基于TM遙感數(shù)據(jù)的土壤墑情監(jiān)測(cè)方法研究——以河南省白沙灌區(qū)為例

孫喜梅等

摘要土壤墑情的監(jiān)測(cè)是水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域研究的主要內(nèi)容之一。該研究以河南省白沙灌區(qū)為研究對(duì)象，研究光學(xué)與熱紅外遙感數(shù)據(jù)融合的農(nóng)田土壤含水量遙感模型與方法，應(yīng)用 TM 影像穗帽變換，獲取濕度分量，同時(shí)結(jié)合TM第6波段反演的植被冠層溫度信息，進(jìn)行分析、建模和反演土壤墑情。結(jié)果表明，該方法反演的土壤含水量與實(shí)測(cè)結(jié)果相關(guān)性較好，具有較高的土壤墑情反演精度，為灌區(qū)合理灌溉和水資源高效利用提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞土壤墑情 ； TM遙感影像； 穗帽變換； 冠層溫度

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-336-02

The Method of Soil Moisture Monitoring Based on TM Remote Sensing Data— Taking Baisha Irrigation District， Henan Province as an Example

SUN Xi-mei1， LI Chao-yang2， REN Yan1

（1. College of Environment & Water Conservancy， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001； 2. Yudong Waster Conservancy Bureau of Henan Province， Kaifeng， Henan 475002）

Abstract The monitoring of soil moisture is a major content in research fields of hydrology， meteorology and agricultural science. The remote sensing model and approach that integrate optics and thermal infrared remote sensing data for sensing soil moisture of farmland was studied by regarding Baisha irrigation district as the research object. TM images Kautlr-Thomas Transformation was applied to attain humidity constituent. Meanwhile， temperature of plant canopies inverted by the sixth wave band of TM was combined to analyze， model and invert soil moisture. The results showed that soil moisture inverted by such approach has a good correlation and a higher soil moisture inversion accuracy. Therefore， it can provide technical support for reasonable irrigation and efficient use of water resource in irrigation areas.

Key words Soil moisture； TM remote sensing data； Kautlr-Thomas Transformation； Canopy temperature

基金項(xiàng)目河南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（132300410031）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（13IRTSTHN030）。

作者簡(jiǎn)介孫喜梅（1963- ），女，河南鄲城人，工程師，從事水利信息技術(shù)研究。

收稿日期2014-11-25

我國是一個(gè)水資源短缺的國家，干旱災(zāi)害是我國主要的自然災(zāi)害之一。土壤含水量不僅是旱情監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，也是研究洪水預(yù)報(bào)和土地退化的重要因子。傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)測(cè)方法是基于測(cè)站的點(diǎn)測(cè)量方式，只能獲得測(cè)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，難以迅速而及時(shí)地得到大面積同步的土壤墑情信息，使得大范圍的旱情監(jiān)測(cè)和評(píng)估缺乏時(shí)效性和代表性。遙感作為一種現(xiàn)代對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于地球資源調(diào)查及全球環(huán)境變化監(jiān)測(cè)中。在遙感技術(shù)的發(fā)展中，對(duì)土壤含水量的遙感反演是定量遙感的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。我國土壤水分遙感監(jiān)測(cè)的研究大體從20 世紀(jì)80 年代中期開始，以農(nóng)田土壤水分交換及水分消耗、旱情監(jiān)測(cè)為重點(diǎn)。基于遙感技術(shù)對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)研究的方法，目前仍有許多問題沒有解決，比如土壤含水量的垂直分布問題，估算的精度問題等[2]。

1遙感數(shù)據(jù)的獲取

以河南省白沙灌區(qū)為研究對(duì)象，提出一種利用穗帽變換的計(jì)算濕度、熱紅外波段反演溫度相結(jié)合的反演土壤墑情方法。TM 數(shù)據(jù)的3個(gè)可見光、1個(gè)近紅外、2個(gè)短波紅外波段都對(duì)水分敏感[3]，而經(jīng)穗帽變換后可以得到和土壤含水量密切相關(guān)的第三分量——濕度分量。植被冠層的溫度變化在一定程度上反映了土壤墑情的信息，尤其是高植被覆蓋的灌區(qū)作物。TM 的熱紅外波段可用來反演冠層溫度。這樣濕度和溫度信息來源相同，減小了誤差，可以得到具有一定精度的土壤墑情監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2土壤墑情反演過程

2.1TM數(shù)據(jù)的穗帽變換

TM 的多個(gè)波段對(duì)水分具有一定的敏感性，而多光譜影像各波段之間具有一定的相關(guān)性，對(duì)TM影像進(jìn)行穗帽變換，提取研究需要的濕度分量進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)。穗帽變換后的TM影像中，第一分量反映了各波段輻射水準(zhǔn)的總和，認(rèn)為是亮度分量；第二分量在一般地區(qū)表征了植被覆蓋度的高低和植物活性的強(qiáng)弱，認(rèn)為是綠度分量；第三分量則認(rèn)為地表面濕度狀況的指標(biāo)，稱作濕度分量，地表濕度越高，此值越大。

