近紅外反射土壤水分測量方法及主要儀器綜述*

殷 哲 單志杰 于 洋 秦 偉 郭乾坤 李 柏

（中國水利水電科學(xué)研究院/流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室/水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

土壤水分含量的準確測量對于農(nóng)田灌溉管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)及水文氣象預(yù)測等領(lǐng)域均有重要作用。長期以來，土壤水分測量方法的研究和相關(guān)儀器的研制開發(fā)受到廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)外測量土壤水分的方法多達幾十種[1]。常用方法包括烘干法、中子法、時域反射法（TDR）、頻域反射法（FDR）、遙感反演法等。烘干法（恒溫烘箱法）是測量土壤水分的傳統(tǒng)方法和國際公認的標準方法，但該方法需要耗費大量的時間、人力和物力，且對土壤有一定破壞，不利于野外長期、定點、連續(xù)、重復(fù)監(jiān)測。中子法[2]測量土壤水分始于20 世紀60 年代，該方法可實現(xiàn)野外定點連續(xù)觀測，但其輻射性對操作人員和環(huán)境有潛在危害。TDR[3]克服了中子儀測量法的放射性危害、測量精度較低等缺點，在相關(guān)科研領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但其測量空間分辨率低、且價格較高，探針的埋置方式會導(dǎo)致測量誤差。與TDR 測量土壤水分含量相比，F(xiàn)DR[4-5]具有快速、準確、連續(xù)測量、價格低、無污染以及未擾動被測土壤等優(yōu)點，但需要對不同類型土壤進行標定，操作復(fù)雜。遙感反演法測量土壤水分含量的應(yīng)用研究發(fā)展于20 世紀70 年代[6]，可長期對大區(qū)域的土壤水分狀況進行實時、快速監(jiān)測，但測量精度較低，且測定深層土壤水分含量的技術(shù)有待進一步研究[7-8]。

光譜學(xué)是通過光譜研究物質(zhì)與電磁波之間相互關(guān)系的重要交叉學(xué)科。1800 年，英國物理學(xué)家Herachel 在做光的色散實驗室，發(fā)現(xiàn)了近紅外光，但在20 世紀中葉之前，近紅外光譜技術(shù)并沒有引起科學(xué)家的重視，隨著計算機技術(shù)和光學(xué)元件的發(fā)展，近紅外檢測技術(shù)在科學(xué)研究和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域才得到廣泛應(yīng)用。

近紅外區(qū)域按照美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）的定義，是指波長在780-2 526 nm 范圍內(nèi)的電磁波[9]。當一束近紅外光照射樣品時，如果被照射樣品的分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段的光，則產(chǎn)生吸收光譜，發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)的吸收譜帶對應(yīng)于分子基頻震動的倍頻和組合頻[10-11]。近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于土壤水分含量測定的研究始于20 世紀60 年代，到20 世紀90 年代后期，該研究開始在中國逐漸開展起來[12]。該分析技術(shù)能夠滿足對物質(zhì)成分快速、非接觸、現(xiàn)場重復(fù)測量的要求，已經(jīng)被成功的應(yīng)用在土壤水分測量中，研究表明，物質(zhì)中的水分對近紅外光譜的特定波段有強烈吸收，其中土壤水分在近紅外光譜中的強烈吸收波段為1 400、1 900 和2 200 nm，利用水分對近紅外光譜的吸收特性，Norris 等[13]在1964 年設(shè)計了第一臺近紅外小麥水分儀，隨后，許多學(xué)者在儀器的設(shè)計和改進方面做了大量工作，研究方法和手段隨著計算機等硬件技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)相關(guān)統(tǒng)計方法不斷進步，測量準確度和精度不斷提高，面向?qū)嶋H應(yīng)用的傳感技術(shù)和儀器設(shè)備也有了長足發(fā)展。Skidmore 等[14]自行設(shè)計了近紅外儀器，使用發(fā)光二極管（LED）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的寬帶光源，在輸出能量能夠滿足測試需求的條件下，無需使用濾光片，同時儀器的耗能、體積減少。Bowman 等[15]設(shè)計了以LED 為光源的近紅外水分儀，以1 450 nm 波段作為水分的吸收波段，1 300 nm 作為參考波段，用以測量收割后黑麥草Lolium perenne 的水分，測量的水分范圍為20%-80%，Whalley 等[16]將Bowman 設(shè)計的儀器應(yīng)用于沙土和沙壤土的水分測量中，分析了此儀器在測量膨脹土壤含水量時存在的問題。本文將從近紅外土壤水分測量理論方法和先進儀器設(shè)備技術(shù)的研究進展兩方面，系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外研究進展和發(fā)展趨勢。

