1、隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展也迫切要求遙感技術(shù)能夠提供快速、準(zhǔn)確的地表信息。高光譜遙感具有光譜分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠在特定光譜范圍獲取較為連續(xù)的地物光譜曲線，使地物信息在光譜維上進(jìn)行展開，從而使高光譜數(shù)據(jù)能夠以足夠高的光譜分辨率區(qū)分出那些具有診斷性光譜特征的地物，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)或反演。對(duì)于土壤來說，其水分含量、有機(jī)質(zhì)含量、表面粗糙度、質(zhì)地等特性是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的信息。大量

2、研究表明：土壤的光譜特性與土壤的理化性質(zhì)有著明顯的關(guān)系，土壤的光譜特性是由土壤本身的性質(zhì)決定的。高光譜遙感正是由于其極高的光譜分辨率在土壤特性的研究中表現(xiàn)出巨大的研究潛力。 二向性反射是自然界中最基本的宏觀現(xiàn)象之一，物體表面的反射隨著太陽(yáng)入射角和觀測(cè)角的變化有明顯差異，從觀察到的陰影變化也可以推斷出物體的某些結(jié)構(gòu)特征。目標(biāo)物的二向性反射特性，無論是在遙感模型還是在遙感反演研究中都扮演著重要的角色。土壤二向反射特性的研究對(duì)定量遙感

3、及土壤遙感技術(shù)的本身發(fā)展有著重要意義，是進(jìn)行地表溫度、地表反照率等方面反演必須解決的問題，同時(shí)也是全球地面覆蓋遙感研究所要考慮的背景因素。此外，土壤反射率的方向分布還潛在地?cái)y帶有土壤的一些屬性如土壤濕度、有機(jī)質(zhì)含量、礦物組成、粒徑分布以及表面粗糙度等的信息。因此，開展土壤的BRDF數(shù)學(xué)模型及模型驗(yàn)證研究、多角度模型反演是當(dāng)前土壤定量遙感研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 本研究以高光譜土壤信息的分析、提取方法為中心，以高光譜遙感為技術(shù)支持，著重

4、研究運(yùn)用不同的數(shù)據(jù)處理和建模方法，建立了多組土壤特性預(yù)測(cè)模型，成功地實(shí)現(xiàn)了部分土壤特征性質(zhì)的預(yù)測(cè)；利用不同類型的土壤BRDF(Bidirectional Reflectance Distribution Function)模型對(duì)室內(nèi)及室外土壤二向反射率進(jìn)行了模擬并反演了模型的參數(shù)，探討了土壤表面狀況對(duì)模型參數(shù)的影響。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果概述如下： (1)不同濾波方法平滑去噪效果及其對(duì)預(yù)測(cè)模型精度影響評(píng)價(jià)研究采用移動(dòng)平均(MA)、中

5、值(MV)、SAVITZKYGOLAY(SG)、低通濾波(LP)、GAUSSIAN濾波(GS)、小波去噪(WD)等方法對(duì)土壤光譜曲線分別進(jìn)行濾波，并構(gòu)建平滑指數(shù)(SI)、橫向特征保持指數(shù)(HFRI)和縱向特征保持指數(shù)(VFRI)對(duì)平滑效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：總體上平滑能力越強(qiáng)必然導(dǎo)致特征位置橫向和縱向保持能力越差，而橫向特征保持能力越好其縱向保持能力也越好；GS去噪方法最差，其平滑效果和特征保持都不理想。WD和MV是平滑效果最好，曲線的

6、特征保持相對(duì)較好，能夠較好的平衡平滑能力和特征保持能力這一矛盾體：MA和LP平滑效果不佳，但其特征保持能力強(qiáng)，并不能很好的平衡兩者之間的矛盾。 利用六種濾波去噪方法對(duì)土壤光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，采用偏最小二乘回歸方法(PLSR)構(gòu)建濱海鹽土砂粒含量預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明：WD構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型用到的主份量個(gè)數(shù)少，砂粒含量預(yù)測(cè)精度最高；而主份量最多的MA、GS和SG對(duì)砂粒含量預(yù)測(cè)精度較低；在平滑與特征保持平衡上較好的WD和MV濾波方法，砂粒含

