黄土高原浅层土壤抗剪性高光谱探测方法研究

Shearing strength of soil (SSoS) is very important for Loess Plateau soil erosion macro decision-making, geological hazard assessment and regional ecological geological environment protection. SSoS is mainly affected by the material components and moisture content of the soil. The current measurements of SSoS are suitable for single sample. The advantage of hyper-spectrum is used for elaborate material composition inversion by non-contact and large area detection.Hyper-spectrum has been successfully used in inversion of mineral components and the moisture content of soil, but no one has carried out the study of SSoS study by using hyper-spectrum. This study takes Yulin-Suide-Yan’an as typical study area.The aim is to establish hyperspectral detection models for SSoS of Loess Plateau by hyperspectral measurement, SSoS measurement, physical and chemical properties measurement. The study is expected to fill the gaps in SoSS based on hyper-spectrum. It will provide technical means for soil erosion macro decision-making, loess geological hazard assessment and regional ecological geological environment protection.

黄土高原浅层土壤抗剪性指标对于区域土壤侵蚀水土流失整治的宏观决策、黄土地质灾害发育规律评价和保护区域生态地质环境等具有重要意义。黄土抗剪性主要受黄土物质组份及含水率的影响。当前，土壤抗剪性的测量都是针对单个样本进行的，高光谱的最大优势在于利用精细光谱反演物质成分，非接触式大面积探测物质性质，在矿物组份和含水量反演方面取得了成功，但尚无人开展土壤抗剪性高光谱探测方法的研究。项目以陕北榆林-绥德-延安为典型研究区、通过开展典型黄土高光谱测量、抗剪性测量、黄土物理化学性质测量实验，探讨土壤抗剪性的高光谱探测机理，建立黄土高原浅层土壤抗剪性高光谱探测模型，并基于高光谱卫星影像开展应用示范。研究成果有望填补高光谱技术在黄土高原土壤抗剪性研究领域的空白。为宏观分析土壤流失、黄土地质灾害评价提供技术手段，为制定土壤流失防治措施、黄土地质灾害评价减灾提供科学依据。

黄土高原浅层土壤抗剪性指标对于区域土壤侵蚀水土流失整治的宏观决策、黄土地质灾害发育规律评价和保护区域生态地质环境等具有重要意义。抗剪强度的大小主要由土壤理化性质决定，目前，随着高光谱技术的不断发展，利用可见光-近红外（VNIR）光谱技术获取土壤理化性质越来越广泛。本研究以黄土高原典型黄土为研究对象，利用VNIR光谱技术实现黄土高原典型区域抗剪强度参数的快速估算。主要研究内容与结论如下：①光谱预处理变换可以有效地消除基线和背景噪声，有效突出光谱响应位置。各土壤矿物组分特征波段基本保持一致，主要分布在850nm、900nm、1100nm、2200nm、2400nm附近处；土壤液限特征波段主要为794nm、890nm、2185nm、2266nm；塑限的特征波段主要位于2200nm和2400nm附近处；Fe和Mn的特征波段保持一致，在2200nm附近处；②基于可见光-近红外（VNIR）采用PLSR分别建立抗剪强度参数控制要素的预测模型，结果表明利用CARS算法筛选波长构建CARS-PLSR模型可消除波段信息冗余，有利于提高模型的稳定性；③通过分析抗剪强度敏感波长位置，结果表明内摩擦角的特征波段主要在860nm、1400nm、2200nm、2400nm处附近；总粘聚力的特征波段为586nm、720nm、1400nm、2200nm。说明利用光谱数据直接预测内摩擦角具有一定的可行性；④利用抗剪强度影响因子间接预测内摩擦角和总粘聚力效果优于高光谱直接建模效果，采用波段内插法将抗剪强度参数内摩擦角高光谱最佳估算模型应用到Sentinel-2遥感影像上，遥感影像反演值与实测值之间相关系数为0.45，研究区黄土抗剪强度变化规律呈现出由西北至东南部逐渐变大的趋势。研究结果为黄土高原地区水土流失变化规律提供重要依据。