ASD | LabSpec地(di)物光譜儀在反演土(tu)壤(rang)水分(fen)特(te)征(zheng)曲線方面的應用(yong)
日期：
2024-11-07
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對(dui)地表(biao)入滲和(he)(he)蒸發通量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)配，以及(ji)準(zhun)(zhun)確量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)化(hua)不(bu)同(tong)空間尺(chi)度下土(tu)(tu)(tu)(tu)壤與大氣之間的(de)(de)質量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)和(he)(he)能(neng)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)交換過程(cheng)，都需要了解土(tu)(tu)(tu)(tu)壤的(de)(de)水(shui)文性質（如土(tu)(tu)(tu)(tu)壤水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)特(te)(te)(te)征曲(qu)線(xian)和(he)(he)導水(shui)率特(te)(te)(te)征曲(qu)線(xian)）。土(tu)(tu)(tu)(tu)壤水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)特(te)(te)(te)征曲(qu)線(xian)（SWRC）描(miao)述(shu)了在基質勢(shi)下土(tu)(tu)(tu)(tu)壤水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)平衡情況，是重要的(de)(de)水(shui)文特(te)(te)(te)性，與土(tu)(tu)(tu)(tu)壤孔隙的(de)(de)大小(xiao)分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)和(he)(he)結(jie)構(gou)密切相關(guan)，受(shou)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤結(jie)構(gou)、質地、有機物(wu)和(he)(he)粘(zhan)土(tu)(tu)(tu)(tu)礦物(wu)等(deng)(deng)因素的(de)(de)影響(xiang)。傳統測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)SWRC的(de)(de)實驗室方(fang)法(fa)(fa)繁瑣，數(shu)據往往不(bu)完整，且只覆蓋(gai)有限的(de)(de)水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)范圍(wei)。近(jin)年來，近(jin)程(cheng)和(he)(he)遙感技術得到了廣泛(fan)關(guan)注，特(te)(te)(te)別是在光(guang)學(xue)域內的(de)(de)土(tu)(tu)(tu)(tu)壤反(fan)射(she)光(guang)譜已被用(yong)于(yu)獲取土(tu)(tu)(tu)(tu)壤礦物(wu)學(xue)和(he)(he)化(hua)學(xue)成分(fen)(fen)(fen)(fen)、有機物(wu)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)、粒(li)度分(fen)(fen)(fen)(fen)布(bu)及(ji)水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)等(deng)(deng)信息。這些研(yan)究為衛星遙感提供了大尺(chi)度測(ce)繪的(de)(de)基礎。傳統方(fang)法(fa)(fa)主(zhu)要依(yi)賴(lai)光(guang)譜轉(zhuan)移函數(shu)，盡管(guan)能(neng)有效(xiao)推斷土(tu)(tu)(tu)(tu)壤水(shui)力特(te)(te)(te)性，但需大量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)數(shu)據進行模型校準(zhun)(zhun)。本文提出(chu)了一種(zhong)新的(de)(de)實驗室方(fang)法(fa)(fa)，通過水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)依(yi)賴(lai)的(de)(de)短波紅外（SWIR）土(tu)(tu)(tu)(tu)壤反(fan)射(she)光(guang)譜直接(jie)估計SWRC，利用(yong)最近(jin)開發的(de)(de)前向(xiang)輻(fu)射(she)傳輸模型，僅依(yi)賴(lai)水(shui)分(fen)(fen)(fen)(fen)含量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)-反(fan)射(she)率數(shu)據對(dui)，計算(suan)更高效(xiao)，無需反(fan)演流(liu)動方(fang)程(cheng)，簡化(hua)了測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)過程(cheng)。
為了測(ce)試提(ti)(ti)議的(de)新(xin)實驗室方(fang)法，作者使用了21種(zhong)亞利(li)(li)桑那州土壤(rang)(rang)，這些(xie)土壤(rang)(rang)的(de)質地（表 1）和(he)礦(kuang)物(wu)成分（即高嶺(ling)石、云(yun)(yun)母(mu)/伊利(li)(li)石、蒙脫(tuo)石、蛭石、綠泥(ni)石和(he)黑云(yun)(yun)母(mu)含量）有很(hen)大差異(yi)。下面提(ti)(ti)供了實驗確定(ding)的(de) SWRC 和(he)干燥土壤(rang)(rang)的(de)反射光譜的(de)描述。
