基于遥感数据分析山西省土壤有机质空间分布

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2016年第五期遥感测绘 面部鸳 
基于遥感数据分析山西省土壤有机质空间分布 
张红丽权腾 
国信司南(北京)地理信息技术有限公司北京100101 

摘要:本文利用TM影像分析山西省土壤有机质含量的空间分布,将山西省根据地形地貌划分成四个区域,在对影像 
进行预处理后,利用SAS分别建立四个区域土壤有机质含量的反演模型,通过计算得到2008年山西省的耕地土壤有机质 
空间分布。结果显示,山西省的土壤有机质含量多数介于3.42g/kg ̄29.62g/kg之间,而且呈现出从北向南、从西向东逐渐 
升高的趋势。 
关键词:TM遥感影像;山西省;反演模型;土壤有机质 

1.引言 
土壤有机质对于增加土壤肥力以及促进植物生理活性 
具有重要意义…。研究土壤有机质的空间分布,可以提高 
土壤质量,确保农业可持续发展。遥感技术已被广泛地使 
用在土壤调查之中。相比传统土壤有机质的测定方法,遥 
感技术具有时限性与可获取性等优势。本文使用遥感影像 
分析山西省土壤有机质空间分布,可以有效地促进山西省 
的资源转型。 
2.材料和方法 
2-1研究区概况 山西省地处华北西部的黄土高原东翼。地理坐标为东 经ll0。14’一i14。33’、北纬34。34 ~40。44 。土地面积 为156700km 。全省地貌类型相对较复杂,包括丘陵、盆 地等地貌,丘陵与山地占到全省的三分之二。山西省境内 坡地与旱地较多,且耕地产量较低。 2.2土壤样品处理 本研究将山西省2008年的耕地评价数据作为土壤样品 数据,在经过对土壤有机质实测数据(0era~20era)均匀筛 选,剔除异常值口 后,得到392个土壤样品。 2.3遥感技术测定法 2.3.1遥感影像预处理 本文采用Landsat一5TM的L2级TM数据,影像获取时间 为:2008年3月和2008年11月,和本次获取的土壤样点时 间基本一致。所使用的影像已经过系统辐射校正和几何校 正,仍需要进一步的辐射校正等处理。辐射校正包括辐射 定标、大气校正。消除系统误差采用的是辐射定标,消除外 部误差采用的是大气校正 ]。本文将影像单波段bandl~5, 7合成。把DN值转换为辐射亮度值L,然后使用不变目标 法相对大气校正方法清除光照等对地物反射的影响。对影 像采用先辐射归一化后拼接,从而合成研究区的遥感影像 图。 2.3.2耕地图层提取 结合使用监督与非监督分类能较好地提高分类精度, 本文利用上述方法得到山西省耕地图层。分类后处理得出 耕地像元面积是50918.67km ,与山西省实际耕地面积相差 约6%,结果表明分类精度较高。 2.3-3处理光谱数据 
通过对可见光区域的光谱值进行对数变换,能有效地 
减少光照变化所引起的乘性因素影响。有研究发现,低阶 
微分处理后的光谱数据能够去除部分光照等因素的影 
响b 。本文对光谱值采取各种数学变换,找出对有机质含 
量最敏感的指标。 
2.3.4划分区域 
本研究根据山西省地形地貌、土壤等自然因素,把山西 
省划分成四个区域:中南部盆地边山丘陵区、北部边山丘陵 
区、西部黄土丘陵沟壑区、东部丘陵低山区。根据四个区域 
分别反演的山西省土壤有机质含量更准确。 
2.3.5模型建立与验证 
经对比得出,有机质含量和对应的光谱值及其数学变 
换之间采用指数关系表示效果最好。本研究使用多元逐步 
回归分析方法建立土壤有机质反演模型,最后,采用均方根 
误差验证模型。 
3.结果与分析 
3-1土壤有机质含量与光谱值之间的关系 

作者简介:张红丽(1986.9~),毕业于山西农业大学,地图学与地理信息系统专业,土地信息技术方向,研究生学历,硕士学位;现工作单 
位:国信司南(北京)地理信息技术有限公司,3S技术方向。 

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懈 
3.1.1中南部模型建立与验证 
使用中南部盆地边山丘陵区71个样本,在SAS软件中 
经过多元逐步回归分析,建立中南部区域有机质反演模型 
如下: 
‘ 。 。・ 1 ̄R4-2 4
)一0.3 xInR ,-534 9Xlog(1/R 241 9 lo—g (1

/ R

i:5“.6 5一 ・ R (1) . 4)一 × )一 、一 

采用36个实测点对模型进行验证,检验样点系数R = 
0.64,模型精度较高。 
3.1.2北部模型建立与验证 
使用51个样点建立北部土壤有机质含量的反演模型 
为: 
Ln(SOM)=一52.3×R。xR7—116.9×lnR5—0.8R2—3.7/R4+10.3/R , 、 

334.8×log(1/R )一373.5Xlog(1/R ) +18.3 、 
采用38个样点进行验证,检验样点系数R2=0.62。 
3.1.3东部模型建立与验证 
使用57个样点建立东部土壤有机质含量的反演模型 
为: 
OM) 姗l 191



3x兄 3悯4 (3) 


3.2log(1/R ) 11 、~ 
使用39个样点进行模型验证,检验样点系数 =0.60。 
3.1.4西部模型建立与验证 
采用6 1个样点建立西部土壤有机质反演模型为: 
Ln(SOM):194.5×R。×R4—612.5×R2xR +653.7xR2×R7—71.5×R7 ,d、 

182.7×InR,+1.1 一1.61R4—399.4×log(1/R,)一17 
采用39个样点验证模型,检验样点系数R =0.66。 

3.2山西省表层土壤有机质含量空间分布 
将四个区域遥感影像耕地图,分别通过各自区域模型 
进行运算后,得到如下山西省耕地有机质分布,如下图1所 
示: 
结果显示,山西省耕地土壤有机质含量从西北到东南 
逐渐升高。全省地势从西北到东南依次降低。西北部是黄 
土高原,土壤有机质含量较低,大多介于3.42g/kg~8.66g g 
之间。晋北地势较高,雨水少,多数为旱生草本植物,土壤 
有机质含量最低。东南部有机质含量最高,这是由于东南 
部主要为褐土,降水量较多。东南部部分区域土壤有机质 
含量大于29.62g/kg。中部地区大多为潮土,其保肥性能较 
好,所以其有机质含量也相对较高。有机质含量由北到南 
依次过渡到13.91g/kg~19.14g/kg,部分地区有机质含量超过 
19.14g/kg。西部区域有机质含量低于东部区域,这是由于 
西部土壤类型属于灰褐土,是介于森林草原与干旱草原之 
间,而且东南部年降雨量大于西北部地区。山西省土壤类 
型、降雨量、地形地貌等因素是形成以上土壤有机质含量空 

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间分布的主要原因。 
遥感测绘2016年第五期 
图1 山西省耕地有机质分布(g/kg) 
Figure1 Cropland soil organic matter distribution in Shanxi 
Province(g/kg) 
4.结论 
本文通过对遥感影像预处理及对光谱值采取各种数学 
变换,分别建立了山西省四个区域的土壤有机质含量反演 
模型。结果表明利用TM影像能够直观地显示出山西省耕 
地土壤有机质含量的空间分布。在后续研究中,采用高光 
谱遥感技术建立模型,能够更精准地获取土壤光谱信息,提 
高模型精度。 

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