基于改進(jìn)溫度植被干旱指數(shù)的農(nóng)田土壤水分反演方法

蘇永榮，宮阿都，呂瀟然，李靜

（1.北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875）

基于改進(jìn)溫度植被干旱指數(shù)的農(nóng)田土壤水分反演方法

蘇永榮1，2，宮阿都1，2，呂瀟然1，2，李靜1，2

（1.北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京100875；2.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875）

基于植被指數(shù)－地表溫度（VI－Ts）特征空間的溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）被廣泛應(yīng)用于土壤水分監(jiān)測(cè)，但TVDI為土壤水分相對(duì)值，而且利用散點(diǎn)圖確定干濕邊會(huì)造成很大的不確定性。基于能量平衡方程和TVDI，該文提出一種定量干濕邊選取方法和改進(jìn)的TVDI模型——定量溫度植被指數(shù)（Temperature Vegetation Quantitative Index，TVQI），以MODIS遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了定量干濕邊真實(shí)土壤水分的遙感估算。結(jié)果表明：TVQI估算結(jié)果與所觀測(cè)土壤水分呈0.01水平顯著相關(guān)，總體上的平均絕對(duì)誤差小于0.02cm3／cm3，均方根誤差RMSE小于0.035cm3／cm3；相對(duì)TVDI，TVQI克服了傳統(tǒng)干邊計(jì)算中對(duì)植被覆蓋類型的限制，更能夠準(zhǔn)確反應(yīng)土壤深度在0～10cm、10cm～20cm的土壤水分值，尤其與10cm～20cm土壤水分值更為貼近。

農(nóng)田土壤水分；能量平衡方程；溫度植被干旱指數(shù)；定量干濕邊；定量溫度植被指數(shù)

0 引 言

水分是地球系統(tǒng)中的重要組成部分，在各種自然地理研究區(qū)域中扮演綜合性的角色［1］，農(nóng)田土壤水分對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量具有重要的意義。

利用遙感手段監(jiān)測(cè)地表土壤水分的方法具有范圍廣、效率高、時(shí)間連續(xù)等優(yōu)勢(shì)。目前基于可見光－近紅外以及熱紅外波段的土壤水分遙感監(jiān)測(cè)方法主要有植被指數(shù)法、地表溫度法、特征空間法等。植被指數(shù)法，通過植被在敏感波段的反應(yīng)而間接體現(xiàn)土壤的供水狀況，對(duì)于短時(shí)間內(nèi)的土壤水分變化不敏感，依賴歷史數(shù)據(jù)［2－4］。地表溫度法分為熱慣量法［5－6］和作物缺水指數(shù)法［7－8］，其理論基礎(chǔ)是土壤水分與土壤溫度變化的關(guān)系，受植被覆蓋的限制，裸土與植被覆蓋高的區(qū)域不能同時(shí)估算土壤水分。特征空間法［9－11］，將植被指數(shù)和地表溫度兩種因子相結(jié)合，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果。

基于植被指數(shù)－地表溫度（VI－Ts）特征空間的溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）被廣泛應(yīng)用于土壤水分監(jiān)測(cè)，但存在兩個(gè)不足：①對(duì)地表覆蓋類型要求高［5］。理論上TVDI特征空間內(nèi)應(yīng)包括裸土、部分植被覆蓋和全植被覆蓋3種植被覆蓋條件，這使得覆蓋類型簡(jiǎn)單的地區(qū)難以進(jìn)行估算，由這些“不完全符合條件”的散點(diǎn)確定的干濕邊本質(zhì)上只是特征空間內(nèi)部存在的邊，而不是理論上的干濕邊，因此造成很大的不確定性。②TVDI為土壤水分相對(duì)值，需經(jīng)過觀測(cè)值修正為土壤水分估計(jì)值。

