基于MODIS數(shù)據(jù)的渭南市土壤水分反演研究

許偉峰，尹貞鈐，范 濤，馮 偉

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

基于MODIS數(shù)據(jù)的渭南市土壤水分反演研究

許偉峰，尹貞鈐，范 濤，馮 偉

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)特點，分高植被覆蓋和低值被覆蓋條件，研究了MODIS第1～7波段數(shù)據(jù)與土壤表層水分含量之間的關(guān)系，基于分析結(jié)果，選擇與土壤水分含量相關(guān)度高的MODIS數(shù)據(jù)波段，建立渭南市0～10 cm土壤相對濕度反演模型。利用模型開展渭南市土壤墑情監(jiān)測，只需在晴空條件下，使用一景白日過境的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，即可完成土壤表層水分快速監(jiān)測。

MODIS；土壤水分；反演研究；渭南

渭南市是農(nóng)業(yè)大市，地處關(guān)中東部，全市土地面積為1.3×104km2，屬于干旱半干旱地區(qū)，旱災幾乎年年發(fā)生，有“十年九旱”之稱，干旱是限制當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子之一。準確掌握土壤墑情，及時反映田間旱情發(fā)生的范圍、程度及其發(fā)展變化，為各級政府制定合理的防旱、抗旱措施提供科學依據(jù)。

隨著遙感和計算機技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)迅速被應用于土壤水分監(jiān)測，有些學者采用熱慣量法[1]、亮溫法[2]、植被供水指數(shù)法[3]等進行監(jiān)測土壤水分的研究，但研究尺度多范圍較大。對地市范圍的土壤墑情監(jiān)測而言，衛(wèi)星監(jiān)測土壤墑情反演圖像不夠精細，難以清晰地反映土壤水分分布。比如張樹譽等認為基于NOAA衛(wèi)星的AVHRR數(shù)據(jù)開展的干旱監(jiān)測業(yè)務解決了省級干旱發(fā)生發(fā)展的宏觀監(jiān)測問題, 但不能滿足為市、縣級的服務需求[4]。

近年來，EOS/MODIS數(shù)據(jù)作為新的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，具有高時間分辨率和光譜分辨率，且數(shù)據(jù)獲取方便等特點，學者們利用 MODIS 數(shù)據(jù)，對其與土壤水分之間的關(guān)系進行了大量研究。郭廣猛等[5]研究認為MODIS第7波段的值和土壤表層水分有較好的相關(guān)關(guān)系；姚云軍等[6]研究了MODIS短波紅外光譜特征與土壤含水量之間的關(guān)系，認為MODIS第6、7波段的值與土壤表層水分存在敏感關(guān)系；周秉榮等[7]認為MODIS第1、2波段和土壤濕度也有較好的相關(guān)關(guān)系?？梢娎肕ODIS數(shù)據(jù)中第1～7波段的遙感資料與土壤水分實測數(shù)據(jù)，可以建立衛(wèi)星遙感反演土壤水分模型，且所用MODIS遙感資料空間分辨率為500 m，能較精細地反映地市級尺度范圍土壤水分分布狀況。