7、量預(yù)測(cè)精度也較高，平滑能力最差的MA對(duì)其的預(yù)測(cè)精度最低；這說明在光譜平滑和特征保持方面，濾波器平滑效果的好壞是影響預(yù)測(cè)砂粒含量精度主要的因素，而特征保持能力雖不是主要影響因素，但也是不可忽略的因素。 (2)不同數(shù)據(jù)處理及建模方法對(duì)濱海鹽土砂粒含量的預(yù)測(cè)研究對(duì)使用小波去噪和10nm間隔重采樣后的光譜數(shù)據(jù)分別采用歸一化(NOR)、一階微分(FD)、基線糾正(BL)、標(biāo)準(zhǔn)化(SNV)和多次散射糾正(MSC)等5種處理，加上原始無處理(

8、NO)數(shù)據(jù)共6種不同處理方式，采用偏最小二乘法(PLSR)和主成分回歸法(PCR)兩種線性模型以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和支持向量機(jī)(SVM)兩種非線性模型分別建立砂粒含量的預(yù)測(cè)模型。從數(shù)據(jù)預(yù)處理角度看，對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的預(yù)處理對(duì)砂粒含量的預(yù)測(cè)精度影響較大，其中FD處理效果最差，而SNV和MSC處理效果最佳，而經(jīng)過NOR、FD、BL三種處理后，砂粒含量預(yù)測(cè)精度并沒有提高反而有所下降；從模型角度看，在線性模型下，除了BL外，其他方法

9、處理后砂粒含量預(yù)測(cè)精度相差不大，兩種線性模型均較為穩(wěn)定，而非線性模型非常不穩(wěn)定，受數(shù)據(jù)預(yù)處理影響較大。 (3)不同數(shù)據(jù)處理及建模方法對(duì)水稻土有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)研究以水稻土為對(duì)象，研究利用土壤光譜反射率及其各種變換形式建立土壤有機(jī)質(zhì)含量的預(yù)測(cè)模型。單相關(guān)分析結(jié)果表明，反射率及其變換形式數(shù)據(jù)與有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)最大的波段都落在可見光波段內(nèi)，反射率經(jīng)過倒數(shù)的一階微分(1/R)變換后，與有機(jī)質(zhì)之間的相關(guān)性有明顯的提高，但并未提高有機(jī)質(zhì)含量

10、預(yù)測(cè)的精度；預(yù)測(cè)能力最強(qiáng)的變化形式是對(duì)數(shù)的倒數(shù)1/logR；在進(jìn)行光譜變化的基礎(chǔ)上，利用PCR建立的有機(jī)質(zhì)含量預(yù)測(cè)模型所需用到的成分?jǐn)?shù)較多，對(duì)于建模樣本和驗(yàn)證樣本而言。不同的光譜數(shù)據(jù)變化形式有不同的預(yù)測(cè)效果：而PLSR預(yù)測(cè)模型利用的成分?jǐn)?shù)相對(duì)較少，收斂的效果更好。 (4)不同數(shù)據(jù)處理及建模方法對(duì)土壤水分含量的預(yù)測(cè)研究利用不同類型土壤在注水后變干過程中測(cè)得的土壤光譜反射率數(shù)據(jù)及其水分含量數(shù)據(jù)，建立土壤水分含量預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明：水

11、分含量對(duì)土壤光譜反射率影響與前人研究結(jié)果基本一致：土壤水分相關(guān)系數(shù)高的波段也都集中在經(jīng)典的水吸收波段1450 nm和1950 nm附近；對(duì)數(shù)變換較為顯著的提高了其與土壤含水量的相關(guān)性，而一階微分變換并不能提高其與土壤水分含量的相關(guān)性，反而有所降低，根據(jù)數(shù)據(jù)變換建立的都是一元二次回歸預(yù)測(cè)方程；1450nm附近的水吸收峰預(yù)測(cè)能力比1950nm附近的吸收峰更為有效；無論是利用PCR還是PLSR進(jìn)行建模，采用logR變換預(yù)測(cè)土壤水分含量的效果都

12、是最佳的。 (5)土壤二向反射率隨觀測(cè)角度的變化及其影響因素研究在不同的觀測(cè)方位角，土壤二向反射率隨著觀測(cè)天頂角的增加而增加的：不同的觀測(cè)方位角，土壤的二向反射率在垂直主平面方向上基本是對(duì)稱的：垂直主平面上后向散射方向的反射率最高，而前向散射方向的反射率最低：隨著太陽(yáng)天頂角越來越小，二向反射率是逐漸增大的，這些變化都跟觀測(cè)角度變化時(shí)引起的探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)的陰影變化有關(guān)。通過對(duì)不同表面粗糙度及水分含量土壤樣品的二向反射特性研究發(fā)現(xiàn)：隨

