毛烏素沙地去土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)
來源： http://m.youping.net 更新時間：2013-1-30 10:12:38 閱讀次
水資源是制約中國，特別是北方干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的因素之一，因此，開展土壤水分監(jiān)測不僅具有較高的理論研究價值，而且對當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐也有重要的指導意義。傳統(tǒng)土壤水分測量方法主要包括：稱重法、電阻法、中子水分探測法、時域反射儀方法（TDR）以及頻域反射儀法（FDR）等，但是由于采樣點有限加之土壤水分空間變異性大，單點觀測值很難代表大面積的狀況，同時人力、物力的花費也較大。
因此，傳統(tǒng)土壤水分測量方法難以滿足實時、大范圍土壤水分動態(tài)監(jiān)測的需要。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率、多波段、多時相和多角度的遙感信息能夠綜合反映下墊面的幾何結(jié)構(gòu)和水、熱狀況，真正實現(xiàn)“從點到面”的轉(zhuǎn)換，因而使土壤水分遙感監(jiān)測方法比傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)越性。
目前國內(nèi)外關(guān)于土壤水分監(jiān)測已有大量研究成果。根據(jù)遙感光譜波段，可分為可見光和近紅外遙感方法、熱紅外遙感方法與微波遙感方法。其中在可見光和近紅外遙感方法方面，陳維英等用 NOAA-AVHRR距平植被指數(shù)，對中國 1992 年特大干旱進行了監(jiān)測。莫偉華等應(yīng)用 1995－2000 年的 NOAA 衛(wèi)星遙感資料，以廣西貴港市為例，通過計算典型代表區(qū)植被供水指數(shù)的平均值、最大值和最小值，確定了農(nóng)田干旱指標。馮強等利用 1981－1994 年連續(xù) 504 旬的 NOAA-AVHRR8 km 分辨率的 NDVI 數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)時段全國 102 個農(nóng)氣觀測站（0～20 cm）的旬土壤水分資料，建立了植被狀態(tài)指數(shù)與土壤水分之間的統(tǒng)計模型，并應(yīng)用于全國逐旬土壤水分的監(jiān)測。詹志明等基于近紅外光-短波紅光特 征 空 間 ， 建 立 了 一 個 土 壤 水 分 遙 感 監(jiān) 測 模 型（SMMRS），并利用野外實測的表層 0～5 cm 土壤水分和 0～20 cm 平均土壤水分進行驗證，結(jié)果表明：基于近紅外光-短波紅光特征空間的土壤水分信息提取模型可以有效地對土壤水分進行監(jiān)測。在熱紅外遙感方法方面，余濤等利用遙感圖像獲取地表真實熱慣量，計算出土壤水分，并通過與地面觀測數(shù)據(jù)的比較證明了該方法有較高的計算精度。Moran提出了作物缺水指數(shù)法，結(jié)合地氣溫差（地表溫度與空氣溫度的差值）和植被指數(shù)對農(nóng)田的土壤水分進行估算。齊述華等基于作物缺水指數(shù)法，將 Terra 衛(wèi)星 MODIS 傳感器 8 d 合成的地表溫度產(chǎn)品和 16 d 合成的植被指數(shù)產(chǎn)品作為干旱評價指標，分析了中國 2000 年 4 月上旬和 5 月中旬的旱情，并用 120 個氣象觀測站收集的表層土壤水分評價了作物缺水指數(shù)作為干旱指標的可行性。王鵬新等提出了條件溫度植被指數(shù)的概念，對陜西省關(guān)中平原地區(qū)和美國大平原南部地區(qū)的干旱進行了監(jiān)測，結(jié)果表明：條件溫度植被指數(shù)可以較好地監(jiān)測研究區(qū)域的相對干旱程度，并用于干旱程度的空間變化特征研究。楊鶴松等以華北平原為研究區(qū)域，應(yīng)用 MODIS 多時段衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用條件溫度植被指數(shù)方法分析了研究區(qū)域 2003－2006 年每年 5 月上旬的旱情狀況，并利用降水量和表層土壤水分數(shù)據(jù)對干旱監(jiān)測結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明：條件溫度植被指數(shù)與表層土壤水分具有較好的線性關(guān)系。毛克彪等在采用 MODIS 的植被指數(shù) NDVI 對下墊面進行分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合 AMSR 數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程得到土壤介電常數(shù)，通過建立土壤介電常數(shù)與土壤水分的關(guān)系式，計算出土壤水分。Pascale利用地面散射計數(shù)據(jù)和 SAR 數(shù)據(jù)建立了表層土壤水分的反演模型，并利用裸土表面實測的土壤水分數(shù)據(jù)進行了驗證。