1 資料和數(shù)據(jù)處理

選用2011—2012年MODIS(Terra衛(wèi)星)白天遙感數(shù)據(jù)和相應時段渭南市土壤水分觀測資料，數(shù)據(jù)來源于渭南市氣象局資料室。土壤水分數(shù)據(jù)為渭南市白水縣、澄城縣、合陽縣、富平縣、蒲城縣、大荔縣、潼關(guān)縣、華陰市、華縣等氣象觀測站每旬逢8日觀測到的土壤相對濕度資料，采用方法為烘干法。MODIS數(shù)據(jù)為中國氣象局通過衛(wèi)星廣播下發(fā)的0級數(shù)據(jù)(即PDS格式文件)。MODIS數(shù)據(jù)采用了人工土壤水分觀測日或觀測前后一日的晴空資料,數(shù)據(jù)接收處理采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)DVB-S廣播系統(tǒng)軟件，首先將接收的PDS文件預處理，得到MODIS數(shù)據(jù)的1B文件(即HDF文件)，然后對其進行太陽高度角訂正、去條紋處理和幾何校正，將105.38～111.95°E,31.67～39.8°N范圍內(nèi)(包含渭南全市)第1～7波段數(shù)據(jù)進行投影處理。再利用ENVI4.5軟件中自帶的黑暗像元法進行大氣校正，并讀取土壤濕度觀測點所在像元的反射率值，分別與相應的土壤相對濕度實測數(shù)據(jù)相互匹配，根據(jù)MODIS第1、2波段數(shù)據(jù)計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，結(jié)果中出現(xiàn)的負值為受云和其他因素干擾的數(shù)據(jù)，將其剔除后得到139組有效樣本數(shù)據(jù)。將有效樣本數(shù)據(jù)按照NDVI進行排序，選取NDVI值≤0.25的數(shù)據(jù)作為低植被覆蓋樣本，進行各層人工土壤水分值與各波段值相關(guān)分析，選取相關(guān)系數(shù)高的波段，利用SPSS20.0軟件，與土壤水分實測值建立低植被覆蓋條件下的反演模型；選取NDVI值gt;0.25的數(shù)據(jù)作為髙植被覆蓋樣本，用同樣的方法建立高植被覆蓋條件下的反演模型。

2 相關(guān)分析與模型建立

分析低植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率的相關(guān)關(guān)系(見表1)，將相關(guān)系數(shù)在0.000水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)的MODIS第2、6、7波段反射率值與0～10 cm土壤水分進行線性回歸分析，得到方程

Yd10=123.206+0.108B2-0.334B6-0.148B7，

(1)

(1)式中，Yd10為低植被條件下0～10 cm土壤相對濕度，B2、B6、B7分別為MODIS衛(wèi)星遙感資料第2、6、7波段反射率，回歸方程通過0.000水平顯著性檢驗。

表1 低植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率相關(guān)分析

注：*為通過0 .000水平檢驗。

分析高植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率的相關(guān)關(guān)系(見表2)，將相關(guān)系數(shù)在0.000水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)的MODIS第1、4、6、7波段反射率值與0～10 cm土壤水分進行線性回歸分析，得到方程

Yg10=110.917-0.942B1+0.445B4-0.039B6+0.119B7，

(2)

(2)式中，Yg10為高植被條件下0～10 cm土壤相對濕度，B1、B4、B6、B7分別為MODIS衛(wèi)星遙感資料第1、4、6、7波段反射率數(shù)值，回歸方程通過0.000水平顯著性檢驗。

表2 高植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率相關(guān)分析

注：*為通過0 .000水平檢驗。

3 模型檢驗

2013年渭南出現(xiàn)歷史罕見的秋冬連旱，旱情嚴重。2014年1月9日田間調(diào)查顯示，市區(qū)已灌溉麥田墑情適宜，旱地麥田墑情明顯不足，0～10 cm土壤墑情普遍較差，相對濕度為30%～40%，土壤表層重度缺水。將2014年1月13日MODIS衛(wèi)星遙感反演的0～10 cm土壤相對濕度按照氣象干旱等級標準[8]分級：相對濕度40%以下為重旱，40%～50%為中旱，50%～60%為輕旱，60%以上為無旱。結(jié)果顯示，全市中北部和南部塬區(qū)大部分地方出現(xiàn)重旱，與實際情況相符(見圖1)。

利用2014年5月21、26日兩個時次的遙感數(shù)據(jù)和相應時段的土壤水分數(shù)據(jù)，對模型進行定量檢驗(表3)，結(jié)果顯示，兩次反演結(jié)果的平均誤差為11%。根據(jù)中國氣象局綜合觀測司下發(fā)的自動土壤水分觀測規(guī)范規(guī)定：體積含水量平均絕對誤差≤5%，即可達到業(yè)務化應用。對渭南市而言，體積含水量平均絕對誤差為5%，對應的土壤相對濕度平均誤差為17%，因此模型可以在業(yè)務中應用。

