顏色進行判別，能避免目測判別中的主觀誤差，利用測色儀內置標準光源等設置減少環境造成的客觀誤差。目前土壤顏色描述以HV/C色度指標為主，應用則多為L*、a*、b*［23-25］等色度指標，采用能獲取多種色空間、色度指標的測色儀，更利于提升研究土壤顏色的數據種類、數量。

目前土壤顏色色系轉化公式之一，XYZ三刺激值向HV/C色度指標轉化公式存在一定誤差，主要表現在色調偏黃明顯［18］，實驗通過能直接獲取土壤HV/C的CM600d將XYZ轉化為HV/C，將轉化值與實測值進行相關分析，利用其回歸方程校正Nix轉化值，以降低公式誤差造成的影響。目前，色空間之間的相互轉化方式眾多，CIEYxy［26］、CIEL*a*b*［27］等色空間均不斷更新向Munsell色空間HV/C色度指標轉化方式與精度［28］，因此，下一步研究將選取合適色空間及色度指標，以明確其向土壤Munsell色空間轉化過程，以提升土壤顏色判別精度。

測色儀逐漸應用于土壤Munsell顏色測定，各類測色儀之間雖存在一定差距，但均能與目測保持較好的一致性。Islam等［9］使用Cary 5 000紫外-可見-近紅外分光光度計中可見光波段測定土壤Munsell顏色，其測定結果與目測值決定系數R2均保持在0.84以上，具有良好相關關系。Stiglitz等［12］對比了Nix與CR400色彩色差計，表明2種測色儀均能較好測定土壤Munsell顏色，且價格較低的Nix在測定干、潤2種狀態土壤均優于CR400。實驗選用Nix和CM600d與目測進行比較，結果表明，CM600d與目測差異在“微弱”等級的數量保持在90%以上，Nix略少，但也能保持在84%以上，且Nix測定土壤Munsell顏色明度優于CM600d。綜合兩者價格，CM600d售價在人民幣10萬左右，Nix官方售價為349美元（人民幣2 300元左右），土壤Munsell色卡價格在人民幣4 000元左右，因此，選用Nix輔助土壤顏色測定，有助于降低工作強度，增加數據精度；若對光譜數據要求更高 ，且對光源、色空間多樣性等有更多要求，價格較高、功能更豐富的分光測色計CM600d更能滿足研究需求。

4 結 論

通過2種原理不一樣、價格差距較大的測色儀與目測對風干土壤Munsell顏色進行測定，除H值偏黃外，V、C均有較一致的測定范圍，且不同方法間測定值均有極顯著相關關系。通過測色儀與目測差值劃分差異等級，使用CM600d和Nix測定土壤Munsell顏色與目測差異等級為“微弱”數量分別為90.72%和84.54%，Nix在判別土壤Munsell顏色明度方面更接近，且更具價格優勢。建議在研究者使用土壤Munsell色卡測定土壤顏色時，同時選用合適的測色儀進行輔助，以確保實驗數據精度，減少土壤顏色偏離問題產生。