近红外反射土壤水分测量方法及主要仪器综述(2)
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【摘要】土壤水分对土壤表面的反射有一定的影响,在过去的几十年中,大量学者在此领域进行了深入和广泛的研究。一致的研究结果是,随着土壤中水分的增加,
土壤水分对土壤表面的反射有一定的影响,在过去的几十年中,大量学者在此领域进行了深入和广泛的研究。一致的研究结果是,随着土壤中水分的增加,土壤的反射强度减小。对于这个结果存在两种分析,第一种认为水分引起对光的吸收,因为在近红外波段区域,水分的吸收很强烈。第二种分析首先由Angstrom[17]提出,研究结果表明,当光射入干燥的土壤时,光会和土壤颗粒进行多次反射,产生散射,从而引起土壤表面强烈的反射,其主要原因是,对于干燥土壤,土壤颗粒周围是空气,土壤颗粒(nsoil,λ≈1.5)和周围空气(nair,λ≈1.0)有一定的折射系数,而对于湿润土壤而言,土壤颗粒表面被水分包裹,水的折射系数约为1.33。土壤湿润前后的折射系数的变化是引起土壤表面反射强度减小的原因,另外,覆盖在土壤表面的一层水膜会导致一部分的散射光重新反射到空气—水表面,引起光在土壤内部传播深度的增加,最终导致土壤对光的吸收增加,结果很少的光能够从土壤表面反射。图1 是对以上解释的示意说明。
1.2 建模方法
1.2.1 相对反射率法 Liu 等[18]提出了相对反射率法,此方法是基于单波段的反射值。为最小化土壤类型对建立的土壤水分预测模型的影响,将一定水分含量下土壤表面的反射光强与相应的干燥土壤表面的反射光强的比值称为相对反射率,公式如下:
式中:R*为相对反射率;R(θ,λ)为一定土壤含水率时土壤表面的反射光强;R(0,λ)为干燥土壤表面的反射光强。
1.2.2 微分法 除了直接对土壤表面反射光强进行测量,然后换算为相对反射率进行分析外,还可以对反射光强进行微分变换,从中寻找对土壤水分敏感的光谱指标。微分光谱有助于限制低频噪声对目标光谱的影响。不同阶数的微分(差分)值可以迅速确定光谱的拐点和最大最小反射光强的波长位置。一定波段的一阶微分光谱如下式:
其中,λi和λi+1分别为两个连续的波段。
图1 土壤表面光的射示意Figure1 A sign of soil surface reflection注:干燥土壤颗粒表面增加土壤表面反射(a)和湿润土壤颗粒表面减小土壤表面反射(b)Note: (a) Dry soil particle surface increases soil surface reflection;(b) Wet soil particle surface reduces soil surface reflection
分别根据式(4)和(5)建立土壤含水率与反射光谱一阶微分和吸收光谱一阶微分之间的关系,找出最适合预测土壤含水率的波段进行建模预测。
1.2.3 相对吸收深度法 一般采用“连续统去除”法来提取光谱特征参数,将反射率归一化到0-1,来获取波段吸收深度值。归一化处理如下式所示:
其中,R?为归一化处理后的光谱反射率值,R为原光谱的反射率值,RC为平滑直线上的反射率值。
输出的归一化处理后的光谱反射率的取值范围是0 到1,吸收深度通过下式进行计算:
其中,D 为吸收深度。
1.2.4 归一化差异法 在光谱吸收波段区域,选取合适的肩部端点波长,可通过肩部端点处对应波长的反射率来计算归一化差异值,建立归一化差异值与土壤水分之间的关系。归一化差异值计算方法如下:
其中,ND 为归一化差异值,无量纲,可选取适当的i 和j 波长值,建立其与土壤含水率之间关系;i 和j 分别为位于吸收波段左边和右边肩部端点处的波长;R[i]和R[j]分别为波长i 和j 对应的反射率。
2 基于近红外光谱特性的土壤水分测量仪器
近红外光谱仪器一般由光源、分光系统、测样部件、检测器以及数据处理五部分构成。根据光的分光形式,近红外光谱仪可以分为滤光片型、光栅扫描型、固定光路多通道检测、傅里叶变换以及声光调谐等几种类型[19]。
滤光片型光谱仪可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式,固定滤光片型光谱仪是光谱仪器最早的设计形式,设计简单,成本较低,光通量大,坚固耐用,但该测量仪器只能在单一的波长下测定,所以适用范围小[20]。光栅扫描型光谱测量仪器可以进行全谱扫描,分辨率较高,但该仪器抗震性较差,且光栅的机械轴长时间使用容易造成磨损,从而影响波长的精度。固定光路多通道检测近红外光谱仪的检测器对所有波长的单色光同时检测,可在瞬间完成几十次甚至上百次的扫描累加,获得较高的信噪比和灵敏度,另外,仪器内无移动性部件,其使用的耐久性和可靠性得到保障[21]。傅利叶变换近红外光谱仪器的扫描速度快、波长精度高、分辨率较好,且仪器的信噪比和测定灵敏度较高,但由于干涉仪中有移动性部件,测量时对工作环境稳定性要求高[22]。声光调谐近红外光谱仪器采用具有较高的声光品质因素和较低的声衰减的双折射晶体制成分光器件,具有测量速度快、精准度较高、能够长时间稳定工作等特点[23]。
文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0726/540.html
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