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LICA United Technology Limited
對(dui)地(di)表入滲和(he)(he)蒸發通量(liang)(liang)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)配，以及(ji)準(zhun)確(que)量(liang)(liang)化不(bu)同空間尺度下(xia)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)與大(da)(da)氣(qi)之間的(de)(de)(de)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)和(he)(he)能量(liang)(liang)交換過(guo)程(cheng)，都需(xu)要(yao)了(le)解土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)文(wen)性質(zhi)(zhi)（如土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)特(te)(te)征(zheng)曲線(xian)和(he)(he)導水(shui)(shui)(shui)率特(te)(te)征(zheng)曲線(xian)）。土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)特(te)(te)征(zheng)曲線(xian)（SWRC）描(miao)述了(le)在基質(zhi)(zhi)勢下(xia)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)(han)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)平衡情況(kuang)，是(shi)重要(yao)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)文(wen)特(te)(te)性，與土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)孔(kong)隙(xi)的(de)(de)(de)大(da)(da)小分(fen)(fen)布(bu)和(he)(he)結構(gou)密切相關(guan)，受土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)結構(gou)、質(zhi)(zhi)地(di)、有機物和(he)(he)粘土(tu)(tu)(tu)(tu)礦物等因素的(de)(de)(de)影響。傳統測量(liang)(liang)SWRC的(de)(de)(de)實驗室方法(fa)繁瑣，數(shu)據往往不(bu)完整(zheng)，且(qie)只(zhi)覆蓋有限的(de)(de)(de)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)(han)量(liang)(liang)范圍。近年來，近程(cheng)和(he)(he)遙(yao)感(gan)技術得到了(le)廣泛關(guan)注(zhu)，特(te)(te)別是(shi)在光(guang)學域內的(de)(de)(de)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)反射光(guang)譜已(yi)被用于獲取(qu)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)礦物學和(he)(he)化學成分(fen)(fen)、有機物含(han)(han)量(liang)(liang)、粒度分(fen)(fen)布(bu)及(ji)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)(han)量(liang)(liang)等信息(xi)。這些研(yan)究為衛星遙(yao)感(gan)提供(gong)了(le)大(da)(da)尺度測繪的(de)(de)(de)基礎。傳統方法(fa)主要(yao)依(yi)(yi)賴(lai)(lai)光(guang)譜轉移函數(shu)，盡管能有效推(tui)斷土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)(shui)力特(te)(te)性，但需(xu)大(da)(da)量(liang)(liang)數(shu)據進(jin)行模型校準(zhun)。本文(wen)提出了(le)一種新(xin)的(de)(de)(de)實驗室方法(fa)，通過(guo)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)(han)量(liang)(liang)依(yi)(yi)賴(lai)(lai)的(de)(de)(de)短波紅外（SWIR）土(tu)(tu)(tu)(tu)壤(rang)(rang)反射光(guang)譜直接估計SWRC，利(li)用最近開發的(de)(de)(de)前向輻(fu)射傳輸(shu)模型，僅(jin)依(yi)(yi)賴(lai)(lai)水(shui)(shui)(shui)分(fen)(fen)含(han)(han)量(liang)(liang)-反射率數(shu)據對(dui)，計算更(geng)高效，無需(xu)反演流動方程(cheng)，簡化了(le)測量(liang)(liang)過(guo)程(cheng)。
為(wei)了測試提(ti)議的(de)(de)新實驗室方法，作者(zhe)使用了21種亞利桑那州土壤，這些土壤的(de)(de)質地(di)（表 1）和礦物成分（即高嶺石、云母/伊利石、蒙(meng)脫石、蛭(zhi)石、綠(lv)泥石和黑云母含量）有很大(da)差異。下面提(ti)供了實驗確定的(de)(de) SWRC 和干燥土壤的(de)(de)反射光譜(pu)的(de)(de)描述(shu)。
