基于高光谱遥感的土壤可蚀性反演方法研究

土壤可蚀性是评价土壤对侵蚀敏感程度的重要指标，当前土壤可蚀性的预测中存在不能反映其动态变化特性的问题，制约了土壤可蚀性的准确定值。本项目基于土壤可蚀性动态变化的特点，从分析土壤的反射光谱特性入手，研究利用高光谱遥感技术对土壤可蚀性的反演方法。从技术思路上，项目从土壤单要素、土壤表层形态两个层面开展土壤参数的反射光谱特征研究与土壤可蚀性动态演变的机理研究。通过结合土壤测试试验和土壤光谱试验，定量分析典型土壤类型的土壤理化参数及其与反射光谱特征的关系，并建立土壤理化参数的高光谱反演模型。在此基础上，通过设计土壤侵蚀试验，采用统计分析方法对试验结果进行分析，确定与土壤可蚀性紧密相关的土壤参数，并根据各土壤参数的相关程度及其高光谱反演方法，建立基于这些土壤理化参数的土壤可蚀性高光谱反演模型。本研究有助于完善土壤侵蚀研究的理论基础，对丰富土壤学与遥感科学的交叉学科内容具有重要的意义。

该研究通过室外降雨模拟试验方法和室内土壤理化属性测试，探讨不同雨强、坡度和土壤类型下土壤侵蚀过程特性以及输沙、土壤理化性质的影响。研究表明：坡面径流深随时间的变化服从幂函数规律，而径流系数服从对数函数规律变化。径流深随坡度的增加而加深，这主要由于坡度对径流深的影响是通过影响坡面受雨强度和入渗来实现的。低坡度的土壤入渗率略高于高坡度的土壤入渗率。入渗部分的机理研究成果已经镶嵌在更具物理机制的土壤下渗模型。侵蚀强度在降雨历时前期随雨强的增加而增加，在降雨历时后期随雨强的增大而减小。研究还发现了影响土壤可蚀性的关键土壤理化参数，其影响程度依次为：有机质>团聚体>土壤颗粒组成>总氮>总磷>TOC>速效磷>速效氮，并揭示了这些要素随降雨侵蚀过程的动态变化规律。在20度坡度和120 mm h-1降雨强度组合下的总氮流失量变化趋势显著，说明总氮的流失受径流速度的影响较大，对于总磷，水流溶解对磷的作用有限，故在不同的降雨强度下，溶解磷的含量差异不大。基于以上侵蚀机理研究与土壤理化属性演变规律研究，展开土壤理化属性和土壤可蚀性的高光谱反演试验研究。利用主成分分析法确定了影响土壤可蚀性的主要指标：土壤粗糙度、土壤含水率、有机质和总磷，并对几个中标分别构建高光谱反演模型，在遥感反演中通过对比单相关分析、偏最小二乘回归法(PLSR)，发现基于PLSR建立的反演模型效果较好。基于单要素指标的遥感反演成果，研究建立了土壤可蚀性的二向高光谱定量反演模型，通过进一步试验验证该模型结果稳定可靠。