基于風云三系列衛(wèi)星B的湖南省土壤濕度數(shù)據(jù)的精度評價

羅 宇， 羅 曼， 范嘉智， 羅林艷， 段思汝

(1.中國氣象局 氣象干部培訓學院 湖南分院， 湖南 長沙 410125； 2.氣象防災減災湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410118； 3.湖南省氣象信息中心， 湖南 長沙 410118)

土壤水分是全球陸面生態(tài)系統(tǒng)能量和水循環(huán)的重要組成部分，在生態(tài)、農業(yè)、氣象及氣候等領域研究中居重要地位[1-3]。大面積土壤水分觀測可為各地農作物估產、干旱預測和農業(yè)災害監(jiān)測等提供科學依據(jù)[4]。常見的土壤水分觀測方法主要有田間實測、模型估算和衛(wèi)星遙感等[5]，其中田間實測最為準確，但因其只能定點觀測，所以其數(shù)據(jù)代表性較為有限，較難實現(xiàn)大范圍地區(qū)土壤濕度的監(jiān)測[6]。由于微波能較好穿透大氣中云層雨區(qū)，可全天候獲取地表輻射信息，因此自1978年第一套被動式微波遙感設備升空以來，利用微波遙感數(shù)據(jù)反演陸面表層土壤濕度信息展現(xiàn)出巨大的應用潛力[7-8]。已發(fā)射的被動式微波傳感器主要有中國風云三系列衛(wèi)星(FY3)搭載的微波成像儀(MWRI)、美國國防氣象衛(wèi)星計劃(DMSP)衛(wèi)星搭載的被動微波輻射計(SSM/I)、美國地球觀測系統(tǒng)(EOS)Aqua衛(wèi)星搭載的高性能微波掃描輻射計(AMSR-E)及日本水環(huán)境變動監(jiān)測任務衛(wèi)星(GCOM-W1)搭載的先進微波掃描輻射計(AMSR2)。

風云三系列衛(wèi)星B(FY-3B)于2010年發(fā)射升空，搭載有微波成像儀(MWRI)，可獲取地球表面10.65～89 GHz頻段內共5個極化通道亮溫數(shù)據(jù)，其中低頻10.65 GHZ通道具有較強的云雨穿透能力，且對地表介電特性較為敏感，可用以反演獲取土壤表層濕度[9]。由于衛(wèi)星和算法的差異，基于微波遙感數(shù)據(jù)反演的土壤濕度數(shù)據(jù)其準確性存在一定差異，故有必要對微波遙感土壤水分數(shù)據(jù)精度進行驗證研究，明確其在不同時空條件下的表現(xiàn)[10]。目前，針對微波遙感土壤濕度數(shù)據(jù)精度研究主要使用AMSE-E和AMSE2等國外輻射計數(shù)據(jù)[11-17]，對MWRI反演土壤濕度的研究相對較少，且研究范圍下墊面多為地表較為平坦、結構較為均一的裸土或草原等區(qū)域[6，18-21]。湖南作為我國產糧大省，易受干旱災害影響，其中湘中、湘南地區(qū)更是旱災頻發(fā)；且由于地形地貌復雜多樣，實現(xiàn)大范圍高精度的土壤濕度監(jiān)測仍存在一定難度。鑒于此，利用湖南省47個自動土壤水分觀測站10 cm土層土壤體積含水量數(shù)據(jù)對2018年FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)(VSM)精度進行驗證評價，以期為湖南省相關部門制定政策措施提供精準的數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省(24°38′～30°08′N，108°47′～114°15′E)全省面積21.18萬km2，省內南高北低三面環(huán)山，中部丘崗起伏，北部湖盆平原展開；為大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，光、熱及水資源豐富，但年內變化較大、垂直變化明顯[22]。

1.2 數(shù)據(jù)資源

1.2.1 FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù) 湖南省2018年1月1日至12月31的VSM，來源于國家氣象衛(wèi)星中心風云遙感數(shù)據(jù)服務網(http://satellite.nsmc.org.cn)。

