土壤反射波谱reflectance spectra of soils

表示土壤对电磁波各个谱段的反射率大小的图形。它是土壤遥感解译的依据。土壤的光谱反射率与土壤的成分和性质有密切的关系，同时亦反映了土壤的环境和形成条件。从遥感器获得的土壤反射光谱受到农作物和其他覆盖物的影响。
土壤反射波谱特性 土壤的反射率在可见光和近红外谱段是逐渐上升的。土壤的光谱反射率随土壤中的有机物、水分、铁化合物、结构或质地不同而变化。一般情况下，土壤水分含量与其光谱反射率成反比，干燥土壤的光谱反射率大于湿土的反射率，任何类型的土壤都有这一特性。图1是含水量不等的粘质与砂质土壤的反射曲线。在近红外谱段干燥土壤与湿润的土壤反射率的差异更为明显，湿润土壤在1.45和1.95微米波长的两个水分强吸收处，反射率变得很低。

(a) 粘质土壤

(b) 砂质土壤

图1 土壤水分变化与光谱反射率

土壤光谱反射率随有机物含量的增大而减小。有机物对土壤光谱反射率表现在0.55～1.0微米谱段范围内。图2中的A、B、C三条曲线分别代表了有机物含量不等的三种土壤光谱反射率曲线。曲线A₁是有机物含量最高的土壤(即曲线A)脱去有机物以后的光谱反射曲线。从0.55微米开始，反射率明显增大。土壤中铁化合物的含量对光谱反射率的影响主要表现在0.40～0.54微米谱段范围内。铁化合物降低了土壤的光谱反射率。图2中的曲线A₂是曲线A脱铁处理后的光谱反射曲线，0.40～0.54微米的反射率明显增大。

图2 有机物含量对土壤光谱反射率的影响

A.有机物含量为13.5%黑色火山性土（表土）;B.有机物含量为7.19%褐色火山性土（表土）;C.有机物含量为2.14%褐色火山性土（下层土）;A₁.A脱去有机物后的曲线；A₂.A脱去铁后的曲线

土壤表面结构粗比表面结构细的光谱反射率低；风化程度对土壤的光谱反射率也有一定的影响。
康迪特(H.R.Condit)曾在0.32～1.0微米波长范围内测定了美国许多种土壤的光谱反射曲线，归纳起来分为三大类型。斯托纳(E.R.Stoner)和鲍姆加特纳(M.F.Baumgardner)(1980)在分析研究康迪特的土壤反射波谱三种类型之后，经过大量研究测定，根据土壤有机物和氧化铁的含量，将土壤反射波谱曲线分为5种基本类型(图3)。

图3 5种主要土壤反射波谱类型

图4 土壤线

土壤线 土壤红谱段与近红外谱段的光谱反射率的比值，对不同的土壤种类、土壤中有机物含量和水分含量几乎为一定值。将各种不同类型、不同条件土壤红谱段反射率与红外谱段反射率组成二维空间的坐标散点图(图4)，两者之间存在线性关系，其直线称之为土壤线。图中l₁是完全裸露土壤的土壤线，其方程为：

IR=aR+b (1)

式中 IR、R分别为裸露土壤红外谱段和红谱段的反射率，a为斜率，b为截距。
l₂为有一些植被覆盖的土壤线，方程式为：

IR=aR+b′ (2)

式中 IR、R分别为土壤与植被混合的红外谱段和红谱的反射率。两条土壤线的斜率相等，截距之差称为植物生物量指数，用K表示：

K=b′-b (3)

当植被覆盖不断增加时，则红外谱段的反射率上升，而红谱段的反射率下降，土壤线逐渐向上平移。利用(3)式可以求出不同时期的植物生物量指数。当土壤植被覆盖率达到100%时，则红外与红谱段的反射率集中于P点。
垂直植被指数 将图4中的坐标进行平移和旋转，使0点与0′点重合，逆时针旋转α角度，使原横坐标与裸露土壤线l₁重合并作为新坐标系的横坐标，新的纵坐标称为垂直植被指数。这样，原坐标系中土壤和植被混合的红外谱段反射率和红谱段反射率对应点(如图4中A′、B′、C′、D′、E′)在新坐标系中，就是排除了土壤反射光谱后纯植被的光谱反射值。消除土壤反射光谱干扰的垂直植被指数用于农作物生物量的估测，将大大提高估测精度。
土壤指数 日本福原道一、安田嘉纯等人将土壤指数(soil index)定义为：

SI=〔P_IR-MSS7〕/〔MSS5-P_R〕(4)

式中 P_IR、P_R分别是植被覆盖率为100%时红外谱段和红谱段的光谱反射率，MSS7、MSS5分别为陆地卫星多谱段扫描仪中第7波段(0.80～1.10微米)、第5波段(0.62～0.70微米)的光谱亮度值。
在干燥的条件下，测定的土壤指数与土壤中有机物含量有高度的相关性。土壤指数的变化可以显示出土壤有机质含量的等级。
土壤指数是随土壤含水量多少而变化的。由于有机质含量在短期内可以认为是一常数，采用多时相对同一地方不同干湿条件下求出不同的土壤指数，表示了该地方土壤含水量的信息。
由于地面总是被植被或其他地物所覆盖，完全裸露的土壤是很少的，利用遥感技术进行土壤分类、土壤有机质含量的测定、土壤含水量的测定等研究，需在了解土壤本身波谱特性的基础上，结合土壤背景综合的波谱信息进行分析、判别，并借助其他辅助手段(如土壤线、土壤指数、谱段组合等)才能获得所需要的研究结果。同时，在研究植被的生长情况时，也必须设法排除土壤反射光的干扰。