1 基于近紅外光譜學(xué)原理的土壤水分測量方法

1.1 基本理論

當一束近紅外單色光或復(fù)合光照射樣品時，如果被照射樣品的分子選擇性地吸收輻射光中某些頻率波段的光，則產(chǎn)生吸收光譜。分子吸收近紅外輻射（光子或能量）后會引起構(gòu)成分子中各化學(xué)鍵的震動，這些化學(xué)鍵震動的方式可以用簡諧振動模型來描述，表達式如下：

其中，n 為振動量子數(shù)；h 為普朗克常數(shù)，6.63×10-34m2·kg/s；k 為振動力常數(shù)；μ 為原子化學(xué)鍵減少的質(zhì)量。

當分子吸收光的能量等于分子不同震動能級之間的能量差時，就會使分子從低能級向高能級躍遷，形成吸收光譜。

其中，Ep為吸收光的能量；v 為入射光的頻率；h 為普朗克常數(shù)，6.63×10-34m2·kg/s；ΔEv為不同振動能級之間的能量差。

當含有一定水分的土壤受到近紅外光照射時，由于水分子中O-H 鍵的拉伸和彎曲，導(dǎo)致水分子的倍頻和基頻振動，不同形式的水對近紅外波段的光有強烈的吸收；倍頻和合頻構(gòu)成了近紅外光譜的核心部分，近紅外譜帶的產(chǎn)生和屬性（頻率，強度）取決于非諧性，非諧性最高的化學(xué)鍵是含有最輕原子的氫原子化學(xué)鍵，這些鍵在高能處發(fā)生振動，伸縮振動具有大的振幅，因此，具有很強的強度。水分子中O-H 鍵在近紅外光譜區(qū)有兩個特征吸收波段，1 940 nm 和1 450 nm 這兩個吸收波段分別是組合頻和O-H 鍵伸縮振動的一級倍頻引起的，因此物質(zhì)中的水分含量可以通過這些特征吸收來測定。

土壤水分對土壤表面的反射有一定的影響，在過去的幾十年中，大量學(xué)者在此領(lǐng)域進行了深入和廣泛的研究。一致的研究結(jié)果是，隨著土壤中水分的增加，土壤的反射強度減小。對于這個結(jié)果存在兩種分析，第一種認為水分引起對光的吸收，因為在近紅外波段區(qū)域，水分的吸收很強烈。第二種分析首先由Angstrom[17]提出，研究結(jié)果表明，當光射入干燥的土壤時，光會和土壤顆粒進行多次反射，產(chǎn)生散射，從而引起土壤表面強烈的反射，其主要原因是，對于干燥土壤，土壤顆粒周圍是空氣，土壤顆粒（nsoil,λ≈1.5）和周圍空氣（nair,λ≈1.0）有一定的折射系數(shù)，而對于濕潤土壤而言，土壤顆粒表面被水分包裹，水的折射系數(shù)約為1.33。土壤濕潤前后的折射系數(shù)的變化是引起土壤表面反射強度減小的原因，另外，覆蓋在土壤表面的一層水膜會導(dǎo)致一部分的散射光重新反射到空氣—水表面，引起光在土壤內(nèi)部傳播深度的增加，最終導(dǎo)致土壤對光的吸收增加，結(jié)果很少的光能夠從土壤表面反射。圖1 是對以上解釋的示意說明。