該研究利用輻射校正和幾何校正后的TM影像進(jìn)行穗帽變換，獲取其濕度的信息進(jìn)行土壤墑情的分析和反演。穗帽變換的轉(zhuǎn)換系數(shù)是固定的，它獨(dú)立于單個(gè)圖像，不同圖像產(chǎn)生的亮度和綠度可以互相比較。當(dāng)植被成熟和逐漸凋落時(shí)，其在綠色度圖像特征減少，在濕度上的信息增強(qiáng)。

2.2植被冠層溫度

熱紅外遙感最重要的應(yīng)用之一是反演土地表面溫度（Land Surface Temperature，LST），對(duì)裸土來說土地表面溫度是土壤表面溫度，高植被覆蓋的土地表面溫度被認(rèn)為是植物冠層的表面溫度。當(dāng)前，釆用TM6數(shù)據(jù)反演地表溫度有3種方法：輻射傳導(dǎo)方程法、單窗算法和單通道算法。輻射傳導(dǎo)方程法需要衛(wèi)星過境時(shí)刻的實(shí)時(shí)大氣剖面數(shù)據(jù)，且計(jì)算過程復(fù)雜，在實(shí)際中較少應(yīng)用。單窗算法和單通道算法僅需基本的氣象資料就可實(shí)現(xiàn)地表溫度的反演，相比輻射傳導(dǎo)方程法，單窗算法和單通道算法所需參數(shù)資料少，計(jì)算過程容易實(shí)現(xiàn)。該研究選用了單通道算法。對(duì)于 LandsatTM6，其計(jì)算公式如下：

Ts=γ1φ11L+φ2ε+φ3+δ（1）

式中，Ts是土地表面溫度，高植被覆蓋下的灌區(qū)即為作物冠層溫度；ε是地表發(fā)射率，利用 NDVI 獲??；L是衛(wèi)星高度上遙感傳感器測(cè)得的輻射強(qiáng)度；γ、δ、φ是中間變量，可以通過計(jì)算得到。

2.3灌區(qū)土壤墑情反演

研究結(jié)果表明，作物在充分供水條件下冠層溫度-氣溫差變化較平緩；缺水時(shí)變化較大。冠層溫度-氣溫差能反映土壤水分變化狀況和作物水分虧缺程度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TM影像通過穗帽變換得到的第三分量在影像上的像元值與地表濕度呈正相關(guān)，像元值越大，相對(duì)應(yīng)的灌區(qū)含水量越高。該研究將濕度與溫度結(jié)合反演土壤墑情。在灌區(qū)農(nóng)田小氣候環(huán)境下，冠層溫度和地表濕度之間有高度的相關(guān)性，應(yīng)用這一特性，結(jié)合穗帽變換濕度分量和冠層溫度-氣溫差，得到公式（2）：

H=TCΔT （2）

式中，H表示農(nóng)田的相對(duì)濕潤(rùn)程度，此值越小，農(nóng)田越干旱，反之則越濕潤(rùn)；TC表示 TM 穗帽變換濕度分量；ΔT表示反演的植被冠層溫度與衛(wèi)星過境時(shí)氣溫的差值。

3土壤墑情反演結(jié)果及分析

3.1土壤墑情反演的結(jié)果

采用河南省白沙灌區(qū)2007年5月19日的TM數(shù)據(jù)，利用公式（2）得到的濕度大小關(guān)系的單波段影像見圖1。

圖1是一個(gè)土壤墑情大小相對(duì)關(guān)系，若要定量地獲取土壤墑情結(jié)果，還需要與相應(yīng)地面點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤含水量值進(jìn)行擬合。實(shí)驗(yàn)中，搜集到白沙灌區(qū)地面實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)18個(gè)，此處取 10個(gè)點(diǎn)用作數(shù)據(jù)擬合，另外8個(gè)點(diǎn)作為驗(yàn)證使用。利用擬合結(jié)果，對(duì)圖1土壤濕度影像圖進(jìn)行運(yùn)算，定量表示濕度的信息。根據(jù)土壤含水量等級(jí)，用不同的顏色表示不同的土壤含水量，生成土壤含水量等級(jí)分布結(jié)果，如圖2所示。

3.2結(jié)果分析

對(duì)白沙灌區(qū)2007年5月19日得到的土壤墑情進(jìn)行分析，分別計(jì)算其不同墑情等級(jí)所占面積及所占百分比，并把反演值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。計(jì)算得到的墑情統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

8個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與反演值的比較見表2。

從表2可看出，該方法反演土壤墑情結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分析顯示，平均誤差不超過16%，用于灌區(qū)土壤含水量監(jiān)測(cè)具有較高精度。

4結(jié)語

以河南省白沙灌區(qū)為例，研究基于多光譜數(shù)據(jù)各波段之間的相關(guān)性以及 TM 數(shù)據(jù)多個(gè)波段對(duì)水分的敏感特性，利用穗帽變換得到表示濕度的分量；同時(shí)，由于植被冠層缺水時(shí)溫度升高的特性，因此利用 TM 第 6 波段，采用單通道法對(duì)冠層溫度進(jìn)行計(jì)算，得到冠層溫度與氣溫之間的溫差，為濕度分量加入溫度信息，二者集成計(jì)算土壤含水量。反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，相關(guān)系數(shù)在 0.7 以上（n=10），相關(guān)性較好，該方法能較準(zhǔn)確地反演土壤墑情。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯盧瑤責(zé)任校對(duì)況玲玲