土壤水分遠程監測系統的凈度研究
來源： http://m.youping.net 更新時間：2013-3-26 10:08:45 閱讀次
土壤水分遙感監測的精度檢驗有一定的難度。我們建立了兩個土壤水分遙感監測模型：一個是NOAA/AVHRR數據模型，另一個是Landsat/TM數據模型。前者星下點地面分辨率為1.Ikm,定位誤差就有1~2個象元，即使象元找對了，也很難定出該象元點的確切范圍。因為象元點很大，包括很多田塊，至少有幾種覆蓋類型，必須采集足夠多的土壤水分樣本才能代表一個象元的值。采集眾多的樣本又很難做到衛星過頂當天完成，因此，很難。用實時檢驗法準確檢查NOAA/AVHRR模型精度。對于后一種模型，因為衛星重復周期為16夭，對于土壤水分的實時監測實用性較差。雖然地面分辨率較高（30m），但定位仍有一定難度。從分級彩色圖來看，象元區集群成面，因此從分級圖上很難做到天地點點對應檢驗。
就現有保存的NOAA/AVHRR數據和已采集的地面土壤水分樣本年代多不一致，這也增加了檢驗精度的難度。
綜上所述，我們這里只有根據現有資料和知識，分別情況，對土壤水分遙感監測的精度和可信度進行分析。
1 Landsat/TM數據模型的精度檢驗
我們購買1993年7月29日的Landsat/TM數據，并將數據輸入土壤水分監測系統（按TM模型），經過運行輸出阜康農區土壤水分分級圖。o~10cm深分級標準為<5%,5一10%,10一15%,15一20%,20~25%,>25%,共6級。經成數估測，農區土壤含水量5一10%的占5.5成；10一15%的占2.5成；15~20%的占1.5成；20~25%的占0.5成。平均含水量約為11·00%。
1993年7月25~29日我們在阜康農區進行了采樣分析，采集潮土、灌耕灰漠土、灌淤土、灌耕土、水稻土共98個樣本。土壤樣本含水量都按日蒸發模型校正為該年7月29日的數據。98個樣本的土壤含水量平均值為9.20%。
土壤水分遙感監測阜康農區平均含水量（n.00%）與該區實測土壤平均含水量（9.2%）的絕對差值為1.80%,相對差值為19.56%。TM模型監測土壤水分的精度達到80.44%。
2 NOAA/AVHRR數據模型的精度檢驗
我們用1994年4月23日、6月23日、7月23日和8月12日NOAA/AVHRR數據輸入土壤水分遙感監測系統（按AVHRR模型），經過運行輸出昌吉州土壤水分分級圖。
但是相近的可以參考類比的地面觀測資料只有1992年6、7月阜康農區的土壤水分樣本數據，1993年6、7、8月的草地樣本數據。年代不一致，嚴格說來不可對比，但是我們考慮到相同季節和物候期，相近年代種植結構不會有多大變化，只要不是受突然降雨影響，農區墑情應該相近，天然草地土壤濕度也應相近，所以有參考類比價值。
2.1 1994年6月23日農區遙感監測精度檢驗
1992年6月23一25日，我們在阜康農區采集88個土壤水分樣本。將它們都校正到6月23日的土壤水分含量。88個樣本的平均含水量為8.77%。
1994年6月23日遙感監測的相應樣區的土壤含水量為7.5%,與1992年6月23日實測數據相差1.27%,相對差值為14.98%,NOAA/AvHRR數據模型監測土壤水分的參考精度為85.52%。
2.2 1994年7月23日農區遙感監精度檢驗
1992年7月26一29日，我們在阜康農區采集86個土壤水分樣本。將它們都按日蒸發模型校正到7月23日的土壤水分含量。86個樣本的平均含水量為13.51%。
1994年7月23日遙感監測的相應樣區的平均土壤含水量為12.5%,與1992年7月23日實測數據相差1.01%,相對差值為7.48%,NOAA/AVHRR數據模型估測土壤水分參考精度達到92.52%。
2.3 1994年6月23B草地土壤水分遙感監測精度
這里和新疆草原所于1993年6月份在阜康地區觀測的資料相對比，因樣本少（兩個平均），年代不同，只能作參考。
用插入法將地面觀測數據都校正到6月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.55%、4.2%、7.3%。
1994年6月23日遙感監測阜康地區草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.50%、3.5%、9.5%,與1993年6月23日實測數據分別相差0.05%、0.7%、2.2%,相對偏差分別為0.4%、20.0%、23·16%,監測這幾種草地類型土壤水分的精度分別為99.6%、50.0%、76.54%。
2.4 1994年7月23日草地土壤水分遙感監測精度
用新疆草原所1993年7月份的地面觀測資料進行對比。同樣用插入法將觀測數據都校正到7月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.67%、7.55%、8.8%。
1994年7月23日遙感監測阜康地區草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.38%、8.5%、11.0%,與1993年7月23日的實測數據分別相差0.29%、……95%、2.2%,相對偏差分別為2.3%、12·6%、25·O%,監測這幾種草地土壤水分的精度分別為97.7%、87.4%、75.0%。
