遥感地学分析-第4章土壤遥感

遥感地学分析遥感地学分析第四章土壤遥感遥感地学分析第四章土壤遥感第一节土壤波谱特征及其变化规律1.1土壤辐射传输1.2土壤反射光谱特征1.3土壤反射光谱特征影响因素1.4我国土壤反射光谱曲线的基本类型第二节土壤光谱遥感最佳波段第三节土壤干旱遥感监测第四节土壤侵蚀遥感调查遥感地学分析第四章土壤遥感土壤是覆盖地球表面的具有农业生产力的资源，能够为植物生长提供营养成分、水和自然支撑，是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈相互作用的产物。土壤遥感是应用遥感手段研究土壤科学的技术。根据电磁波辐射原理，通过各种传感器远距离接收土壤反射或发射的电磁波谱信号，经加工处理后，得到能直接识别的图像或供电子计算机处理的电子数据，通过分析这些图像和数据可以掌握土壤特性、土壤类型、分布规律和利用现状，从而绘制土壤图，计算土壤类型分布面积。遥感地学分析第四章土壤遥感土壤遥感能对某些土壤性状、水分含量、养分供应状况，以及对土壤盐渍化、沼泽化、风沙化、水土流失、土壤污染等变化进行动态监测，为合理开发、利用与管理土壤资源及时提供科学数据。遥感地学分析第一节土壤波谱特征及其变化规律1、土壤反射光谱特征1.1土壤的辐射传输–土壤是由固体、液体、和气体组成的三相系统，其中固相颗粒是组成土壤的物质基础。–固相颗粒的排列方式、孔隙数量和大小以及团聚体的数量和大小等决定了土壤结构。–电磁辐射在土壤中与土壤颗粒、水分等发生碰撞，并在土壤孔隙中传输，被吸收或散射，最后从土壤表层反射并被传感器接收。这一过程与土壤结构密切相关，土壤结构的不同将导致土壤中多次散射次数、散射方向性、后向散射能量大小的差异。遥感地学分析第一节土壤波谱特征及其变化规律1.2土壤反射光谱特征–土壤是岩矿的风化产物，其主要物质组成与岩矿一脉相承，因而土壤和岩矿的光谱反射特性在整体上基本一致：即反射率从可见光的短波段起随波长的增加而逐渐抬升。–但土壤是岩矿经历不同的风化过程，又是在不同的生物气候因子和人类长期耕作活动的共同作用下形成的，因此，土壤类别是多种多样的，其光谱反射特性也必然相应地发生许多变化。遥感地学分析第一节土壤波谱特征及其变化规律1.3土壤反射光谱特征的影响因素土壤是一种极其复杂的多孔体系，由不同含量的矿物质、水分、气体和土壤有机质组成。土壤反射率由土壤的组成成分及其结构的内在的散射和吸收性质决定。土壤反射光谱受土壤地球化学（矿物成分、湿度、有机质、氧化铁含量、土壤结壳等），几何光学散射（几何、照明、微粒形状、大小、方位、粗糙度）以及外部环境（气候、风化程度、植被覆盖度、落叶）等因素的影响。遥感地学分析第一节土壤波谱特征及其变化规律1.3土壤反射光谱特征的影响因素其中土壤有机质、氧化铁和水分含量、土壤质地、土壤母质等性状均明显地随地理分布的差异而不同。因此，土壤光谱的反射特性也必然会随土壤地理的分布规律和土壤剖面而发生变异。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响土壤由固相（矿物质：原生矿物和次生矿物；有机质：有机氮、脂肪、碳水化合物、糖类等），液相（土壤水分或溶液）和气相（土壤空气）三相物质有机组成。–按容积计，矿物质占38-45%，有机质占5-12%，孔隙约占50%；–按重量计，矿物质的固相占90%以上，有机质占1-10%对土壤光谱影响较大的组分包括土壤水分、有机质、氧化铁。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响1）土壤水分含量对土壤光谱的影响–土壤水分是土壤的重要组分，不仅是植物生活必需物质，且是土壤系统中物质与能量的流动介质。–土壤水分来源于大气降水、地下水、灌溉水和大气凝结水；损耗于土壤蒸发、植物吸收、植物蒸腾和水的渗漏与径流。–通常给定地区，土壤特性中的土壤水分随时间和空间的变化最大。–因此，一定时间内，土壤的反射率主要随土壤粗糙度和土壤水分含量的变化而变化。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响1）土壤水分含量对土壤光谱的影响–土壤水分即土壤湿度。一般情况下，土壤水分含量与反射率呈反比，甚至可以认为土壤水分含量与反射率之间在一定范围内呈线性关系。–由于各种土壤的持水能力有差异，导致反射率变化对应于湿度变化的灵敏度范围也不同。