遙感技術(shù)在露天礦土壤濕度反演中的應(yīng)用

王曉雪

[摘 要]我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致礦產(chǎn)資源需求迅猛增加，隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)強(qiáng)度的不斷增大，不可避免地會引發(fā)很多的環(huán)境問題，如：地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害、大氣污染等。土壤濕度是監(jiān)測礦區(qū)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，土壤濕度狀況也是生態(tài)環(huán)境健康狀態(tài)的一個敏感指示因子。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，可以將遙感技術(shù)應(yīng)用于礦山監(jiān)測中，可以利用遙感技術(shù)結(jié)合地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的分析功能有效地進(jìn)行實(shí)時(shí)、動態(tài)、大范圍的土壤濕度監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)的土壤濕度監(jiān)測方法的局限性，對礦區(qū)環(huán)境保護(hù)和重建具有十分重要的意義。

[關(guān)鍵詞]遙感技術(shù)；露天礦；土壤濕度；反演

[中圖分類號]S152.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

本文采用2002年5月18日、2006年5月29日、2010年6月25日和2014年6月4日共四期的Landsat遙感數(shù)據(jù)，對2000年至2014年間的遼寧省本溪市南芬露天鐵礦礦區(qū)的土壤濕度進(jìn)行遙感反演，由SMMI指數(shù)得出了研究區(qū)的土壤濕度時(shí)間、空間變化情況，并利用NDVI對土壤濕度反演結(jié)果加以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)為研究礦區(qū)土壤水分損失提供依據(jù)，同時(shí)，也給該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供了科學(xué)決策依據(jù)。

1 引言

將遙感技術(shù)應(yīng)用于地表環(huán)境變化的監(jiān)測可以取得良好的效果。國外利用遙感方法進(jìn)行土壤濕度探測的可行性始于60年代末。之后，遙感波段從可見光，近、中、遠(yuǎn)紅外，發(fā)展到微波遙感波段（熱紅外、L，C，X波段等）。探測方法和途徑也迅速發(fā)展到了作物表面溫度、土壤含水量、地區(qū)蒸發(fā)估計(jì)等。近年來，從多維光譜特征空間提取土壤濕度信息得到了廣泛的關(guān)注，一些基于光譜特征空間的土壤濕度反演算法已經(jīng)被提出。陳志明根據(jù)二維空間分布和變化紅 - 近紅外光譜中植被 - 土壤二元組成的規(guī)律提出垂直干旱指數(shù)（PDI），在順義和寧夏農(nóng)田土壤濕度監(jiān)測中效果良好。繼PDI后，修改垂直干旱指數(shù)（MPDI）、短波紅外SM指數(shù)（SIMI）和土壤水分監(jiān)測指數(shù)（SMMI）陸續(xù)被提出。學(xué)者基本上在固定背景土壤線上基于RS光譜特征空間建立了SM監(jiān)測方法，但土壤背景隨土壤類型、有機(jī)質(zhì)、礦物質(zhì)導(dǎo)致監(jiān)測精度的不確定性。SMMI不隨土壤線而變化，在露天礦中土壤濕度監(jiān)測中具有很強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

2 原理

根據(jù)由TM波段3（Red）、波段4（Nir）、波段5（SWIR）和波段7（SWIR）的反射率數(shù)據(jù)建立的二維光譜特征空間散點(diǎn)圖，構(gòu)建土壤濕度監(jiān)測模型（圖1）。從圖2可知，由B點(diǎn)濕潤裸土到A點(diǎn)半濕潤全植被覆蓋，再到C點(diǎn)干燥裸土，土壤濕度趨于逐漸減少?？梢詰{借二維特征空間中的任意一點(diǎn)E到坐標(biāo)原點(diǎn)O的距離來說明土壤濕度的變化狀況，即當(dāng)點(diǎn)E位于B點(diǎn)時(shí)，∣OE∣最小，土壤濕度最高；當(dāng)點(diǎn)E位于C點(diǎn)時(shí)，∣OE∣最大，土壤濕度最低。對于黑體，∣OE∣為零，正好落在坐標(biāo)原點(diǎn)，除此外具有一定反射能力的任何物體越濕潤點(diǎn)E越接近原點(diǎn)。一般來說，水體或較濕潤區(qū)域的空間最接近O點(diǎn)，較干旱的區(qū)域或水分較低的植被覆蓋區(qū)的空間都遠(yuǎn)離O點(diǎn).因此，∣OE∣距離的變化在一定程度上反映了土壤濕度的變化。∣OE∣可以表達(dá)為：

式中ri，rj分別為TM第i波段和第j波段地表反射率，如在Nir-Red空間中，i=4，j=3。為使∣OE∣介于0—1之間，選擇∣OE∣/∣OD∣的值作為土壤濕度表征指數(shù)，由于∣OD∣一為固定值，這樣構(gòu)建的TM土壤濕度監(jiān)測指數(shù)為：

隨著SMMI指數(shù)的增加，土壤濕度呈明顯下降趨勢。

3 實(shí)驗(yàn)

