苏打盐渍土龟裂特征与反射波谱特性的相关性研究

发布时间：2020-07-24 06:13

【摘要】：土壤盐渍化是一种严重的土地退化过程,它不仅降低了农业产量,而且还给生态环境造成较大的破坏。土壤盐渍化的治理、生态系统的防治及生态环境的保护需要对盐渍土的含盐特性进行快速、大范围的有效测量。松嫩平原盐渍化土壤具有很好的膨胀收缩特性,其水分的蒸发过程往往导致土壤表面产生裂纹,这一龟裂特征与盐渍土含盐组分、含盐量紧密相关,也影响盐渍土的反射光谱特性。因此,通过对盐渍土龟裂特征的识别与光谱特性的研究,能够为盐渍化土壤特性的无损监测奠定基础。论文在国家自然科学青年基金项目“基于主动光学与被动微波遥感技术的盐碱土特性无损探测研究”(No.41201335)的资助下,以及中国科学院长春净月潭遥感实验站和中科院东北地理所微波遥感课题组的支持下开展研究工作。以松嫩平原典型苏打盐渍土为研究样本,在实验室可控条件下,结合盐渍土理化参数的测量,利用数字照相技术观测不同含盐量、不同含水量土壤样本呈现的裂纹状态,通过图像处理技术提取干燥后样本的裂纹长度、面积、纹理等特征参数,进而分析盐渍土样本裂纹的发展规律和影响因素。同时,在样本的2 mm粉末状态、局部未开裂状态和稳定裂纹状态下,利用光谱仪对样本进行了反射光谱特性的测量,运用光谱分析方法和统计分析方法,进行了数据处理和光谱特征参数的提取。主要研究结论如下:1.饱和盐渍化土壤失水过程分为匀速蒸发阶段、减速蒸发阶段和稳定阶段三个发展阶段。在匀速蒸发阶段,土壤样本表面产生裂纹并不断发育;在减速蒸发阶段,土壤样本不再产生新的裂纹,但裂纹的形态仍在变化;到达稳定阶段时,样本逐渐达到干燥,含水量的变化不再改变样本的裂纹形态,表面结构达到稳定。2.土壤样本的表面龟裂状态不影响光谱吸收特征和特征吸收谱线的位置。受到Na Cl和Na HCO3等主要盐分矿物离子间的谐振作用,反射率曲线在990nm和1150nm处呈现Na Cl的微弱吸收特征,在1470nm,2000nm和2170nm附近还表现出Na HCO3的微弱吸收特征。3.土壤盐分矿物随水分蒸发集中在土壤样本表面,增加了盐分对光谱特征的影响,土壤反射率与土壤含盐量呈较明显的反比关系,主要表现为2 mm粉末样本光谱反射率最高,稳定裂纹样本的光谱反射率最低,尤其是在大于1400nm的波谱范围,这种趋势更为明显,在1990 nm处,受到盐分矿物的影响,土壤样本反射率与土壤盐分含量的相关性最高。此外,基于990 nm,1470 nm,1990 nm和2170 nm等主要盐分矿物敏感波段的反射率建立了多元线性回归模型,实现了对土壤理化参数的精确预测。4.当土壤样本的质地相近时,由于可溶性阳离子与土壤颗粒间形成的水膜改变了土壤的力学性质,含盐量是影响苏打盐渍土开裂程度的主要因素。在固定样本面积和干燥条件下,样本裂纹长度是描述样本龟裂特征的重要参数,与其内部Na+、电导率(EC)、总含盐量等表征土壤盐渍化程度的主要参数呈现明显的正线性相关性,其相关系数高于0.9,与p H、HCO3-及CO32-等参数呈现一定的线性关系。5.利用数字图像处理技术对干燥龟裂状态下土壤样本的纹理特征分析结果表明,纹理特征参数与样本的Na+、EC、总含盐量、Cl-、HCO3-等参数具有更好的相关性。6.在实验室条件下研究结果的基础上,开展了龟裂苏打盐渍土的野外观测实验。结果表明,自然干燥龟裂的苏打盐渍土表面裂纹长度和纹理特征与土壤盐分含量具有明显的线性关系,这与实验室的研究结果完全一致,表明基于土壤裂纹长度和纹理特征的土壤理化参数预测模型能够应用于自然条件下土壤参数的在线测量。上述研究结果为苏打盐渍土含盐特性的快速识别和无损探测,提供了新的探测手段和方法,也为遥感大面积动态观测盐渍土的盐分变化奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S156.41
【图文】：

图 3-1 研究区概况图第二节 实验样本的采集与处理一、土壤样本采集方案根据不同的研究目的，土壤样本的采集方案、采集数量和采集方法也不同。下面根据本文研究需要的不同，分别介绍土壤样本的采集与处理。为定量研究盐渍土开裂过程、光谱特征及其随失水开裂过程的变化规律，充分考虑到样本的异质性、盐分分布及环境因素的影响，分别在 2013 年7 月和 2014年4月选取了17个及40个不同盐渍化程度的土壤样本点用于实验室的可控开裂实验，对每个土壤样点采集 0-15 cm 的土样，用 GPS 记录经纬度信息，采样点分布如图 3-2 中蓝色圆形标志所示。室内将所有土壤样本风干、研磨并过 2 mm筛，然后将每个样本分为三部分：第一部分用于土壤理化参数的实验室测量；第

第三章 研究区选择与实验设计盐渍土裂纹区以 20m 为半径，按照梅花布点的规则选取 6-7 个采样点，用 GPS记录其经纬度信息，采样点分布如图 3-2 中绿色三角形标志所示。对每个采样点进行拍照获取其野外自然条件下的开裂状况，对每个采样点进行拍照时，用内径50cm*50cm 木框确定采样区域，保证相机镜头离地 1 m 且镜头中心与木框中心重合，拍照完毕后采集木框内 0-15 cm的土壤样本。在实验室内将所有样本风干、研磨并过 2 mm 筛，用于测量土壤理化参数。

图 3-3 样本的裂纹图像拍照过程及光谱反射率测量过程一、龟裂苏打盐渍土裂纹长度及裂纹面积提取本文采用数字图像处理的方法在 MATLAB 软件环境下通过编程处理将裂像的裂纹区域与背景区域分离，同时对裂纹部分进行修复和强化处理，进而到的合理裂纹二值图像的基础上进行样本裂纹识别，结合图 3-4，图像的详理步骤介绍如下。

本文编号：2768439