本文擬利用 NOAA-AVHRR 資料與常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，采用條件溫度植被指數(shù)法，以地處毛烏素沙地腹地的烏審旗為例，建立了基于條件溫度植被指數(shù)的 0～50 cm 土壤水分遙感估算模型，計算出 1982－1993 年烏審旗地區(qū)0～50 cm 土體各層土壤水分，并對烏審旗土壤水分狀況的時空分布特征進行分析，為今后該地區(qū)水資源的合理利用以及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學依據(jù)。
本文以毛烏素沙地腹地——內(nèi)蒙古烏審旗為例，利用 AVHRR 的植被指數(shù) NDVI、地表溫度 LST 以及常規(guī)氣象和土壤水分觀測數(shù)據(jù)，建立了基于條件溫度植被指數(shù)的 0～50 cm 土體土壤水分的遙感估算模型，并且計算出1982－1993 年期間 0～50 cm 的各層土壤水分。結(jié)果如下：
1）從 1982 年到 1993 年，烏審旗逐年土壤水分變化量Δw 在-118～82 mm 之間。除 1986、1987、1991 以及1993 年外，其余年份烏審旗各地的年土壤水分變化量Δw都為正。烏審旗多年平均土壤水分的變化量Δw 是負值，約為-3.47 mm。
2）在 1982－1993 年期間，烏審旗平均土壤水分變化量Δw 的年際變化不大，基本在±50 mm 之間變動。
平均土壤水分變化量Δw 的年內(nèi)波動也不大，基本在±10 mm 之間，且與降水量、植被生長及天氣狀況等有關(guān)。
3）根據(jù)烏審召土壤水分的實測值與模型估算值的比較，模型估算的平均絕對百分比誤差為 14.77%，均方差為 77.54 mm。表明：基于條件溫度植被指數(shù)的土壤水分遙感估算模型是可行的。
在計算土壤水分的時候，由于所用的土壤水分觀測數(shù)據(jù)僅有毛烏素沙地的 3 個農(nóng)業(yè)氣象觀測站，而且有些站點數(shù)據(jù)又不連續(xù)，給計算帶來了一定的誤差。另外，“干邊”與“濕邊”的確定方法也有待進一步改進。
因此，傳統(tǒng)土壤水分測量方法難以滿足實時、大范圍土壤水分動態(tài)監(jiān)測的需要。隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，高分辨率、多波段、多時相和多角度的遙感信息能夠綜合反映下墊面的幾何結(jié)構(gòu)和水、熱狀況，真正實現(xiàn)“從點到面”的轉(zhuǎn)換，因而使土壤水分遙感監(jiān)測方法比傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)越性。
目前國內(nèi)外關(guān)于土壤水分監(jiān)測已有大量研究成果。根據(jù)遙感光譜波段，可分為可見光和近紅外遙感方法、熱紅外遙感方法與微波遙感方法。其中在可見光和近紅外遙感方法方面，陳維英等用 NOAA-AVHRR距平植被指數(shù)，對中國 1992 年特大干旱進行了監(jiān)測。莫偉華等應(yīng)用 1995－2000 年的 NOAA 衛(wèi)星遙感資料，以廣西貴港市為例，通過計算典型代表區(qū)植被供水指數(shù)的平均值、最大值和最小值，確定了農(nóng)田干旱指標。馮強等利用 1981－1994 年連續(xù) 504 旬的 NOAA-AVHRR8 km 分辨率的 NDVI 數(shù)據(jù)，以及對應(yīng)時段全國 102 個農(nóng)氣觀測站（0～20 cm）的旬土壤水分資料，建立了植被狀態(tài)指數(shù)與土壤水分之間的統(tǒng)計模型，并應(yīng)用于全國逐旬土壤水分的監(jiān)測。詹志明等基于近紅外光-短波紅光特 征 空 間 ， 建 立 了 一 個 土 壤 水 分 遙 感 監(jiān) 測 模 型（SMMRS），并利用野外實測的表層 0～5 cm 土壤水分和 0～20 cm 平均土壤水分進行驗證，結(jié)果表明：基于近紅外光-短波紅光特征空間的土壤水分信息提取模型可以有效地對土壤水分進行監(jiān)測。