利用短波紅外波段通過干燥過程分割來估計(jì)土壤含水量

土壤水分是直接影響蒸發(fā)、入滲和徑流等多種環(huán)境過程的重要因素。而且，土壤水分在農(nóng)業(yè)蒸散與糧食安全、濕地退化、干旱、陸氣界面的能量交換等相關(guān)研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。

地面測量能夠提供易于校準(zhǔn)和長時(shí)間連續(xù)獲取的數(shù)據(jù)，但該種方法僅針對單個(gè)小區(qū)域，難以支持空間變化研究或?qū)嵉匮芯?。基于水和土壤介電特性的巨大差異，微波遙感被廣泛應(yīng)用于大空間尺度的土壤水分監(jiān)測，但不適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等多種研究。熱遙感可以根據(jù)地表溫度來估算土壤水分，但熱遙感信號不單受到土壤含水量（SMC）的影響，濕度、風(fēng)速、大氣條件等其他參數(shù)也會影響估計(jì)結(jié)果。而光學(xué)遙感由于其精細(xì)的空間分辨率和利用諸如MODIS、Landsat系列和Sentinel任務(wù)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度監(jiān)測潛力之間的平衡而引起了諸多關(guān)注。目前已經(jīng)提出了許多指標(biāo)和模型來闡明反射率特征隨SMC的變化，并利用實(shí)驗(yàn)室、實(shí)地、機(jī)載和衛(wèi)星數(shù)據(jù)從窄帶和寬帶的反射率來估計(jì)SMC。這些方法/指標(biāo)主要針對從飽和到風(fēng)干的各級SMC；然而，作者發(fā)現(xiàn)飽和到風(fēng)干的單一關(guān)系映射會導(dǎo)致準(zhǔn)確估計(jì)的錯(cuò)誤印象。在整個(gè)干燥過程中，光譜反射率特征和SMCs之間的回歸關(guān)系不一致導(dǎo)致對相對較低的SMCs估計(jì)的精度較低。

基于此，在本研究中， 來自南京大學(xué)、康奈爾大學(xué)和河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種分割方法以更準(zhǔn)確的估計(jì)SWC。作者監(jiān)測了代表不同土壤特性的三種土壤樣品的整個(gè)干燥過程，并通過蒸發(fā)速率變化確定其過渡點(diǎn)（如高SWC的階段1干燥和低SWC的階段2干燥）。建立了SMC估計(jì)指數(shù)，即短波歸一化指數(shù)（SNI），基于輻射傳輸模型支持干燥過程中的SNI指數(shù)趨勢。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。利用ASD Fieldspec®Pro光譜儀進(jìn)行光譜輻射亮度采集。

【結(jié)果】

圖2 a) 三種土壤樣品蒸發(fā)速率變化與干燥時(shí)間的關(guān)系，b) 干燥過程中三種土壤在2150 nm處的反射率變化。

c) 三種樣品蒸發(fā)速率導(dǎo)數(shù)的最大值確定干燥階段分割點(diǎn)。

圖3 三種樣品砂/土壤含水量與光譜反射率之間的線性和對數(shù)回歸的R²，a) 石英砂，b) 圬工砂，c) 伊薩卡土壤，d) 模擬大氣透射率。在 a)、b) 和 c) 中，黑色虛線標(biāo)記為1680 nm和2150 nm。

圖4 a) 顯示了SMC估計(jì)的驗(yàn)證結(jié)果。 b)、c) 和 d) 顯示了三種樣品

的建模曲線（實(shí)線）、回歸曲線（虛線）和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集（空心圓圈）。

圖5 a）SMC估計(jì)值和測量值關(guān)系圖，其中SMC估計(jì)值使用SNI2在線性回歸中計(jì)算，B_water 在1980 nm處評估。 圖 b)、c) 和 d) 顯示了三種樣品的建模曲線（實(shí)線）、回歸曲線（虛線）和驗(yàn)證數(shù)據(jù)集（空心圓圈）。

【結(jié)論】

利用單一回歸關(guān)系和單一指數(shù)估計(jì)整個(gè)干燥過程的SMC對所有土壤類型并不是有效的。該研究證明了利用現(xiàn)有方法估計(jì)SMC結(jié)果不準(zhǔn)確，以及在分割干燥過程中估計(jì)SMC的基本原理。監(jiān)測整個(gè)干燥過程中3種不同土壤樣品的光譜反射率和重量，將其分為兩個(gè)階段用于訓(xùn)練和驗(yàn)證。此外，基于輻射傳輸模型研究不同干燥階段所提出指數(shù)和光通過水的路徑長度之間的關(guān)系，并支持了經(jīng)驗(yàn)方法建立的回歸關(guān)系，尤其是對路徑長度相對較短的土壤。結(jié)果表明，在分割思想下，SMC估計(jì)值和測量值之間的相關(guān)性明顯提高，尤其是在SMC較低的情況下（階段2干燥過程）。

蒸發(fā)速率變化決定了干燥過程的分割過渡點(diǎn)，所有的土壤類型并不是一個(gè)特定的SMC值；因此，理解蒸發(fā)和SMC變化導(dǎo)致的光譜反射率變化之間的關(guān)系是極其重要的。例如，在實(shí)際使用中，石英砂階段2干燥可以忽略，但它卻是伊薩卡土壤干燥的重要組成部分。

SN1/SN2指數(shù)結(jié)合可以有效估計(jì)三種樣品的SMC。對于階段1干燥，利用SNI1指數(shù)在1680 nm和2150 nm處的反射率預(yù)測SMC是有效的。在階段2干燥中，盡管使用1930-2150 nm組合的SNI2指數(shù)實(shí)現(xiàn)了最佳相關(guān)性，但作者認(rèn)為1980 nm比1930 nm更適合實(shí)地應(yīng)用。這種波段選擇是為了避免強(qiáng)烈的大氣水汽吸收，以確保足夠的地面反射輻射到達(dá)飛機(jī)或衛(wèi)星傳感器。相對于將階段2干燥視為階段1干燥延續(xù)的指標(biāo)，相關(guān)關(guān)系顯著改善。

作者得到了如下結(jié)論：

1.干燥過程分割對從光譜反射率數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估計(jì)SMC是很有必要的，尤其是對于具有較長階段2干燥過程的土壤。例如本研究中的伊薩卡土壤。對于與伊薩卡土壤相似的土壤，基于整個(gè)干燥過程的SMC估計(jì)可能會導(dǎo)致階段1或階段2干燥的偏差，這取決于哪個(gè)階段有更多的訓(xùn)練集。

2. 由于石英砂中光通過水的路徑長度相對較長，因此當(dāng)SMC較高時(shí)，SNI具有*的特征。在圬工砂或伊薩卡土壤中，half-logistic型的SNI曲線不同于線性關(guān)系。當(dāng)光程較長時(shí)，擬合關(guān)系應(yīng)由線性回歸變?yōu)閷?shù)回歸。

3. 在階段2干燥過程中，利用現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)常用的光譜波段組合難以準(zhǔn)確估計(jì)SMC；使用高光譜數(shù)據(jù)可以獲得更高的精度，可以提供近強(qiáng)水吸收波段的數(shù)據(jù)，如1930 nm。雖然由于大氣水汽的吸收，1930 nm不能在實(shí)驗(yàn)室外有效地使用，但稍微偏離中心的波長(如1980 nm)仍然比水吸收波段范圍外的波長表現(xiàn)更好。