土壤是地球上大的活躍碳循環(huán)庫，但近幾個(gè)世紀(jì)以來，由于人類活動(dòng)（如減少木本植被覆蓋）對(duì)其造成了干擾。土壤有機(jī)質(zhì)檢測對(duì)評(píng)估土壤肥力、監(jiān)測土壤污染、精 準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等至關(guān)重要，高光譜成像技術(shù)結(jié)合了光譜分析和成像技術(shù)，能夠在連續(xù)的光譜波段內(nèi)獲取目標(biāo)物體的空間和光譜信息，能夠顯著提升檢測效率及精度，有助于精 準(zhǔn)地評(píng)估土壤健康和質(zhì)量，管理土壤資源，維護(hù)生態(tài)平衡。
案例1：熱帶土壤中的有機(jī)碳和氮含量預(yù)估
芬蘭赫爾辛基大學(xué)的Petri Pellikka等研究人員23年發(fā)表在《Science of the Total Environment》上的一篇文章，展示了便攜式高光譜相機(jī)（VNIR）在估算土壤有機(jī)碳（SOC）和氮含量方面的實(shí)用性，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測土壤屬性。研究中利用Specim IQ便攜式高光譜成像相機(jī)對(duì)不同海拔高度的5個(gè)典型土地類型（農(nóng)林業(yè)、農(nóng)田、森林、灌木林和劍麻種植園）共計(jì)191個(gè)土壤樣本進(jìn)行了光譜成像分析，并通過燃燒分析儀確定其SOC和氮含量。
圖1：本研究的土壤采樣點(diǎn)繪制在肯尼亞泰塔山的土地利用圖(左上)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析的不同海拔高度（800-2200m）的土壤樣的地理位置及SOC含量(右上，下圖為局部放大圖)
圖2：使用 Specim IQ 對(duì)土壤樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室成像的裝置
基于高光譜圖像，結(jié)合多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立土壤光譜與土壤屬性之間的定量關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤樣本中SOC和氮含量的估算。結(jié)果顯示，5種機(jī)器學(xué)習(xí)算法都能夠準(zhǔn)確的預(yù)測熱帶土壤的SOC和氮含量，誤差精度在1%左右。實(shí)驗(yàn)證明，高光譜成像技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取土壤的光譜信息，能夠快速、無損地分析土壤屬性，還能提供高精度的定量分析，為全面評(píng)估土壤健康和質(zhì)量提供有力依據(jù)。
圖3：使用多種回歸算法(PLSR、GPR、LR和RF)對(duì)土壤樣本中SOC（左）和氮含量（右）的回歸分析
案例2：不同深度的土壤有機(jī)質(zhì)含量檢測
巴西馬林加州立大學(xué)農(nóng)學(xué)系的研究人員提取巴拉那州8個(gè)不同深度的384個(gè)土壤樣品，采用高光譜成像技術(shù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行預(yù)測分析，基于高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)測結(jié)果與化學(xué)分析方法獲取的土壤SOM（有機(jī)質(zhì)）含量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75。結(jié)果表明，高光譜成像技術(shù)能夠通過光譜變化，有效區(qū)分不同深度的土壤有機(jī)質(zhì)含量，驗(yàn)證了高光譜成像技術(shù)是準(zhǔn)確檢測土壤有機(jī)質(zhì)的有力手段。
圖4：高光譜成像掃描平臺(tái)（左）及具不同SOM含量的土壤樣品反射光譜曲線
圖5：基于PLSR模型的土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測結(jié)果圖
此外，高光譜成像技術(shù)憑借其高通量、無損檢測、非接觸等特點(diǎn)，在土壤健康評(píng)估、污染監(jiān)測和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中表現(xiàn)突出，為土壤科學(xué)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，高光譜成像技術(shù)將在土壤分析領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。
北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司長期致力于生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康領(lǐng)域儀器的研發(fā)、應(yīng)用與推廣，先后推出了FluorTron多功能高光譜成像技術(shù)、新一代農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、易科泰SoilLab土壤呼吸實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)（可用于評(píng)估土壤微生物活性）、LIBS元素分析技術(shù)、土壤樣芯分析技術(shù)等，為土壤養(yǎng)分、污染、重金屬檢測、土壤-植物互作關(guān)系研究提供從實(shí)驗(yàn)室到野外，從地面到無人機(jī)遙感解決方案。
圖6：從左至右、從上之下依次為：SisuROCK高光譜成像系統(tǒng)、SpectraScan? SWIR-LWIR地礦勘查高光譜成像分析系統(tǒng)、EasyChem 200全自動(dòng)離子分析儀、FENIX高光譜成像系統(tǒng)檢測土壤重金屬（K. Y. Lee等）、iSCAN Multi-Sensor 多參數(shù)土壤理化性質(zhì)測繪系統(tǒng)、Ecodrone?無人機(jī)高光譜遙感平臺(tái)
參考文獻(xiàn)：[1] Pellikka P, Luotamo M, S?dekoski N, et al. Tropical altitudinal gradient soil organic carbon and nitrogen estimation using Specim IQ portable imaging spectrometer[J]. Science of the Total Environment, 2023, 883: 163677.
[2] Reis A S, et al. Detection of soil organic matter using hyperspectral imaging sensor combined with multivariate regression modeling procedures[J]. Remote Sensing Applications: Society and Environment, 2021.