13、著粗糙度的增加，二向反射率降低。土壤越呈非朗伯特性；而土壤水分含量對(duì)二向反射率的影響與其對(duì)垂直觀測(cè)反射率的影響規(guī)律是一致的。 (6)基于輻射傳輸模型的土壤二向反射率模擬及模型參數(shù)反演研究通過模型靈敏度的檢驗(yàn)得知，基于輻射傳輸理論的SOILSPEC土壤BRDF模型參數(shù)的擬合對(duì)任意初值都不敏感，并能夠很好的模擬給定的二向反射率；土壤濕度對(duì)單次散射反照率ω具有明顯的影響，隨著土壤逐漸變干，其單次散射反照率在整個(gè)波段都都呈增加的趨勢(shì)，并

14、且ω參數(shù)不受測(cè)量時(shí)條件的影響；土壤顆粒越大，其表面越粗糙，反演得到的粗糙度參數(shù)h值也越大，且其隨波長(zhǎng)的變化也很?。煌寥辣砻娴纳⑸漕愋团c其表面狀況有關(guān)。該模型對(duì)室內(nèi)不同表面狀況下的土壤二向反射率均有較好的模擬效果，而對(duì)室外原始土柱二向反射率的模擬效果則不如室內(nèi)，特別是在太陽(yáng)天項(xiàng)角較大時(shí)模擬的效果不理想。 (7)基于幾何光學(xué)模型的土壤二向反射率模擬及模型參數(shù)反演研究通過Irons幾何光學(xué)模型預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)，二向反射因子R在相位角為0°時(shí)達(dá)

15、到最大，此時(shí)土壤具有很強(qiáng)的后向散射；二向反射率隨著球面積指數(shù)三的交而逐漸減小；在主平面方向上隨著散射百分比f的增加，模型預(yù)測(cè)的R對(duì)觀測(cè)天頂角變化的敏感性降低，而且R最大值出現(xiàn)的位置對(duì)f的變化不敏感；各向同性反射因子尸值的平均值隨著土壤含水量的增大而不斷減小，但當(dāng)其含水量達(dá)到一定程度時(shí)P值反而會(huì)比較為干燥的土壤要高，球面積指數(shù)L也是隨著水分含量的增加而減小的；隨著土壤顆粒大小的增大，L參數(shù)也越來越大，而P是逐漸減小的。該模型也可以較好地模

16、擬土壤二向反射率，但當(dāng)觀測(cè)天項(xiàng)角逐漸變大時(shí)，模擬值明顯低于實(shí)測(cè)值，與輻射傳輸模型相比，其模擬的效果相對(duì)較差。 本項(xiàng)研究基本完成研究?jī)?nèi)容，達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)，在以下四方面取得了新進(jìn)展： (1)綜合運(yùn)用多種不同的光譜數(shù)據(jù)濾波去噪、數(shù)據(jù)預(yù)處理方法及模型構(gòu)建方法，研究建立了不同類型土壤特性的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)土壤特性預(yù)測(cè)精度的影響進(jìn)行比較，以確定最佳的預(yù)測(cè)方法，可以為光譜數(shù)據(jù)處理方法及土壤信息提取提供一些新的借鑒。 (2)

17、在對(duì)室內(nèi)不同表面狀況土壤及室外原始土柱樣品二向反射率測(cè)定的基礎(chǔ)之上，研究了土壤二向反射率隨觀測(cè)天項(xiàng)角、方位角及太陽(yáng)天頂角變化的規(guī)律，為建立土壤二向反射新模型以及土壤特性的反演研究提供了基礎(chǔ)。 (3)利用室內(nèi)不同表面粗糙度及水分含量土壤樣品二向反射率數(shù)據(jù)，反演了不同類型的土壤BRDF模型參數(shù)，研究了土壤表面狀況對(duì)這些參數(shù)及土壤二向反射特性的影響，并在此基礎(chǔ)上成功模擬了其二向反射率，可以為野外自然狀態(tài)下土壤的二向反射特性研究及其表面