2.5 1994年8月12日草地土壤水分遙感監測精度
用新疆草原所19,3年8月份的地面觀測資料進行對比。同樣用插入法將觀測數據都校正到8月12日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水吸分別為19.5%、10.2%、17.8%。
1994年8月12日遙感監測阜康地區草甸草原、荒漠草原、低地草甸的土壤含水量分別為17.5%、9.5%、17.5%,與1993年8月12日實測數據分別相差2.0%、0.7%、0.3%,相對偏差分別為10.3%、6.9%、1.9%.監測這幾種類型草地的精度分別為89.7%、93.1%、98.1%。
3 遙感監測土壤水分和土壤水分的垂直分布規律相吻合
受地形、降水、氣溫、植被類型、土壤類型的影響，土壤水分含量具有較好的垂直地帶性分布規律。在山區，一般冰雪帶以下，上壤水分含量逐漸減少，到潛水溢出帶，上壤水分有所增高。
1994年4、6、7、8月遙感監測的昌吉州土壤水分分級圖都和上述規律相吻合。以1994年7月23日的土壤水分分級圖為例，南部天山山區，海拔2500m以上高山帶土壤含水量在20一25%,森林帶、草甸帶土壤含水量在15一20%,草原帶土壤含水量為10一15%,平原荒漠土壤含水量為5一10%,低地草甸土壤含水量為10一15叼東北部北塔山地區也有類似的土壤水分垂直分布規律。
4 討論
4.1 從上述遙感監測土壤水分數據和實測數據或不同年代相同物候期實測數據對比分析來看，遙感監測土壤水分的精度一般都超過80%,有的超過了90%。遙感監測土壤水分分級圖與土壤水分垂直分布規律相吻合。
因此，土壤水分遙感監測模型與服務系統已達到合同要求，具有重要的實用價值。
4.2 遙感監測土壤水分分級圖分級間隔為5%。遙感數據和實測土壤水分含量進行對比時，取其算術平均值。例如遙感土壤水分含量為10~15%級，其算術平均值為12.5%。嚴格講，應該取加權平均值，但從圖上無法識別出“權”。取算術平均值和實測數據對比，可能會引起精度偏差。
4.3 拿遙感監測土壤水分數據和不同年代相同物候期實測土壤水分數據相比也會引起精度偏差。盡管物候期相同，氣溫、降水、蒸發等因子變化不會太大，但總還有偶然性。例如曾發現1993年8月15日草甸草原、低地草甸實測土壤含水量0一10cm高于10一20cm1倍，說明是由降雨引起的。用這樣的數據作標準檢驗不同年代遙感數據必然引起精度偏差。
4.4 NoAA/AvHRR象元覆蓋面大，同級土壤水分斑塊范圍一般也很大，如果實測土壤水分樣本太少，也會引起遙感監測土壤水分精度偏差。
4.5 土壤水分含量用重量百分比表示。農區土壤水分含量多在5一15%范圍，荒漠草地土壤含水量多在10%以下，基數較低，所以相對偏差易出現高數值，這也是精度不易提高的一個原因。
就現有保存的NOAA/AVHRR數據和已采集的地面土壤水分樣本年代多不一致，這也增加了檢驗精度的難度。
綜上所述，我們這里只有根據現有資料和知識，分別情況，對土壤水分遙感監測的精度和可信度進行分析。
1 Landsat/TM數據模型的精度檢驗
我們購買1993年7月29日的Landsat/TM數據，并將數據輸入土壤水分監測系統（按TM模型），經過運行輸出阜康農區土壤水分分級圖。o~10cm深分級標準為<5%,5一10%,10一15%,15一20%,20~25%,>25%,共6級。經成數估測，農區土壤含水量5一10%的占5.5成；10一15%的占2.5成；15~20%的占1.5成；20~25%的占0.5成。平均含水量約為11·00%。
1993年7月25~29日我們在阜康農區進行了采樣分析，采集潮土、灌耕灰漠土、灌淤土、灌耕土、水稻土共98個樣本。土壤樣本含水量都按日蒸發模型校正為該年7月29日的數據。98個樣本的土壤含水量平均值為9.20%。
土壤水分遙感監測阜康農區平均含水量（n.00%）與該區實測土壤平均含水量（9.2%）的絕對差值為1.80%,相對差值為19.56%。TM模型監測土壤水分的精度達到80.44%。
2 NOAA/AVHRR數據模型的精度檢驗
我們用1994年4月23日、6月23日、7月23日和8月12日NOAA/AVHRR數據輸入土壤水分遙感監測系統（按AVHRR模型），經過運行輸出昌吉州土壤水分分級圖。
但是相近的可以參考類比的地面觀測資料只有1992年6、7月阜康農區的土壤水分樣本數據，1993年6、7、8月的草地樣本數據。年代不一致，嚴格說來不可對比，但是我們考慮到相同季節和物候期，相近年代種植結構不會有多大變化，只要不是受突然降雨影響，農區墑情應該相近，天然草地土壤濕度也應相近，所以有參考類比價值。
2.1 1994年6月23日農區遙感監測精度檢驗
1992年6月23一25日，我們在阜康農區采集88個土壤水分樣本。將它們都校正到6月23日的土壤水分含量。88個樣本的平均含水量為8.77%。
