基于地物光谱的不同质量含水量的土壤反射率光谱模拟模型

1.1 土壤野外采集

图1 抽样点的分布

表1 取样点信息

1.2 反射率光谱室内实验

1.3 数据处理

式中，为土壤质量含水量，为不同注水量下的含水土壤的重量，为烘干后干土的重量。

表2   8个土样在不同注水条件下的质量含水量

图2   1号样品质量含水量为0.019时的光谱反射率曲线

模型构建

图3 湿土表面光路

基于此，建立了含水土壤光谱反射率的表达式：     

其中为含水土壤光谱反射率，是土壤近表面水的镜面反射部分所占的比例系数，是水的镜面反射率， 是干土的反射率，是光子在土壤中穿越的路径，是水在不同波长位置对光子的吸收系数。

William提到，和这两个参数可能与土壤含水量有关。因此在其原有的理论假设及含水土壤光谱反射率表达式［即式（2）］的基础上来探索 和 这两个参数与土壤质量含水量之间的关系。

首先假设在同一土壤质量含水量情况下，进入土壤内部的光子所穿越的路径 是定值，只随土壤质量含水量的变化而变化； 也是如此； 为实验中测得的干土光谱反射率；和是固定值，可以通过查阅前人文献得到。由于只获得了380-1000nm波段范围内的值，因此最终决定在380-1000nm波段范围内建立土壤反射率光谱模拟模型。各个波长处水的吸收系数及水的镜面反射率如图４所示。

本实验采用爬山算法确定不同土壤质量含水量下和的**参数组合。爬山算法是一种简单的贪心搜索算法，该算法每次从当前解的临近解空间中选择一个**解作为当前解，直到达到一个局部**解。

选取1号、2号土壤样品数据进行模型构建，用模拟光谱与实测光谱的残差平方和（re-sidual sum of square，RSS）作为**参数选取的评价标准。通过分析可以发现，，与土壤质量含水量的线性相关系数均达到0.85以上，基本满足线性关系（图5）。

当土壤质量含水量为0时，所测得的土壤反射率光谱理论上为干土的光谱，即式（2）中的， 应为0。基于此建立两者与土壤质量含水量之间的经验公式:

式（5）即为最终构建的含水土壤反射率光谱模拟模型，该模型在式（2）的基础上建立了土壤质量含水量与土壤光谱反射率之间的直接关系。

模型验证

3.1 利用实验室测量数据进行验证

图6   8号样品质量含水率为0.072时的光谱反射率

3.2 利用土壤实地测量数据进行验证

图7 北京大学校园三个采样点的模拟结果

结论

但是通过验证也发现在土壤质量含水量过高的情况下，其拟合效果不太理想。原因是当土壤质量含水量较高时（即较高），镜面反射比例系数接近于1，失去其物理意义。