基于遙感數(shù)據(jù)分析山西省土壤有機(jī)質(zhì)空間分布

張紅麗　權(quán)騰

摘要：本文利用TM影像分析山西省土壤有機(jī)質(zhì)含量的空間分布，將山西省根據(jù)地形地貌劃分成四個(gè)區(qū)域，在對(duì)影像進(jìn)行預(yù)處理后，利用SAS分別建立四個(gè)區(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型，通過(guò)計(jì)算得到2008年山西省的耕地土壤有機(jī)質(zhì)空間分布。結(jié)果顯示，山西省的土壤有機(jī)質(zhì)含量多數(shù)介于3.42g/kg～29.62g/kg之間，而且呈現(xiàn)出從北向南、從西向東逐漸升高的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：TM遙感影像；山西省；反演模型；土壤有機(jī)質(zhì)

1. 引言

土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于增加土壤肥力以及促進(jìn)植物生理活性具有重要意義[1]。研究土壤有機(jī)質(zhì)的空間分布，可以提高土壤質(zhì)量，確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。遙感技術(shù)已被廣泛地使用在土壤調(diào)查之中。相比傳統(tǒng)土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定方法，遙感技術(shù)具有時(shí)限性與可獲取性等優(yōu)勢(shì)。本文使用遙感影像分析山西省土壤有機(jī)質(zhì)空間分布，可以有效地促進(jìn)山西省的資源轉(zhuǎn)型。

2. 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

山西省地處華北西部的黃土高原東翼。地理坐標(biāo)為東經(jīng)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(duì)較復(fù)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(nèi)坡地與旱地較多，且耕地產(chǎn)量較低。

2.2 土壤樣品處理

本研究將山西省2008年的耕地評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)作為土壤樣品數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（0cm～20cm）均勻篩選，剔除異常值[3]后，得到392個(gè)土壤樣品。

2.3 遙感技術(shù)測(cè)定法

2.3.1 遙感影像預(yù)處理

本文采用Landsat-5TM的L2級(jí)TM數(shù)據(jù)，影像獲取時(shí)間為：2008年3月和2008年11月，和本次獲取的土壤樣點(diǎn)時(shí)間基本一致。所使用的影像已經(jīng)過(guò)系統(tǒng)輻射校正和幾何校正，仍需要進(jìn)一步的輻射校正等處理。輻射校正包括輻射定標(biāo)、大氣校正。消除系統(tǒng)誤差采用的是輻射定標(biāo)，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(zhuǎn)換為輻射亮度值L，然后使用不變目標(biāo)法相對(duì)大氣校正方法清除光照等對(duì)地物反射的影響。對(duì)影像采用先輻射歸一化后拼接，從而合成研究區(qū)的遙感影像圖。

2.3.2 耕地圖層提取

結(jié)合使用監(jiān)督與非監(jiān)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(shí)際耕地面積相差約6%，結(jié)果表明分類精度較高。

2.3.3 處理光譜數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)可見(jiàn)光區(qū)域的光譜值進(jìn)行對(duì)數(shù)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(fā)現(xiàn)，低階微分處理后的光譜數(shù)據(jù)能夠去除部分光照等因素的影響[5]。本文對(duì)光譜值采取各種數(shù)學(xué)變換，找出對(duì)有機(jī)質(zhì)含量最敏感的指標(biāo)。

2.3.4 劃分區(qū)域

本研究根據(jù)山西省地形地貌、土壤等自然因素，把山西省劃分成四個(gè)區(qū)域：中南部盆地邊山丘陵區(qū)、北部邊山丘陵區(qū)、西部黃土丘陵溝壑區(qū)、東部丘陵低山區(qū)。根據(jù)四個(gè)區(qū)域分別反演的山西省土壤有機(jī)質(zhì)含量更準(zhǔn)確。

2.3.5 模型建立與驗(yàn)證

經(jīng)對(duì)比得出，有機(jī)質(zhì)含量和對(duì)應(yīng)的光譜值及其數(shù)學(xué)變換之間采用指數(shù)關(guān)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(jī)質(zhì)反演模型，最后，采用均方根誤差驗(yàn)證模型。

3. 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量與光譜值之間的關(guān)系

3.1.1 中南部模型建立與驗(yàn)證

使用中南部盆地邊山丘陵區(qū)71個(gè)樣本，在SAS軟件中經(jīng)過(guò)多元逐步回歸分析，建立中南部區(qū)域有機(jī)質(zhì)反演模型如下：

（1）

采用36個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)樣點(diǎn)系數(shù)R2=0.64，模型精度較高。

3.1.2 北部模型建立與驗(yàn)證

使用51個(gè)樣點(diǎn)建立北部土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型為：

（2）

采用38個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)樣點(diǎn)系數(shù)R2=0.62。

3.1.3 東部模型建立與驗(yàn)證

使用57個(gè)樣點(diǎn)建立東部土壤有機(jī)質(zhì)含量的反演模型為：

（3）

使用39個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行模型驗(yàn)證，檢驗(yàn)樣點(diǎn)系數(shù)R2=0.60。

3.1.4 西部模型建立與驗(yàn)證

采用61個(gè)樣點(diǎn)建立西部土壤有機(jī)質(zhì)反演模型為：

（4）

采用39個(gè)樣點(diǎn)驗(yàn)證模型，檢驗(yàn)樣點(diǎn)系數(shù)R2=0.66。

3.2 山西省表層土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布

將四個(gè)區(qū)域遙感影像耕地圖，分別通過(guò)各自區(qū)域模型進(jìn)行運(yùn)算后，得到如下山西省耕地有機(jī)質(zhì)分布，如下圖1所示：

結(jié)果顯示，山西省耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量從西北到東南逐漸升高。全省地勢(shì)從西北到東南依次降低。西北部是黃土高原，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，大多介于3.42g/kg～8.66g/kg之間。晉北地勢(shì)較高，雨水少，多數(shù)為旱生草本植物，土壤有機(jī)質(zhì)含量最低。東南部有機(jī)質(zhì)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(qū)域土壤有機(jī)質(zhì)含量大于29.62g/kg。中部地區(qū)大多為潮土，其保肥性能較好，所以其有機(jī)質(zhì)含量也相對(duì)較高。有機(jī)質(zhì)含量由北到南依次過(guò)渡到13.91g/kg～19.14g/kg，部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)19.14g/kg。西部區(qū)域有機(jī)質(zhì)含量低于東部區(qū)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(qū)。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(jī)質(zhì)含量空間分布的主要原因。

4. 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)遙感影像預(yù)處理及對(duì)光譜值采取各種數(shù)學(xué)變換，分別建立了山西省四個(gè)區(qū)域的土壤有機(jī)質(zhì)含量反演模型。結(jié)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(jī)質(zhì)含量的空間分布。在后續(xù)研究中，采用高光譜遙感技術(shù)建立模型，能夠更精準(zhǔn)地獲取土壤光譜信息，提高模型精度。

參考文獻(xiàn)：

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