本文基于能量平衡方程和TVDI，提出了一種定量干濕邊確定方法和改進(jìn)的TVDI模型——定量溫度植被指數(shù)（Temperature Vegetation Quantitative Index，TVQI），克服了VI－Ts特征空間計(jì)算中對(duì)植被覆蓋類型的限制，提高了土壤水分遙感反演的精度。

1 方法

1.1 TVQI計(jì)算方法

當(dāng)研究區(qū)植被覆蓋度和土壤濕度變化均較大時(shí)，地表溫度Ts和植被指數(shù)VI構(gòu)成的二維散點(diǎn)圖呈梯形，如圖1所示：圖中橫坐標(biāo)為植被指數(shù)NDVI，縱坐標(biāo)為地表溫度Ts；對(duì)于裸土，地表溫度變化與表層土壤濕度變化密切相關(guān)，因此A代表干燥的裸土（低NDVI，高Ts），B代表濕潤(rùn)的裸土（低NDVI，低Ts）；一般情況下，隨著植被覆蓋度的增加，地表溫度降低，因此D代表干燥的密閉植被冠層（高NDVI，高Ts），C代表濕潤(rùn)的密閉植被冠層（高NDVI，低Ts）；ABCD 4個(gè)點(diǎn)構(gòu)成VI－Ts理論特征空間，其中，AD表示干邊（低蒸散、干旱狀態(tài)），BC表示濕邊（潛在蒸散、濕潤(rùn)狀態(tài)），特征空間可以看做由一組土壤等值線組成（AD與BC交于O點(diǎn)，OA與OB間的實(shí)線稱為土壤濕度等值線），每條等值線都可以表示為：

其中，a，b分別為土壤濕度等值線的截距和斜率。

基于遙感影像觀測(cè)值構(gòu)成的VI－Ts特征空間（圖2），Sandholt提出了TVDI模型，定義為［11］：

其中，Ts為像元的地表溫度估測(cè)值；Tsmax＝a1＋b1×NDVI，為NDVI對(duì)應(yīng)的觀測(cè)干邊溫度（由最大值方法提取的NDVI對(duì)應(yīng)的最高溫度像元線性擬合得到），a1、b1為觀測(cè)干邊擬合系數(shù)；Tsmin為像元NDVI對(duì)應(yīng)的濕邊溫度。結(jié)合圖1、圖2和式（2），可知在干邊上TVDI＝1，在濕邊上TVDI＝0，且Ts越接近干邊，TVDI越接近1，土壤濕度越低，反之則土壤濕度越高。

圖1 VI－Ts特征空間示意圖

如上所說，TVDI基于遙感影像數(shù)據(jù)構(gòu)建的VITs特征空間，此特征空間中的干邊由觀測(cè)散點(diǎn)擬合得到，但一般情況下，遙感影像中植被覆蓋度和土壤濕度范圍不能滿足VI－Ts理論特征空間的要求，此干邊為觀測(cè)干邊并非理論干邊，TVDI僅表示相對(duì)干旱程度估算值，需要用土壤水分觀測(cè)值校正為土壤水分值TVDII（TemperatureVegetation Dryness Index Investigation），計(jì)算公式如下：

其中，SMmax和SMmin分別代表地面觀測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的最大值和最小值。

本文基于地表能量平衡理論構(gòu)建VI－Ts特征空間（圖2，其中ab為定量干邊，cd為定量濕邊），并基于定量干濕邊和改進(jìn)TVDI的TVQI模型表示土壤水分估算值，計(jì)算公式如下：

其中，Ts表示像元的地表溫度估算值，Tsmax＿qua為Ts對(duì)應(yīng)的定量干邊溫度，Tsmin＿qua為Ts對(duì)應(yīng)的定量濕邊溫度。可知Ts越接近干邊，TVQI越接近0，土壤濕度越低，反之則土壤濕度越高，即TVQI能表示真實(shí)土壤水分值。