一般含水量在10%～25%,反射率变化显著。而持水性差的土壤,其灵敏度范围可能小于10%。当超过田间持水量时,由于土壤表面膜水层形成镜面反射,反而会提高反射率。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响1）土壤水分含量对土壤光谱的影响–在土壤光谱曲线中，1.45um和1.95um两个波段处有两个强吸收谷；在0.97um、1.2um与1.77um处有三个弱吸收谷–都是土壤水分子振动的倍频或合频引起的。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响1）土壤水分含量对土壤光谱的影响–总体讲：随着土壤含水量的提高，任意波长的反射率均会降低，而且其差异随波长的增加而加大；但当土壤含水量超过田间持水量时，由于土壤表面膜水层形成镜面反射，反而会提高反射率。–因此,尽可能应用近红外波段来估计土壤水分含量。遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱的影响–土壤矿物成分是土壤固相物质之一，是土壤的主要组成物质，构成了土壤的“骨骼”。–土壤矿物质基本来自岩石风化形成的成土母质，对土壤的形成与土壤肥力的发展有重要影响。主体元素：O，Si，Al，Fe，Ca，Na，K，Mg，Ti主要矿物（地质作用所形成的天然单质或化合物）：石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、赤铁矿、磷灰石、以及蒙脱石、高岭石和伊利石–矿物的化学组成、物理特性、风化难易程度和风化产物的差异，都深刻影响土壤性质。1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱的影响–岩石、矿物在350-2500nm光谱范围内的吸收和反射机理吸收：原子内部呈离散能量状态，导致电子存在于各自轨道上。当电磁波照射到处于低能级状态的原子上时，其能量的一部分会被吸收，造成能级提高，使电子向上一级轨道移动反射：当电子从高能级向低能级跃迁时，就会辐射出一定波长的电磁波1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱的影响–岩石、矿物在350-2500nm光谱范围内的吸收和反射机理可见光区的光谱主要由土壤成分中的Fe3+和Fe2+引起。–Fe2+吸收波长位于0.43、0.45、0.51、0.55和1.0——1.1um–Fe3+吸收波长位于0.40、0.45、0.49、0.70、0.87um1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱的影响–岩石、矿物在350-2500nm光谱范围内的吸收和反射机理近红外的反射和吸收是油分子与晶格的振动引起，是由土壤成分中的H2O、OH-和和CO32+等离子基团的倍频或合频引起。–水的倍频和合频两个特征谱带是：1.4和1.9um–土壤中次生黏土矿物层间的结合水（OH-）在2.2um（高岭石）和2.3um（蒙脱石）出现吸收峰–CO32+的倍频或合频出现在2.35和2.55um1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱影响–典型成土矿物的（0.4-2.5um）光谱特性高岭类矿物：2.2um处有极强的铝配位的羟基谱带，1.4um极强的OH-吸收带，1.9um较弱的H2O吸收带，因其无层间水和膨胀性差的特征。遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱影响–典型成土矿物的（0.4-2.5um）光谱特性蒙脱石类矿物：最强的1.9um水吸收带，相对较弱的1.4um和2.2um的吸收，因富含层间水最多，膨胀性和吸湿性强的特征。遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱影响–典型成土矿物的（0.4-2.5um）光谱特性蛭石：1.4和1.9um处具有宽口“V”形强吸收带，易于蒙脱石混淆，需辅以其他光谱特征识别，如2.2um和2.3um较弱吸收等遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱影响–典型成土矿物的（0.4-2.5um）光谱特性伊利石：反射光谱特殊，羟基等水谱带特征几乎看不出，与云母的定向排列和测量光束的取向作用有关，是云母类矿物光谱的主要特征。