1.2 建模方法

1.2.1 相對反射率法 Liu 等[18]提出了相對反射率法，此方法是基于單波段的反射值。為最小化土壤類型對建立的土壤水分預(yù)測模型的影響，將一定水分含量下土壤表面的反射光強與相應(yīng)的干燥土壤表面的反射光強的比值稱為相對反射率，公式如下：

式中：R*為相對反射率；R（θ，λ）為一定土壤含水率時土壤表面的反射光強；R（0，λ）為干燥土壤表面的反射光強。

1.2.2 微分法 除了直接對土壤表面反射光強進行測量，然后換算為相對反射率進行分析外，還可以對反射光強進行微分變換，從中尋找對土壤水分敏感的光譜指標。微分光譜有助于限制低頻噪聲對目標光譜的影響。不同階數(shù)的微分（差分）值可以迅速確定光譜的拐點和最大最小反射光強的波長位置。一定波段的一階微分光譜如下式：

其中，λi和λi+1分別為兩個連續(xù)的波段。

圖1 土壤表面光的射示意Figure1 A sign of soil surface reflection

分別根據(jù)式（4）和（5）建立土壤含水率與反射光譜一階微分和吸收光譜一階微分之間的關(guān)系，找出最適合預(yù)測土壤含水率的波段進行建模預(yù)測。

1.2.3 相對吸收深度法 一般采用“連續(xù)統(tǒng)去除”法來提取光譜特征參數(shù)，將反射率歸一化到0-1，來獲取波段吸收深度值。歸一化處理如下式所示：

其中，R?為歸一化處理后的光譜反射率值，R為原光譜的反射率值，RC為平滑直線上的反射率值。

輸出的歸一化處理后的光譜反射率的取值范圍是0 到1，吸收深度通過下式進行計算：

其中，D 為吸收深度。

1.2.4 歸一化差異法 在光譜吸收波段區(qū)域，選取合適的肩部端點波長，可通過肩部端點處對應(yīng)波長的反射率來計算歸一化差異值，建立歸一化差異值與土壤水分之間的關(guān)系。歸一化差異值計算方法如下：

其中，ND 為歸一化差異值，無量綱，可選取適當?shù)膇 和j 波長值，建立其與土壤含水率之間關(guān)系；i 和j 分別為位于吸收波段左邊和右邊肩部端點處的波長；R[i]和R[j]分別為波長i 和j 對應(yīng)的反射率。

2 基于近紅外光譜特性的土壤水分測量儀器

近紅外光譜儀器一般由光源、分光系統(tǒng)、測樣部件、檢測器以及數(shù)據(jù)處理五部分構(gòu)成。根據(jù)光的分光形式，近紅外光譜儀可以分為濾光片型、光柵掃描型、固定光路多通道檢測、傅里葉變換以及聲光調(diào)諧等幾種類型[19]。

濾光片型光譜儀可分為固定濾光片和可調(diào)濾光片兩種形式，固定濾光片型光譜儀是光譜儀器最早的設(shè)計形式，設(shè)計簡單，成本較低，光通量大，堅固耐用，但該測量儀器只能在單一的波長下測定，所以適用范圍小[20]。光柵掃描型光譜測量儀器可以進行全譜掃描，分辨率較高，但該儀器抗震性較差，且光柵的機械軸長時間使用容易造成磨損，從而影響波長的精度。固定光路多通道檢測近紅外光譜儀的檢測器對所有波長的單色光同時檢測，可在瞬間完成幾十次甚至上百次的掃描累加，獲得較高的信噪比和靈敏度，另外，儀器內(nèi)無移動性部件，其使用的耐久性和可靠性得到保障[21]。傅利葉變換近紅外光譜儀器的掃描速度快、波長精度高、分辨率較好，且儀器的信噪比和測定靈敏度較高，但由于干涉儀中有移動性部件，測量時對工作環(huán)境穩(wěn)定性要求高[22]。聲光調(diào)諧近紅外光譜儀器采用具有較高的聲光品質(zhì)因素和較低的聲衰減的雙折射晶體制成分光器件，具有測量速度快、精準度較高、能夠長時間穩(wěn)定工作等特點[23]。