圖1 2014年1月13日渭南市MODIS衛(wèi)星遙感監(jiān)測旱情反演圖

表3 2014年5月21、26日0～10 cm人工測墑與衛(wèi)星遙感反演土壤相對濕度%

4 誤差分析

(1)人工土壤水分監(jiān)測點所對應的遙感影像像元并非純凈像元，利用MODIS空間分辨率為500 m的數(shù)據(jù)所監(jiān)測的一個點像元對應實際地物面積達到2 500 m2，在這樣一個大范圍地物中，往往有不同的地表景觀，根據(jù)遙感圖像所計算得到的土壤水分只是該區(qū)域的平均值，研究此類問題的相關(guān)學者已經(jīng)證明，一個點像元的土壤含水量的變異系數(shù)很大[9]，因此存在誤差無法避免。

(2)研究中雖然對遙感數(shù)據(jù)采取黑暗像元法進行了大氣校正，但實際上無論哪種大氣校正都無法真正消除較為復雜的實際大氣狀況對遙感反演土壤水分的干擾。

(3)研究中采用的數(shù)據(jù)僅限于每旬人工逢8日數(shù)據(jù)，雖然持續(xù)積累了兩年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和人工土壤水分數(shù)據(jù)，但受天氣、云量等影響，實際整理可用于研究的數(shù)據(jù)有限，也會對反演方程的建立產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

(1)利用MODIS衛(wèi)星第1～7波段反射率數(shù)據(jù)，建立了渭南市土壤表層相對濕度遙感監(jiān)測模型，經(jīng)過檢驗可以開展土壤表層相對濕度面上的監(jiān)測，且所用資料空間分辨率為500 m，遙感反演圖像較為精細，能夠滿足地市級一般業(yè)務服務需求。

(2)土壤水分的監(jiān)測尤其是針對大面積農(nóng)田土壤水分監(jiān)測難度較大，MODIS數(shù)據(jù)具有高時間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢，模型利用MODIS衛(wèi)星每日過境的有利條件，只需要在晴空條件下，一景白日過境的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對田間土壤墑情的快速判別，方便土壤墑情遙感監(jiān)測業(yè)務化運行。

(3)研究中所用的土壤水分實測值通過固定點測量得來，對應的衛(wèi)星反演結(jié)果反映的是測量點周圍500 m×500 m區(qū)域內(nèi)土壤濕度的平均狀況，因此會給研究結(jié)果帶來誤差。加之遙感區(qū)域下墊面不均一，受混合像元的影響，也會帶來誤差，有待于進一步研究更好的訂正方法，提高遙感反演監(jiān)測結(jié)果的精度。

[1] 李星敏，劉安麟，張樹譽，等.熱貫量法在干旱遙感監(jiān)測中的應用研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005,23(1)：54-59.

[2] 劉麗，劉清，周穎，等.衛(wèi)星遙感信息在貴州干旱監(jiān)測中的應用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，1999,20(3)：43-47.

[3] 梁蕓,張峰,韓濤. 利用EOS MODIS植被供水指數(shù)監(jiān)測慶陽地區(qū)的土壤濕度[J].干旱氣象，2007,25(1)：44-47.

[4] 張樹譽,杜繼穩(wěn),景毅剛,等.陜西省干旱監(jiān)測預測評估業(yè)務平臺[J].陜西氣象，2009(6)：32-33.

[5] 郭廣猛，趙冰茹.使用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測土壤濕度[J].土壤.2004,36(2)：219-221.

[6] 姚云軍，秦其明，趙少華，等.基于MODIS短波紅外光譜特征的土壤含水量反演[J].紅外與毫米波學報，2011,30(1)：9-14.

[7] 周秉榮，李鳳霞，申雙和，等.從MODIS 資料提取土壤濕度信息的主成分分析方法[J]. 應用氣象學報，2009，20(1)：114-118.

[8] GB/T 20481—2006 氣象干旱等級[S].北京：中國標準出版社，2006：4.

[9] 董小曼.基于MODIS數(shù)據(jù)的章丘市土壤含水量遙感反演研究[D].山東：山東師范大學, 2011：6-7.

許偉峰，尹貞鈐，范濤，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的渭南市土壤水分反演研究[J].陜西氣象，2014(6)：28-31.

1006-4354(2014)06-0028-04

2014-06-27

許偉峰(1977—)，男，陜西韓城人，漢族，學士，工程師，從事農(nóng)業(yè)氣象服務工作。

陜西省氣象局創(chuàng)新基金(2011M—37)

P407.6

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