圖2 定量干濕邊與觀測(cè)干濕邊在梯形特征空間位置示意圖［11］

1.2 定量干濕邊獲取方法

地表能量平衡方程表示為［12］：

其中，Rn為地表凈輻射，G為地表土壤熱通量，LE為地表潛熱通量，H為地表顯熱通量，分別表示為：

其中，σ為斯－玻常數(shù)，取值5.67×10－8W· m－2·K－4，ρ為空氣密度；CP為空氣定壓比熱；Γs和Γv分別為裸土和植被覆蓋下G與Rn的比率，Γs取值0.315［13］，Γv取值0.05［14］，F(xiàn)v為植被覆蓋度，其他參數(shù)見表1。

表1 定量干濕邊端點(diǎn)參數(shù)計(jì)算表

定量干邊熱交換只有顯熱通量，表示為：

而傳統(tǒng)干邊［15］由NDVI最小時(shí)Ts最大值和NDVI最大時(shí)Ts最大值確定，而大多情況下，干邊最高溫度往往隨著NDVI的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)（圖2），因此僅從NDVI最小時(shí)選取Ts最大值可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際溫度高于理論最高溫度。Ts隨NDVI增大而升高至最高點(diǎn)的值Tds和NDVI接近1時(shí)的Ts最大值Tdv更能夠真實(shí)反映該特征空間內(nèi)定量干邊溫度分布，同時(shí)避免了傳統(tǒng)干邊計(jì)算中對(duì)植被覆蓋類型的限制［16］。Tds和Tdv計(jì)算公式如下式（9）、式（10）。定量干邊由Tds、Tdv兩點(diǎn)確定，因此定量干邊溫度Tsmax＿qua表示為：

定量濕邊熱交換只有潛熱通量，表示為：

裸土最大蒸發(fā)點(diǎn)的溫度Tws為NDVI接近0時(shí)Ts最小值，計(jì)算方程如式（12）。植被覆蓋下最大蒸騰點(diǎn)的溫度Twv為NDVI接近1時(shí)Ts最小值，計(jì)算方程如式（13）所示。

定量濕邊由Tws、Twv兩點(diǎn)確定，定量濕邊溫度Tsmin＿qua表示為：

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，以楊凌地區(qū)為中心共覆蓋咸陽市市區(qū)及周邊6個(gè)縣，位于107°26′E～108°13′E，34°6′N～34°46′N之間，面積約1600km2，平均高程為560m，年平均降雨量400mm，主要糧食作物為小麥和玉米。圖3為楊凌地區(qū)土地分類圖，其中水澆地（即農(nóng)田）占整個(gè)地區(qū)60%以上。

2.2 數(shù)據(jù)集

本文使用MODIS數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)反演土壤水分，使用水分測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，時(shí)間均為2013年4月27日。MODIS數(shù)據(jù)包括每日地表反射率數(shù)據(jù)MOD09GA和地表溫度數(shù)據(jù)MOD11A1，利用MRT軟件轉(zhuǎn)投影為UTM地理坐標(biāo)，橢球體為WGS84，其中MOD11A1重采樣到500m。氣象數(shù)據(jù)包括氣溫、氣壓、水汽壓、風(fēng)速等，來源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http：／／cdc.cma.gov.cn／）的地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集，取研究區(qū)內(nèi)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的空間均值作為研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)。土壤水分測(cè)量區(qū)覆蓋農(nóng)田16500畝（圖3黑色圓點(diǎn)為部分地面觀測(cè)點(diǎn)），測(cè)量數(shù)據(jù)包括植株高度、土壤水分等地表參數(shù)，其中水分由TDR法測(cè)量0～10cm、10cm～20cm深度土壤體積含水率和土樣烘干法測(cè)量10cm～20cm深度土壤質(zhì)量含水量得到，將單位統(tǒng)一為體積含水率，測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為56、9和18。

圖3 研究區(qū)及驗(yàn)證點(diǎn)位置

3 結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 特征空間與特征參數(shù)