1994年6月23日遙感監測的相應樣區的土壤含水量為7.5%,與1992年6月23日實測數據相差1.27%,相對差值為14.98%,NOAA/AvHRR數據模型監測土壤水分的參考精度為85.52%。
2.2 1994年7月23日農區遙感監精度檢驗
1992年7月26一29日，我們在阜康農區采集86個土壤水分樣本。將它們都按日蒸發模型校正到7月23日的土壤水分含量。86個樣本的平均含水量為13.51%。
1994年7月23日遙感監測的相應樣區的平均土壤含水量為12.5%,與1992年7月23日實測數據相差1.01%,相對差值為7.48%,NOAA/AVHRR數據模型估測土壤水分參考精度達到92.52%。
2.3 1994年6月23B草地土壤水分遙感監測精度
這里和新疆草原所于1993年6月份在阜康地區觀測的資料相對比，因樣本少（兩個平均），年代不同，只能作參考。
用插入法將地面觀測數據都校正到6月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.55%、4.2%、7.3%。
1994年6月23日遙感監測阜康地區草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.50%、3.5%、9.5%,與1993年6月23日實測數據分別相差0.05%、0.7%、2.2%,相對偏差分別為0.4%、20.0%、23·16%,監測這幾種草地類型土壤水分的精度分別為99.6%、50.0%、76.54%。
2.4 1994年7月23日草地土壤水分遙感監測精度
用新疆草原所1993年7月份的地面觀測資料進行對比。同樣用插入法將觀測數據都校正到7月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.67%、7.55%、8.8%。
1994年7月23日遙感監測阜康地區草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分別為12.38%、8.5%、11.0%,與1993年7月23日的實測數據分別相差0.29%、……95%、2.2%,相對偏差分別為2.3%、12·6%、25·O%,監測這幾種草地土壤水分的精度分別為97.7%、87.4%、75.0%。
2.5 1994年8月12日草地土壤水分遙感監測精度
用新疆草原所19,3年8月份的地面觀測資料進行對比。同樣用插入法將觀測數據都校正到8月12日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水吸分別為19.5%、10.2%、17.8%。
1994年8月12日遙感監測阜康地區草甸草原、荒漠草原、低地草甸的土壤含水量分別為17.5%、9.5%、17.5%,與1993年8月12日實測數據分別相差2.0%、0.7%、0.3%,相對偏差分別為10.3%、6.9%、1.9%.監測這幾種類型草地的精度分別為89.7%、93.1%、98.1%。
3 遙感監測土壤水分和土壤水分的垂直分布規律相吻合
受地形、降水、氣溫、植被類型、土壤類型的影響，土壤水分含量具有較好的垂直地帶性分布規律。在山區，一般冰雪帶以下，上壤水分含量逐漸減少，到潛水溢出帶，上壤水分有所增高。
1994年4、6、7、8月遙感監測的昌吉州土壤水分分級圖都和上述規律相吻合。以1994年7月23日的土壤水分分級圖為例，南部天山山區，海拔2500m以上高山帶土壤含水量在20一25%,森林帶、草甸帶土壤含水量在15一20%,草原帶土壤含水量為10一15%,平原荒漠土壤含水量為5一10%,低地草甸土壤含水量為10一15叼東北部北塔山地區也有類似的土壤水分垂直分布規律。
4 討論
4.1 從上述遙感監測土壤水分數據和實測數據或不同年代相同物候期實測數據對比分析來看，遙感監測土壤水分的精度一般都超過80%,有的超過了90%。遙感監測土壤水分分級圖與土壤水分垂直分布規律相吻合。
因此，土壤水分遙感監測模型與服務系統已達到合同要求，具有重要的實用價值。
4.2 遙感監測土壤水分分級圖分級間隔為5%。遙感數據和實測土壤水分含量進行對比時，取其算術平均值。例如遙感土壤水分含量為10~15%級，其算術平均值為12.5%。嚴格講，應該取加權平均值，但從圖上無法識別出“權”。取算術平均值和實測數據對比，可能會引起精度偏差。
4.3 拿遙感監測土壤水分數據和不同年代相同物候期實測土壤水分數據相比也會引起精度偏差。盡管物候期相同，氣溫、降水、蒸發等因子變化不會太大，但總還有偶然性。例如曾發現1993年8月15日草甸草原、低地草甸實測土壤含水量0一10cm高于10一20cm1倍，說明是由降雨引起的。用這樣的數據作標準檢驗不同年代遙感數據必然引起精度偏差。
4.4 NoAA/AvHRR象元覆蓋面大，同級土壤水分斑塊范圍一般也很大，如果實測土壤水分樣本太少，也會引起遙感監測土壤水分精度偏差。
4.5 土壤水分含量用重量百分比表示。農區土壤水分含量多在5一15%范圍，荒漠草地土壤含水量多在10%以下，基數較低，所以相對偏差易出現高數值，這也是精度不易提高的一個原因。
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