2.1 實驗室商用儀器

1985 年，Kano 等人[24]設(shè)計了有兩個固定濾光片、雙通道檢測器的土壤水分測定儀器，通過求積圓柱體和兩個小窄帶干涉濾光片1 800 nm 和1 940 nm 得到光譜反射強度，然后確定土壤水分含量，對于土壤含水率為5%-35%的粘壤土，測量的標準誤差為1.9%。彭玉魁等人[25]采用美國Neotec 公司生產(chǎn)的51A 型近紅外光譜分析儀對中國黃土區(qū)的土壤水分進行了分析評價，該儀器的旋轉(zhuǎn)濾波系統(tǒng)裝有6 個傾斜式濾光片，共計768 個波長點，掃描1 500-2 360 nm 近紅外光譜區(qū)，分析結(jié)果表明紅外光譜分析法與實驗室化學(xué)分析法之間具有較高的相關(guān)性，具有快速、準確、低耗等優(yōu)點。光柵掃描型儀器是近紅外儀器的主流，與濾光片型儀器只能獲得幾個確定波長下的光譜數(shù)據(jù)不同，光柵掃描型儀器能夠獲取一定波長范圍內(nèi)的光譜圖，通過化學(xué)計量學(xué)技術(shù)全譜校正和建模方法的應(yīng)用，可以提取更多樣品結(jié)構(gòu)信息。Chang 等[26]利用光柵掃描型光譜儀對土壤樣品的400-2 498 nm 波段范圍進行光譜數(shù)據(jù)采集，測得土壤水分含量標準偏差為3.5%，均方根誤差（RMSE）為2.0%。

孫建英等人[27]采用由美國Thermo Nicolet 公司生產(chǎn)的Antaris 型傅里葉變換近紅外光譜儀，以中國北方潮土為研究對象對其進行土壤水分測量，該光譜測量儀配有光導(dǎo)纖維探頭，可直接將探頭插土壤中進行測定，該儀器的光譜測量范圍為833-2 500 nm。采用傅里葉變換近紅外光譜儀對采集的原始土樣測量得到吸收光譜數(shù)據(jù)，進行相關(guān)分析后建立了土壤水分的預(yù)測模型，并為后期開發(fā)便攜式土壤水分測量儀奠定基礎(chǔ)。何挺等人[28]采用ASD Pro FR 地物光譜儀在波長為350-2 500 nm 的范圍內(nèi)分析了不同類型土壤的測試光譜數(shù)據(jù)，通過建立光譜與土壤含水率的定量關(guān)系以及探測土壤水分含量最為敏感的光譜特征，確定了土壤含水率與 1 450 nm 處的光譜吸收特征峰面積、位置和深度存在良好的線性回歸關(guān)系。

2.2 便攜式近端感應(yīng)儀器

傳統(tǒng)的商用近紅外光譜儀器重量大，且體積較大，在一定環(huán)境條件下不容易接近被測樣品，因此不適合用于野外現(xiàn)場監(jiān)測。近端感應(yīng)測量技術(shù)包括手持式測量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場快速檢測土壤特性。