讀取NDVI和Ts影像，以0.01為步長(zhǎng)提取NDVI及其對(duì)應(yīng)Ts的最大值和最小值，分別線性擬合得到觀測(cè)干邊和觀測(cè)濕邊。圖4中黑點(diǎn)為觀測(cè)干濕邊散點(diǎn)，紅色實(shí)線為擬合得到的觀測(cè)干邊，紅色虛線為擬合得到的觀測(cè)濕邊，觀測(cè)干濕邊擬合判定系數(shù)R2都較高，分別為0.73和0.80；藍(lán)點(diǎn)為定量干濕邊頂點(diǎn)，綠色直線為定量干邊，綠色虛線為定量濕邊，定量干邊截距與觀測(cè)干邊截距距離6.75K；定量濕邊截距與觀測(cè)濕邊截距距離為15.57K。

3.2 土壤水分驗(yàn)證結(jié)果與分析

圖6為土壤水分TVQI估計(jì)值（簡(jiǎn)稱TVQI）和TVDII估計(jì)值（簡(jiǎn)稱TVDII）與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證結(jié)果比較，可知相對(duì)TVDII，TVQI的散點(diǎn)分布集中且與實(shí)測(cè)值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖4 干濕邊及其特征空間分布圖（注：R2為判定系數(shù)）

TVQI、TVDII與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析表明：

①Pearson相關(guān)系數(shù)r：TVQI、TVDII均與TDR10cm～20cm實(shí)測(cè)值相關(guān)性最大，r分別為0.980＊＊和0.313；TVQI與TDR0cm～10cm實(shí)測(cè)值相關(guān)性最?。╮＝0.670＊＊）；TVDII與TDR10cm～20cm實(shí)測(cè)值中等相關(guān)，與烘干法實(shí)測(cè)值不相關(guān)（r＝0.0380）；

②均方根誤差RMSE：TVQI與TDR10cm～20cm實(shí)測(cè)值的RMSE最?。?.014cm3／cm3），與TDR0cm～10cm實(shí)測(cè)值的RMSE最大（0.032cm3／cm3）；TVDII與烘干法實(shí)測(cè)值的RMSE最小（0.064cm3／cm3），與TDR0cm～10cm實(shí)測(cè)值的RMSE最大（0.090cm3／cm3）；

③平均絕對(duì)誤差bias：TVQI與TDR0cm～10cm、烘干法實(shí)測(cè)值的最?。?.011cm3／cm3），TVDII與TDR0cm～10cm實(shí)測(cè)值bias最?。?.083cm3／cm3）；TVQI和TVDII均與TDR10cm～20cm實(shí)測(cè)值的bias最大，但TVDII的bias為0.134cm3／cm3，而TVQI僅為0.020cm3／cm3。

總之，①在Pearson相關(guān)系數(shù)、平均絕對(duì)誤差bias以及均方根誤差RMSE的比較中，TVQI的結(jié)果都優(yōu)于TVDII，TVQI與所有觀測(cè)土壤水分呈0.01水平顯著相關(guān)，總體上的平均絕對(duì)誤差小于0.02cm3／cm3，均方根誤差RMSE小于0.035cm3／cm3，證明TVQI能夠反映真實(shí)土壤水分值；②TVQI與不同深度土壤水分驗(yàn)證分析中得出，其估算值能夠準(zhǔn)確反應(yīng)土壤深度在0～10cm、10cm～20cm的土壤水分值，尤其與10cm～20cm土壤水分值更為貼近；③TVQI與不同方法土壤水分驗(yàn)證分析中，TVQI的土壤水分估算與TDR和烘干法所測(cè)定的土壤水分都具有顯著線性關(guān)系；絕對(duì)誤差也在0.03cm3／cm3之內(nèi)，所以TVQI所估算的土壤水分能夠代表土壤水分的真實(shí)情況。

3.3 研究區(qū)土壤水分制圖

利用TVQI模型計(jì)算得到研究區(qū)農(nóng)田的土壤水分分級(jí)圖（圖5，僅顯示農(nóng)田的土壤水分），可知研究區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)土壤水分介于20%cm3／cm3～30% cm3／cm3，由于作物處于抽穗期，需水量比較大，所以研究區(qū)農(nóng)田整體處于比較干旱的狀態(tài)。