表 1.?亞利(li)桑那州(zhou)土壤的質(zhi)地特性(xing)
使(shi)用ASD LabSpec?2500?地(di)物(wu)光譜(pu)儀測量不同含水(shui)量水(shui)平(ping)的土(tu)壤(rang)反射(she)(she)光譜(pu)。波長范圍(wei)：350-2500nm。將烘干的土(tu)壤(rang)樣(yang)品(pin)通(tong)過2mm篩子，然(ran)后裝入直徑為40mm、高度為1.5mm的黑色金屬容器中(zhong)。反射(she)(she)率(lv)測量采用與SWRC測量相同的目標(biao)填充密度。樣(yang)品(pin)經過仔細平(ping)整（即不壓實以(yi)盡量減少陰影(ying)效應）。土(tu)壤(rang)樣(yang)品(pin)最初用2毫升注射(she)(she)器浸透，在土(tu)壤(rang)從(cong)浸透到風(feng)干的過程中(zhong)，每3分(fen)鐘自動獲取(qu)一次反射(she)(she)光譜(pu)。
圖 2. (a) 假(jia)設 θo= 0.18, log|hm| = 0.7和(he)σ=1.3的毛細管水和(he)吸附水貢獻的土壤水分保(bao)持模型。(b) 構成(cheng)土壤總水分含量的毛細管水和(he)吸附水成(cheng)分。
圖 3. Lebeau 和 Konrad (2010) 模型參(can)數的變化及(ji)其對土壤(rang)水分(fen)(fen)特征(zheng)曲線（上行）、吸附水分(fen)(fen)量（中(zhong)行）和毛細管(guan)水分(fen)(fen)量（下行）的影響。在每個圖中(zhong)，其他兩(liang)個參(can)數保持不(bu)變，等于圖 2 中(zhong)的參(can)考值。
圖 4. Lebeau 和(he) Konrad (2010) 模型與四種(zhong)具有不同粘土(tu)含量的 AZ 土(tu)壤的測得(de)土(tu)壤水分(fen)保留曲線數據的最佳擬(ni)合。
圖 5. (a) 在不同(tong)短波紅外(wai)波段測量(liang)的(de) AZ3（壤土(tu)(tu)）和(he) AZ18（粘(zhan)土(tu)(tu)）土(tu)(tu)壤的(de)轉換反射率與土(tu)(tu)壤水(shui)(shui)(shui)分(fen)含(han)量(liang)的(de)關系。(b) 轉換反射率對水(shui)(shui)(shui)分(fen)含(han)量(liang)的(de)一階導數（實線）及其(qi)對應的(de)全局最大(da)值(zhi)（空心圓）。(c) 與全局dr/dθ?最大(da)值(zhi)相(xiang)關的(de)水(shui)(shui)(shui)分(fen)含(han)量(liang)繪制(zhi)為所有 SWIR 波長的(de)密度(du)分(fen)布（Eilers and Goeman，2004）與吸附和(he)毛細管水(shui)(shui)(shui)分(fen)成分(fen)的(de)關系。
圖 6. 利(li)用所(suo)提(ti)出(chu)的逆方法獲得(de)(de)的毛細管水(shui)和吸附水(shui)成分(fen)，與通過 Lebeau 和 Konrad (2010) 模型對 21 種 AZ 土壤的測得(de)(de)的土壤水(shui)分(fen)保留曲線進行最佳擬合獲得(de)(de)的相應(ying)成分(fen)進行比較。
圖 7. 使(shi)用新提出的模型獲取的 21 種(zhong) AZ 土壤(rang)的 SWRC 與直接測量結果的比較。
圖 8. 使用新實(shi)驗(yan)室方法(fa)從短波紅外反(fan)射獲得的(de)土壤水分含量與所有(you)被調查土壤的(de)直(zhi)接測(ce)量值(zhi)的(de)比較(jiao)。
本(ben)文(wen)介紹了(le)(le)一種基于(yu)物(wu)理(li)的(de)實驗室的(de)新方法，該方法可(ke)以(yi)直接(jie)從(cong)(cong)土(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)分(fen)含(han)量 SWIR反射率(lv)數據對中檢索土(tu)壤(rang)(rang)水(shui)(shui)分(fen)特(te)征曲線(xian) (SWRC)。所得結果為本(ben)研(yan)究的(de)假(jia)設提供了(le)(le)強有力的(de)支(zhi)持，即(ji) SWRC 的(de)毛細管和吸附水(shui)(shui)成(cheng)分(fen)的(de)光學特(te)性存在顯著差(cha)異(yi)，因為它(ta)們在土(tu)壤(rang)(rang)孔(kong)隙系統中的(de)分(fen)布不同。這(zhe)種差(cha)異(yi)是從(cong)(cong)水(shui)(shui)分(fen)含(han)量相關的(de)反射率(lv)數據成(cheng)功檢索 SWRC 的(de)關鍵(jian)。
考慮到從(cong)飽(bao)和到風干的(de)(de)(de)(de)干燥薄土樣的(de)(de)(de)(de)短波紅(hong)外 (SWIR) 反(fan)射(she)率可以(yi)(yi)在(zai)幾(ji)個小時(shi)(shi)內測量，與通(tong)常需要數周時(shi)(shi)間的(de)(de)(de)(de)標準實驗室(shi)方法(fa)(fa)(fa)相比(bi)，所(suo)提出(chu)的(de)(de)(de)(de)新(xin)方法(fa)(fa)(fa)具有很高(gao)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間效率。以(yi)(yi)計算(suan)效率為(wei)代價，用 Richards 方程約束所(suo)提出(chu)的(de)(de)(de)(de)反(fan)演方法(fa)(fa)(fa)可能會提高(gao) SWRC 檢索的(de)(de)(de)(de)準確性。
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