南芬鐵礦是鞍-本地區(qū)典型的BIF鐵礦，是目前中國乃至亞洲最大的黑色冶金露采礦山，也是本溪鋼鐵集團(tuán)鐵礦石主要生產(chǎn)基地之一，位于遼寧省本溪市南芬區(qū)東南方向25km處，北距沈陽市108km，南距丹東市150km。地理坐標(biāo)：東經(jīng)： 123°47′42.6″一123°49′30.8″，北緯： 41°04′41.0″～41°06′36.1″，礦區(qū)南北長5.5km，東西寬0.4～1km，面積為4.6km2。以2002年5月18日，2006年5月29日，2010年6月25日和2014年6月4日四場景Landsat圖像作為數(shù)據(jù)源，軌道號為：119/31，圖像的空間分辨率為30 m。預(yù)處理包括：輻射校正，大氣校正，坐標(biāo)變換，圖像裁剪和格式轉(zhuǎn)換。經(jīng)過預(yù)處理，建模和計(jì)算SMMI和NDD在ERDAS。在ARCGIS中顯示結(jié)果。 以2002年的情況反映了較早的時(shí)期，2014年露天礦的土壤濕度反演狀況來反映近期露天礦的土壤水分，其他年份的可用于協(xié)助分析。流程圖如圖2所示。

4 結(jié)果與分析

本文利用TM影像波段4和波段7反射率數(shù)據(jù)構(gòu)建二維光譜特征空間，采用前人在0—5cm深度土壤濕度方面，基于SWIR-Nir特征空間構(gòu)建的SMMI（7，4）來監(jiān)測遼寧省本溪市南芬露天鐵礦礦區(qū)2002年至2014年的土壤濕度時(shí)空變化狀況，并提取該區(qū)域的NDVI指數(shù)加以驗(yàn)證。

4.1 反演結(jié)果

利用TM遙感影像的SWIR-Nir特征空間構(gòu)建的SMMI（7，4）作為評價(jià)指標(biāo)，以本文以2002年5月18日、2006年5月29日、2010年6月25日和2014年6月4日共四期的Landsat遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，監(jiān)測遼寧省本溪市南芬露天鐵礦的土壤濕度時(shí)空變化狀況。

以2002年5月18日的TM影像來反映相對較早期的情況，以2014年6月4日的OLI遙感影像反映近期礦區(qū)植被、土壤濕度等方面的變化，2006年5月29日、2010年6月25日的landsat-5 TM遙感影像可用來進(jìn)行輔助分析礦區(qū)環(huán)境的變化。

2002年5月18日南芬礦區(qū)經(jīng)賦值后的SMMI平均值為2.606656，2006年5月29日平均值為2.697908，2010年6月25日平均值為2.912298，2014年6月4日平均值為3.028342?？芍搮^(qū)SMMI總體呈增大趨勢，但SMMI與土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因而礦區(qū)的表層土壤濕度是減小的。

4.2 結(jié)果驗(yàn)證

2002年5月18日南芬礦區(qū)NDVI平均值為4.599884，2006年5月29日平均值為4.570920，2010年6月25日平均值為4.777734，2014年6月4日平均值為4.616007。相對于2002年的NDVI分布情況，2006年植被指數(shù)偏小，長勢較差；2010年的NDVI明顯變大，植被長勢較好，2014年的NDVI略微變大。研究區(qū)域整體的NDVI值總體基本不變，但就礦區(qū)周圍的NDVI分布情況可知，該礦區(qū)2001年到2014年間的NDVI呈降低趨勢，2002年較2014年礦區(qū)周圍藍(lán)色變深，即NDVI值變小。而土壤濕度與植被指數(shù)基本呈正相關(guān)，植被指數(shù)高的地方，土壤濕度一般相對較高，因而礦區(qū)周圍表層土壤濕度是降低的。

5 結(jié)論

基于SWIR-Nir特征空間的SMMI對南芬露天鐵礦2002 - 2014年的土壤水分進(jìn)行基于時(shí)間和空間變化監(jiān)測。并以NDVI結(jié)果驗(yàn)證了該指數(shù)的反演結(jié)果。 根據(jù)SMMI在南芬露天得到SM的空間分布，直接反映出來土壤濕度的變化情況為：南芬露天鐵礦，從2002年到2014年的土壤濕度呈下降趨勢； 在未來的工作中，應(yīng)該有多傳感器，多時(shí)間遙感的SM動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。RS結(jié)合GIS將取得更好的效果。結(jié)論如下：

（1）利用landsat5和landsat8遙感圖像能夠達(dá)到研究區(qū)礦山土壤濕度監(jiān)測的目的，并能得到滿意的效果；

（2）構(gòu)建的不依賴于土壤背景線的土壤濕度監(jiān)測指數(shù)（SMMI）能反映地表土壤濕度狀況；

（3）根據(jù)反演模型和landsat遙感影像對研究區(qū)土壤濕度進(jìn)行反演，獲得研究區(qū)土壤濕度空間分布圖，該圖直觀地反映了土壤濕度的空間分布狀況；

（4）南芬礦區(qū)周圍2002年至2014年間的NDVI指數(shù)呈降低趨勢；

（5）南芬礦區(qū)2002年至2014年的土壤濕度呈減小趨勢；

（6）利用RS結(jié)合GIS可以對礦山土壤濕度監(jiān)測，并達(dá)到滿意的效果，利于礦山環(huán)境的改善。

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