圖5 研究區(qū)農(nóng)田土壤水分分級(jí)圖

圖6 土壤水分TVQI、TVDII估計(jì)值與實(shí)測(cè)值驗(yàn)證結(jié)果（注：Bias和RMSE單位均為cm3／cm3；＊＊.在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；＊.在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)）

4 結(jié)束語

本文提出一種定量干濕邊選取方法和改進(jìn)的TVDI模型TVQI，克服了TVDI模型對(duì)植被覆蓋類型的限制，實(shí)現(xiàn)了真實(shí)土壤水分的遙感反演。土壤水分TVQI和TVDII估測(cè)值與實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證結(jié)果表明：TVQI與所有觀測(cè)土壤水分呈0.01水平顯著相關(guān)，總體上的平均絕對(duì)誤差小于0.02cm3／cm3，均方根誤差RMSE小于0.035cm3／cm3；TVQI估算值能夠準(zhǔn)確反應(yīng)土壤深度在0～10cm、10cm～ 20cm的土壤水分值，尤其與10cm～20cm土壤水分值更為貼近?？傮w來說，相對(duì)TVDI，基于TVQI的土壤水分反演精度更高、適用范圍更廣。

定量干濕邊的端點(diǎn)方程涵蓋了10項(xiàng)地表參數(shù)，本文力求通過遙感方法解決其對(duì)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的依賴，但仍需要4項(xiàng)氣象參數(shù)（氣壓、水汽壓、風(fēng)速、氣溫）的輔助。另外，本文只使用了楊凌地區(qū)一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行方法驗(yàn)證，效果優(yōu)于其他方法但具有一定的局限性，之后將開展此方法對(duì)不同研究區(qū)、不同時(shí)間數(shù)據(jù)的適用性研究和應(yīng)用。

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Soil Moisture Estimation Based on Improved Temperature Vegetation Dryness Index

SU Yong－rong1，2，GONG A－du1，2，LV Xiao－ran1，2，LI Jing1，2
（1.Academy of Disaster Reduction and Emergency Management，Beijing Normal University，Beijing100875；2.Key Laboratory of Environmental Change and Natural Disaster，MOE，Beijing Normal University，Beijing100875）

Temperature vegetation dryness index（TVDI）has been widely used to monitor soil moisture.However，TVDI represents the relative value of soil moisture and the dry edge is fitted by the observations，which causes a great uncertainty.This research proposes a method for quantitative selection of dry edge and wet edge based on the energy balance equation and an improved TVDI model：quantitative temperature vegetation index（TVQI）.With this method，the real value of soil moisture was estimated using moderate－resolution imaging spectroradiometer（MODIS）data in this research and validated with in－situ measurements at depth of 0～10cm and 10cm～20cm.The bias and RMSE are less than 0.02cm3／cm3and 0.035cm3／cm3，respectively，with a significant correlation at the 0.01level（Pearson correlation coefficient＞0.67）.Compared with TVDI，TVQI can overcome the limitations of the vegetation index－land surface temperature（VI－Ts）space on vegetation cover types and correctly retrieve the soil moisture at the depth of 0～10cm and 10cm～20cm，especially at 10cm～20cm.

soil moisture；energy balance equation；temperature vegetation dryness index；quantitative dry edge and wet edge；temperature vegetation quantitative index

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.06.018

TP79；S15

A

1000－3177（2015）142－0096－06

2014－08－18

2014－09－21

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（201411003）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAJ23B05）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2012LZD14）。

蘇永榮（1987—），女，碩士，研究方向?yàn)闉?zāi)害遙感。

E－mail：suyongrong＠m(xù)ail.bnu.edu.cn

宮阿都（1976—），男，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感。

E－mail：gad＠bnu.edu.cn