在2.2um有较强吸收，在1.4和1.9um仅有浅窄的凹形吸收口。低反射，谱线斜率基本一致而区别于其他矿物。遥感地学分析2）土壤矿物成分对土壤光谱影响–典型成土矿物的（0.4-2.5um）光谱特性区别矿物的二八或三八面体：–二八面体在2.2um呈由三价铝离子配位的OH-吸收谱带；–三八面体在2.3um呈由二价镁离子配位的OH-吸收谱带遥感地学分析3）氧化铁含量对土壤光谱影响–土壤中的部分含铁矿物被风化为铁的氧化物，如针铁矿、赤铁矿、褐铁矿，它们均以胶体状态覆于土壤颗粒表面。–土壤在可见光波段的许多吸收特征都是铁氧化物引起，铁氧化物的存在导致土壤在整个波段范围的反射率下降。–由于土壤中铁大量存在，几乎所有土壤的光谱反射率都朝着蓝波段方向下降，这种下降甚至可扩展至紫外。1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析3）氧化铁含量对土壤光谱的影响–一般而言，0.62-0.72um和0.82-0.92um，土壤反射率与氧化铁含量多少呈正相关；–在1.55—1.75um，2.08-2.32um波段呈负相关。。1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析3）氧化铁含量对土壤光谱影响–土壤氧化铁含量增加时，可见光与近红外部分吸收增强，由于在0.5-0.72um波段的吸收增强幅度不大，因此土壤出现黄红色。–旱作土壤中，氧化铁随结晶体水的多少不同而表现出不同颜色：当土壤处于还原状态时，土壤呈现出蓝绿、灰蓝色；当土壤处于氧化状态时，土壤呈红、黄色。–氧化铁与有机质对土壤的光谱特性的影响都发生在可见光和近红外波段，因此，定量区分有机质和氧化铁对光谱反射率的贡献难度较大。1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响4）有机质含量对土壤光谱的影响–土壤中有机质指土壤中动植物残体和微生物体及其分解和合成的物质。动植物残体及其分解产物占有机质总量的10%-50%；土壤腐殖质占土壤有机质的85%-90%。遥感地学分析4）有机质含量对土壤光谱的影响–就同一类型的土壤而言,有机质含量的高低与土壤颜色的深浅有直接关系。有机质含量高时,土壤呈深褐色至黑色;有机质含量低时土壤呈浅褐色至灰色。–通常颜色愈深的土壤,其光谱反射率愈低,而其相对肥力则愈高。1.3.1土壤组分的影响遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响4）有机质含量对土壤光谱的影响–有机质对土壤光谱的影响主要在可见光波段，在近红外波段的影响显著减小。对有机质比较敏感的波段为0.5-1.2um；一般在0.4-2.5um波长范围内，土壤有机质含量与其反射率成反比，有机质导致整个波段土壤反射率下降；有机质含量超过2%时，其引起的土壤反射率下降可能掩盖其他成分的光谱特性；有机质超过90%后，影响范围不再增长。遥感地学分析1.3.1土壤组分的影响4）有机质含量对土壤光谱的影响有两个光谱特征指标比较有机质含量的高低:其一是0.4～1.1um(特别是620～660nm)平均反射率的高低。有机质含量越高,反射率越低;其二是光谱曲线在0.6um处的形态,即0.6um处光谱曲线的“弓曲差”的大小。有机质含量越高,“弓曲差”越小,曲线越平直。反之亦然。–在含量0.5%～5%时,估测精度较高。–可见光和近红外是土壤有机质分类的最重要波段。遥感地学分析1.3.2土壤物理属性的影响土壤的物理性质包括：–颜色、–质地、–结构、–松紧度、–干湿度、–孔隙度等遥感地学分析1.3.2土壤物理属性的影响1）土壤质地和黏粒含量对对土壤光谱的影响–土壤质地指土壤颗粒的大小、粗细及其匹配状况。–土壤质地一般分为沙土、壤土和黏土。–土壤质地影响反射率的原因：影响土壤蓄水能力，较大颗粒之间能容纳更多的空气和水；土壤颗粒大小对土壤反射率有显著影响，颗粒越小，彼此的结合越紧密，土壤表面越光滑，反射率越大遥感地学分析1）土壤质地和黏粒含量对对土壤光谱的影响–但是，土壤质地对反射光谱的影响不仅与不同粒径组合及表面状况(糙度和阴影)有关,而且与不同粒径的化学组