1.2.2 自動土壤水分觀測數(shù)據(jù) 湖南省2018年1月1日0：00至12月31日23：00共60個自動土壤水分站10cm土層深度體積含水量小時數(shù)據(jù)，來源于全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)，為中國氣象局土壤水分觀測網測得的體積含水量小時數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)預處理 VSM為HDF格式，使用R語言對其進行解析，采用EASE-Grid投影轉換和裁剪，遙感數(shù)據(jù)級別為L2，獲取湖南省的升軌和降軌地表5 cm內的土壤體積含水量數(shù)據(jù)。VSM分辨率為25 km，以各觀測點為中心篩選12.5 km半徑內的土壤水分觀測站，獲得47個站點(圖1)?？紤]FY-3B過境湖南的時間(升軌過境湖南的地方時約為14：00和降軌過境湖南的地方時約為02：00)，分別將13：00～15：00和01：00～03：00自動土壤水分數(shù)據(jù)平均，與對應日期的升軌數(shù)據(jù)和降軌數(shù)據(jù)配對，共得到17841組對比數(shù)據(jù)，其中，升軌對比數(shù)據(jù)8893組，降軌對比數(shù)據(jù)8948組。遙感土壤濕度數(shù)據(jù)由FY-3B/MWRI雙極化亮溫數(shù)據(jù)基于多頻率多極化地表輻射參數(shù)化模型(Qp模型)反演得到，可有效消除地表植被和粗糙度影響[23]。

1.3.2 評價指標及方法 采用平均偏差(MD)、均方根誤差(RMSE)、無偏均方根誤差(ubRMSE)和平均相對誤差(MRE)4個指標評價湖南省FY-3B土壤濕度觀測的精度。針對47個站點的對比數(shù)據(jù)，分別計算其整體(BOTH)、升軌(ASC)和降軌(DES)時段的4個指標均值。將各站點對比數(shù)據(jù)的4個評價指標基于ArcGIS按經緯度進行空間插值，選用反距離加權法(IDW)生成0.25°分辨率FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度空間分布圖，以分析數(shù)據(jù)精度的空間分布特征；由于遙感反演土壤濕度數(shù)據(jù)受地表植被影響較明顯，而植被覆蓋又存在顯著的季節(jié)性特征，因此，計算湖南省對比站點4個指標的日均值，對FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度的時間分布特征進行分析。

式中，smsat為遙感反演土壤濕度(m3/m3)；smdnz為自動土壤水分站觀測數(shù)據(jù)(m3/m3)；MD(m3/m3)，遙感土壤濕度和自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)之間的系統(tǒng)偏差；RMSE(m3/m3)，遙感土壤濕度和自動土壤水分觀測數(shù)據(jù)之間差異的實際情況；ubRMSE(m3/m3)，去除RMSE后的隨機誤差部分；MRE，遙感土壤濕度的可信程度。MD、RMSE、ubRMSE和MRE越小，表明遙感土壤濕度數(shù)據(jù)的精度越高。

2 結果與分析

2.1 湖南省FY-3B遙感土壤濕度數(shù)據(jù)的精度及其空間分布特征

2.1.1 土壤濕度數(shù)據(jù)的精度 從表1和圖2看出，湖南省FY-3B遙感土壤濕度數(shù)據(jù)較自動土壤水分觀測偏干0.066 m3/m3，其中，升軌數(shù)據(jù)平均偏低0.078 m3/m3，降軌數(shù)據(jù)平均偏低0.048 m3/m3，但降軌數(shù)據(jù)的平均偏差波動更大。升軌數(shù)據(jù)的RMSE、ubRMSE和MRE均值分別為0.161 m3/m3、0.093 m3/m3和0.480，降軌數(shù)據(jù)的RMSE和ubRMSE均值與升軌數(shù)據(jù)基本一致，分別為0.166 m3/m3和0.092 m3/m3，但由于離群點較多，其MRE均值略偏高，為55.2%。表明，湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)升軌和降軌數(shù)據(jù)精度無明顯差異。

表1 2018年湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)的精度

2.1.2 土壤濕度數(shù)據(jù)精度的空間分布 由圖3看出，2018年湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)BOTH、ASC和DES的MD、RMSE、ubRMSE和MRE空間分布存在差異。 1) MD。湖南的南北部差異明顯，北部地區(qū)總體偏濕(近0.15 m3/m3)，南部地區(qū)總體偏干(近0.26 m3/m3)，且升軌和降軌數(shù)據(jù)基本一致。2) RMSE和MRE。湖南東部地區(qū)FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度總體高于西部地區(qū)，其中又以東北部地區(qū)精度最高，RMSE和MRE分別低于0.10 m3/m3和20%；升軌數(shù)據(jù)在北部地區(qū)、降軌數(shù)據(jù)在中部及南部地區(qū)的精度也相對較高，對應區(qū)域RMSE分別低于0.09 m3/m3和0.10 m3/m3，MRE分別低于20%和16%。3) ubRMSE。升軌和降軌數(shù)據(jù)ubRMSE空間分布基本一致，湖南西南部的ubRMSE相對較高，BOTH、ASC和DES時段分別為0.16 m3/m3、0.176 m3/m3和0.15 m3/m3。