在熱紅外遙感方法方面，余濤等利用遙感圖像獲取地表真實熱慣量，計算出土壤水分，并通過與地面觀測數(shù)據(jù)的比較證明了該方法有較高的計算精度。Moran提出了作物缺水指數(shù)法，結(jié)合地氣溫差（地表溫度與空氣溫度的差值）和植被指數(shù)對農(nóng)田的土壤水分進行估算。齊述華等基于作物缺水指數(shù)法，將 Terra 衛(wèi)星 MODIS 傳感器 8 d 合成的地表溫度產(chǎn)品和 16 d 合成的植被指數(shù)產(chǎn)品作為干旱評價指標，分析了中國 2000 年 4 月上旬和 5 月中旬的旱情，并用 120 個氣象觀測站收集的表層土壤水分評價了作物缺水指數(shù)作為干旱指標的可行性。王鵬新等提出了條件溫度植被指數(shù)的概念，對陜西省關(guān)中平原地區(qū)和美國大平原南部地區(qū)的干旱進行了監(jiān)測，結(jié)果表明：條件溫度植被指數(shù)可以較好地監(jiān)測研究區(qū)域的相對干旱程度，并用于干旱程度的空間變化特征研究。楊鶴松等以華北平原為研究區(qū)域，應(yīng)用 MODIS 多時段衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，利用條件溫度植被指數(shù)方法分析了研究區(qū)域 2003－2006 年每年 5 月上旬的旱情狀況，并利用降水量和表層土壤水分數(shù)據(jù)對干旱監(jiān)測結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明：條件溫度植被指數(shù)與表層土壤水分具有較好的線性關(guān)系。毛克彪等在采用 MODIS 的植被指數(shù) NDVI 對下墊面進行分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合 AMSR 數(shù)據(jù)，利用輻射傳輸方程得到土壤介電常數(shù)，通過建立土壤介電常數(shù)與土壤水分的關(guān)系式，計算出土壤水分。Pascale利用地面散射計數(shù)據(jù)和 SAR 數(shù)據(jù)建立了表層土壤水分的反演模型，并利用裸土表面實測的土壤水分數(shù)據(jù)進行了驗證。
本文擬利用 NOAA-AVHRR 資料與常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，采用條件溫度植被指數(shù)法，以地處毛烏素沙地腹地的烏審旗為例，建立了基于條件溫度植被指數(shù)的 0～50 cm 土壤水分遙感估算模型，計算出 1982－1993 年烏審旗地區(qū)0～50 cm 土體各層土壤水分，并對烏審旗土壤水分狀況的時空分布特征進行分析，為今后該地區(qū)水資源的合理利用以及相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學依據(jù)。
本文以毛烏素沙地腹地——內(nèi)蒙古烏審旗為例，利用 AVHRR 的植被指數(shù) NDVI、地表溫度 LST 以及常規(guī)氣象和土壤水分觀測數(shù)據(jù)，建立了基于條件溫度植被指數(shù)的 0～50 cm 土體土壤水分的遙感估算模型，并且計算出1982－1993 年期間 0～50 cm 的各層土壤水分。結(jié)果如下：
1）從 1982 年到 1993 年，烏審旗逐年土壤水分變化量Δw 在-118～82 mm 之間。除 1986、1987、1991 以及1993 年外，其余年份烏審旗各地的年土壤水分變化量Δw都為正。烏審旗多年平均土壤水分的變化量Δw 是負值，約為-3.47 mm。
2）在 1982－1993 年期間，烏審旗平均土壤水分變化量Δw 的年際變化不大，基本在±50 mm 之間變動。
平均土壤水分變化量Δw 的年內(nèi)波動也不大，基本在±10 mm 之間，且與降水量、植被生長及天氣狀況等有關(guān)。
3）根據(jù)烏審召土壤水分的實測值與模型估算值的比較，模型估算的平均絕對百分比誤差為 14.77%，均方差為 77.54 mm。表明：基于條件溫度植被指數(shù)的土壤水分遙感估算模型是可行的。
在計算土壤水分的時候，由于所用的土壤水分觀測數(shù)據(jù)僅有毛烏素沙地的 3 個農(nóng)業(yè)氣象觀測站，而且有些站點數(shù)據(jù)又不連續(xù)，給計算帶來了一定的誤差。另外，“干邊”與“濕邊”的確定方法也有待進一步改進。
搜索
產(chǎn)品目錄