從光源和探測改進方面提高儀器的便攜性，Zhou 等[29]設(shè)計了一種基于LED 光源的反射式近紅外土壤水分探測器，探測器由可以發(fā)出不同波段的LED 光源和光源探測器組成，可以用于野外實時監(jiān)測土壤水分含量。Ben-Dor 等人[30]設(shè)計了一款手持式近紅外光譜探測器，儀器首先被插入一個事先鉆好的圓柱形孔中，當探測器的探頭達到測試深度后，開啟儀器并收集土壤的光譜數(shù)據(jù)，將收集到的土壤反射光信號通過光纖傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析與處理，測量得到土壤剖面一些土壤參數(shù)。

Auer 和Bowie[31]研發(fā)了一種用于測量一定深度下土壤水分含量的儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤不受擾動且測量結(jié)果不受土壤類型和土壤質(zhì)地影響?；诠庾V技術(shù)，Kano 和Skaggs[24]開發(fā)了一種便攜式儀器，并通過相關(guān)試驗對該儀器性能進行了相關(guān)分析，但測量結(jié)果受到土壤類型以及土壤質(zhì)地的影響。Hummel 等人[32]研發(fā)了一種實時的便攜式光譜測量儀器，測量波長范圍為400-1 700 nm，用于測量地下土壤的反射率，通過分析反射光譜確定土壤水分等相關(guān)土壤參數(shù)。

一些學(xué)者設(shè)計了近紅外傳感器，將其安裝在牽引機上，作為行走式土壤含水率測量系統(tǒng)[33]。行走式田間實時測量儀器主要通過鋼柄底部的濾光片而測量獲得土壤的反射數(shù)據(jù)，測量結(jié)果可以指導(dǎo)農(nóng)田灌溉作業(yè)。

3 結(jié)論

近紅外反射光譜技術(shù)是一門涉及多學(xué)科交叉融合的研究領(lǐng)域，包括光譜學(xué)、數(shù)學(xué)、分析化學(xué)和儀器設(shè)計等。將近紅外光譜法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的土壤分析方法，對土壤測試領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義，傳統(tǒng)土壤分析方法取樣和樣品制備需要消耗大量的人力和物力。近端感應(yīng)技術(shù)在土壤水分測量方面具有顯著的優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用過程中仍存在影響測試結(jié)果的限制因素，如土壤表面植被、礫石、土壤鹽分、土壤顏色和質(zhì)地等，針對目前近紅外反射光譜技術(shù)國內(nèi)外的研究進展，提出以下幾方面的展望建議。

3.1 模型發(fā)展

近紅外光譜法對土壤水分的準確測量要依靠預(yù)測模型，因此必須應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)技術(shù)建模，從模型中找出相關(guān)的信息。因為樣品的類型不同，要使樣品的物理和化學(xué)特性包含在校正模型中，就必須應(yīng)用不同的校正模型。目前，通用預(yù)測模型滿足所有類型土壤水分的測量還難以實現(xiàn)，未來也是一個突破點和研究方向。

3.2 光譜數(shù)據(jù)庫建設(shè)

土壤光譜學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了將近30 年的發(fā)展歷程，大量的研究論文和重要的研究結(jié)果已經(jīng)在過去20 年時間得到公布并成功應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域。很明顯，這項技術(shù)在土壤分析領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為了更好的理解土壤光譜學(xué)中土壤可變性和復(fù)雜性，需要對土壤和光之間的相互作用關(guān)系有一個更加深刻的研究，揭示土壤反射和吸收的物理基礎(chǔ)。未來，通過大量的數(shù)據(jù)收集和研究，建立全國土壤光譜數(shù)據(jù)庫，進一步支撐我國土壤基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展。

3.3 先進儀器技術(shù)

目前，商用光譜儀器和先進的近端感應(yīng)傳感技術(shù)在土壤領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但是，受測量樣品、環(huán)境、光譜采集分辨率的影響，光譜反射技術(shù)在土壤領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展緩慢，目前的儀器只是在實驗室內(nèi)應(yīng)用，而且價格昂貴。能夠直接用在田間，針對性強，便攜式的近端感應(yīng)設(shè)備還比較少，因此，便攜近紅外土壤分析儀將是未來近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展方向。