2.2 遙感土壤濕度數(shù)據(jù)精度時間分布特征

從圖4和表2可知，湖南省FY-3B遙感土壤濕度數(shù)據(jù)升軌和降軌數(shù)據(jù)時間分布特征無明顯差異，4項評價指標均呈單峰分布。1) MD。全年總體為負值，其中，1—7月的MD呈先降后升趨勢，9月的MD相對較小，月平均僅為0.01 m3/m3。2)RMSE。3月RMSE達最大值，之后呈逐步下降趨勢，在7月降至全年最低值，之后呈逐步上升趨勢。3) ubRMSE。分布與RMSE分布大致相反，在7—8月達最大，為0.19 m3/m3，在2—3月降至全年最低，為0.06 m3/m3。4)MRE。在3月達最大，為67%，之后逐漸下降至5月的40%，然后略微上升，至10—11月再次降至全年最低，為38%。考慮植被指數(shù)的月變化特征[24]，ubRMSE峰值時間能較好地對應湖南省植被指數(shù)最大值時間。湖南省降水多集中在夏季，但受晴熱高溫等因素影響，季節(jié)性干旱頻發(fā)，土壤濕度常在夏秋季出現(xiàn)全年低值。因此，衛(wèi)星反演土壤濕度值較真實值的偏差也隨之降低，使得MD、RMSE和MRE在7—8月表現(xiàn)更優(yōu)；但由于淺層土壤濕度受降水影響較大，各評價指標在7—8月波動更為明顯。

表2 2018年湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度的月變化特征

3 結論與討論

對2018年FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)進行解析、投影轉換和裁剪，獲取湖南省的升軌和降軌地表5cm內的土壤體積含水量數(shù)據(jù)，并以觀測點為中心匹配臨近土壤水分觀測站形成對比數(shù)據(jù)后，利用平均偏差、均方根誤差、無偏均方根誤差和平均相對誤差對其精度評價結果表明：湖南省FY-3B遙感土壤濕度數(shù)據(jù)較自動土壤濕度觀測平均偏干0.066 m3/m3，RMSE、ubRMSE和MRE分別為0.164 m3/m3、0.099 m3/m3和50.9%，土壤濕度數(shù)據(jù)升軌和降軌數(shù)據(jù)精度大致相當，降軌數(shù)據(jù)MD和ubRMSE略優(yōu)于升軌數(shù)據(jù)，但指標波動較大；湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)平均偏差南北差異明顯，呈北部偏濕南部偏干的特征，數(shù)據(jù)精度東部地區(qū)總體高于西部地區(qū)，其中東北部地區(qū)精度最高，同時升軌數(shù)據(jù)在北部地區(qū)、降軌數(shù)據(jù)在中部及南部地區(qū)精度也相對較高；湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)評價指標時間分布特征均呈單峰，由于夏季降水、晴熱高溫、季節(jié)性干旱及植被覆蓋等因素影響，MD在7—9月偏差最小，RMSE在3月達到峰值后逐步降至7月的全年最低值，ubRMSE在7—8月達最高值，MRE最低值出現(xiàn)在5月，且各評價指標在7—8月波動最為明顯。

綜上看出，湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度并不理想，平均相對誤差達50%。造成該結果的原因：FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)空間分辨率為25 km，即每個像元覆蓋范圍約為500 km2，像元內降水等的不均一造成遙感土壤濕度數(shù)據(jù)巨大的空間差異；MWRI的10.65 GHZ通道雖有較強的云雨穿透能力，但受地表粗糙度和植被影響較大，可能產生較大的觀測誤差；反演VSM所用的Qp地面發(fā)射模型自身存在誤差，使得湖南省FY-3B土壤濕度數(shù)據(jù)精度較低。因此，在后續(xù)工作中需考慮地表植被、地形和土地利用等對VSM反演精度的影響，并嘗試利用機器學習等方法改進反演方法，提升數(shù)據(jù)精度。