表 1.?亞利桑那州土壤(rang)的(de)質地特性
使用(yong)ASD LabSpec?2500?地物光(guang)譜儀測(ce)量不(bu)同(tong)含(han)水量水平(ping)的土壤(rang)(rang)反(fan)(fan)射光(guang)譜。波(bo)長范圍：350-2500nm。將烘(hong)干的土壤(rang)(rang)樣品通過2mm篩子(zi)，然(ran)后(hou)裝(zhuang)入直徑為40mm、高度為1.5mm的黑色金屬容器中。反(fan)(fan)射率測(ce)量采用(yong)與(yu)SWRC測(ce)量相(xiang)同(tong)的目標(biao)填充密度。樣品經過仔細平(ping)整（即不(bu)壓實以盡量減少陰影(ying)效(xiao)應(ying)）。土壤(rang)(rang)樣品最初用(yong)2毫升注射器浸透(tou)，在(zai)土壤(rang)(rang)從浸透(tou)到風干的過程中，每(mei)3分鐘自動獲(huo)取一(yi)次反(fan)(fan)射光(guang)譜。
圖 2. (a) 假設(she) θo= 0.18, log|hm| = 0.7和σ=1.3的(de)毛(mao)細(xi)管(guan)水(shui)和吸附水(shui)貢獻的(de)土(tu)(tu)壤水(shui)分(fen)保持模(mo)型。(b) 構成(cheng)(cheng)土(tu)(tu)壤總水(shui)分(fen)含量的(de)毛(mao)細(xi)管(guan)水(shui)和吸附水(shui)成(cheng)(cheng)分(fen)。
圖(tu) 3. Lebeau 和 Konrad (2010) 模型(xing)參(can)數的變化及其(qi)對土(tu)壤水分特(te)征曲線（上行）、吸附水分量(liang)（中(zhong)行）和毛細管水分量(liang)（下行）的影響。在每個圖(tu)中(zhong)，其(qi)他兩個參(can)數保持不變，等于(yu)圖(tu) 2 中(zhong)的參(can)考值(zhi)。
圖 4. Lebeau 和 Konrad (2010) 模型與四種具有不同粘(zhan)土(tu)含(han)量的(de) AZ 土(tu)壤的(de)測得土(tu)壤水分保留曲線數據的(de)最佳擬(ni)合(he)。
圖 5. (a) 在不(bu)同短(duan)波紅外(wai)波段測(ce)量(liang)的(de)(de) AZ3（壤(rang)土）和(he) AZ18（粘土）土壤(rang)的(de)(de)轉(zhuan)換(huan)反射率與(yu)土壤(rang)水分(fen)含(han)量(liang)的(de)(de)關(guan)系(xi)。(b) 轉(zhuan)換(huan)反射率對水分(fen)含(han)量(liang)的(de)(de)一(yi)階導數（實線）及其對應的(de)(de)全(quan)局最大值(zhi)(zhi)（空心(xin)圓）。(c) 與(yu)全(quan)局dr/dθ?最大值(zhi)(zhi)相關(guan)的(de)(de)水分(fen)含(han)量(liang)繪制為所有 SWIR 波長(chang)的(de)(de)密度分(fen)布(bu)（Eilers and Goeman，2004）與(yu)吸(xi)附(fu)和(he)毛細管水分(fen)成(cheng)分(fen)的(de)(de)關(guan)系(xi)。
圖 6. 利用所提出的逆(ni)方(fang)法獲得(de)的毛細管(guan)水(shui)和(he)(he)吸附水(shui)成分(fen)，與通過 Lebeau 和(he)(he) Konrad (2010) 模(mo)型對 21 種(zhong) AZ 土壤的測得(de)的土壤水(shui)分(fen)保留曲線(xian)進(jin)行最佳擬合(he)獲得(de)的相應成分(fen)進(jin)行比較。
圖(tu) 7. 使用(yong)新提出(chu)的(de)模型(xing)獲取的(de) 21 種 AZ 土(tu)壤的(de) SWRC 與直接測量結果的(de)比較(jiao)。
圖 8. 使(shi)用新(xin)實驗室(shi)方法從短波紅外(wai)反射獲得的(de)土(tu)壤(rang)水分含量與所(suo)有被調查土(tu)壤(rang)的(de)直接測量值的(de)比較。
本(ben)文介紹(shao)了(le)一(yi)種基于(yu)物理的(de)實驗(yan)室(shi)的(de)新方法(fa)，該方法(fa)可以(yi)直接從土(tu)壤(rang)水(shui)分含(han)量(liang) SWIR反射率數(shu)據對中檢(jian)索土(tu)壤(rang)水(shui)分特征曲(qu)線 (SWRC)。所得結(jie)果(guo)為本(ben)研究的(de)假設提供了(le)強有(you)力的(de)支持，即(ji) SWRC 的(de)毛(mao)細(xi)管和(he)吸附水(shui)成分的(de)光(guang)學特性(xing)存在顯著差異(yi)(yi)，因為它們在土(tu)壤(rang)孔隙系統中的(de)分布(bu)不(bu)同(tong)。這種差異(yi)(yi)是從水(shui)分含(han)量(liang)相(xiang)關(guan)的(de)反射率數(shu)據成功檢(jian)索 SWRC 的(de)關(guan)鍵。
考慮到(dao)從(cong)飽(bao)和到(dao)風干(gan)的(de)干(gan)燥薄土樣的(de)短(duan)波紅外 (SWIR) 反(fan)(fan)射率(lv)可以(yi)在(zai)幾個小(xiao)時內測(ce)量，與通常(chang)需(xu)要數周時間的(de)標準實(shi)驗(yan)室方法相比，所(suo)提出(chu)的(de)新(xin)方法具有很高(gao)的(de)時間效率(lv)。以(yi)計(ji)算(suan)效率(lv)為代價，用 Richards 方程約束(shu)所(suo)提出(chu)的(de)反(fan)(fan)演(yan)方法可能會提高(gao) SWRC 檢索的(de)準確性。