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多源遥感数据反演土壤水分方法

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遥感 数据 反演 土壤 水分 方法
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多 源 遥 感 数 据 反 演 土 壤 水 分 方 法张 友 静 1 , 王 军 战 2 , 鲍 艳 松 3(11河 海 大 学 水 文 水 资 源 与 水 利 工 程 科 学 国 家 重 点 实 验 室 , 江 苏 南 京   210098; 21中 国 科 学 院 寒 区 旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所 ,甘 肃 兰 州   730000; 31南 京 信 息 工 程 大 学 大 气 物 理 学 院 , 江 苏 南 京   210044)摘 要 : 基 于 数 据 和 光 学 影 像 数 据 , 根 据 水 云 模 型 研 究 了 小 麦 覆 盖 下 地 表 土 壤 含 水 量 的 反 演 方 法 。 利用 构 建 的 植 被 生 物 、 物 理 参 数 与 实 测 小 麦 含 水 量 进 行 回 归 分 析 , 发 现 提 取 的 归 一 化 水 分指 数 ()反 演 精 度 较 好 , 相 关 系 数 达 到 0187。 根 据 这 一 关 系 , 结 合 水 云 模 型 并 联 立 裸 露 地 表 土 壤 湿 度 反 演 模型 , 建 立 了 基 于 多 源 遥 感 数 据 的 土 壤 含 水 量 反 演 模 型 和 参 数 统 一 求 解 方 案 。 反 演 结 果 表 明 : 该 方 案 可 得 到 理 想 的 土壤 水 分 反 演 精 度 , 并 可 控 制 参 数 估 计 的 误 差 。 反 演 土 壤 含 水 量 和 准 同 步 实 测 数 据 的 相 关 系 数 为 019, 均 方 根 误 差 为3183%。 在 此 基 础 上 , 分 析 了 模 型 参 数 的 敏 感 性 , 并 制 作 了 研 究 区 土 壤 缺 水 量 分 布 图 。关 键 词 : 土 壤 含 水 量 ; 多 源 遥 感 数 据 ; 水 云 模 型 ; 多 尺 度中 图 分 类 号 :     文 献 标 志 码 : A      文 章 编 号 : 100126791 (2010) 0220222207收 稿 日 期 : 2009203209基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (40701130; 40830639)作 者 简 介 : 张 友 静 (1955 - ) , 男 , 江 苏 南 京 人 , 教 授 , 主 要 从 事 遥 感 机 理 与 方 法 研 究 。 含 水 量 是 地 表 和 大 气 界 面 的 重 要 状 态 参 数 , 并 直 接 影 响 地 表 的 热 量 和 水 量 平 衡 , 因 而 受 到 水 文 、 气象 和 农 业 灌 溉 等 多 个 学 科 的 关 注 。 微 波 土 壤 水 分 遥 感 研 究 始 于 20世 纪 80年 代 , 其 中 最 具 代 表 性 的 是 U 试 验 数 据 得 出 土 壤 后 向 散 射 系 数 的 主 导 因 素 为 粗 糙 度 和 含 水 量 [ 1 ]。 80年 代 后 , 车载 、 高 塔 、 航 空 平 台 的 微 波 数 据 研 究 了 土 壤 湿 度 反 演 的 最 佳 工 作 模 式 , 并 一 致 认 为 小 角 度 入 射 后 向 散 射 系 数对 土 壤 湿 度 最 敏 感 [ 2 ]。 随 着 微 波 散 射 模 型 不 断 发 展 , 相 继 出 现 微 波 散 射 的 小 扰 动 模 型 、 几 何 光 学 模 型 、 物理 光 学 模 型 、 两 尺 度 模 型 和 积 分 方 程 模 型 A 物 理 模 型 和 试 验 研 究 的 基 础 上 各 自 建 立 了 经验 和 半 经 验 模 型 , 成 功 地 反 演 了 裸 土 的 土 壤 含 水 量 [ 324 ]。 2000年 以 来 , 随 着 器 发 射 , 基 于 卫 星 雷 达 数 据 的 土 壤 湿 度 反 演 逐 步 开 展 。 李 震 等 综 合 主 动 和 被 动 微 波 数 据 , 建 立 一 种 半 经 验 模型 , 用 于 估 算 地 表 土 壤 水 分 的 变 化 [ 526 ]。 研 究 表 明 在 半 干 旱 区 农 田 土 壤 湿 度 反 演 方 面 具 有 独 特 的优 势 [ 729 ]。在 植 被 覆 盖 条 件 下 , 微 波 信 号 的 组 成 十 分 复 杂 。 研 究 提 取 植 被 覆 盖 下 的 土 壤 湿 度 信 息 的 重 点 在 于 如 何 有效 的 分 离 出 植 被 对 微 波 的 散 射 信 号 , 以 便 用 土 壤 的 后 向 散 射 信 号 估 算 植 被 覆 盖 下 的 土 壤 含 水 量 。 直 接 用 多 频同 步 微 波 遥 感 数 据 通 过 理 论 模 型 或 数 值 模 拟 求 解 植 被 对 微 波 的 散 射 信 号 [ 9 ] , 具 有 很 好 的 同 步 性 和 物 理 意 义 。但 遥 感 数 据 获 取 较 为 困 难 , 同 时 求 解 所 需 的 地 面 同 步 观 测 的 数 据 要 求 很 高 , 因 而 区 域 尺 度 的 监 测 应 用 还 有 待深 入 研 究 。 根 据 植 被 的 生 物 、 物 理 特 征 与 植 被 散 射 信 号 之 间 的 关 系 , 采 用 同 步 光 学 遥 感 数 据 反 演 植 被 散 射 信号 是 近 年 来 的 研 究 热 点 [ 9211 ]。 但 在 植 被 特 征 参 数 表 达 农 作 物 后 向 散 射 信 号 的 能 力 评 价 、 模 型 参 数 的 识 别 以 及整 体 求 解 方 案 等 方 面 的 研 究 较 少 。 此 外 , 为 满 足 土 壤 水 分 监 测 和 灌 溉 决 策 的 需 求 , 还 需 研 究 不 同 时 空 分 辨 率数 据 反 演 植 被 散 射 信 号 的 能 力 。 本 文 根 据 水 云 模 型 , 研 究 多 尺 度 下 不 同 植 被 特 征 参 数 与 小 麦 含 水 量 的 关 系 ,采 用 将 所 有 参 数 放 入 统 一 框 架 下 估 算 的 策 略 , 构 建 了 结 合 光 学 和 微 波 遥 感 数 据 的 土 壤 水 分 估 算 模 型 , 并 分 析了 模 型 参 数 的 敏 感 性 。 经 准 同 步 实 测 数 据 检 验 , 小 麦 覆 盖 下 土 壤 水 分 的 估 算 达 到 了 较 高 的 精 度 。第 21卷 第 2期2010年 3月    水 科 学 进 展N C , 2010 1  土 壤 水 分 估 算 模 型111  水 云 模 型农 作 物 微 波 后 向 散 射 模 型 一 般 可 分 为 经 验 模 型 、 理 论 模 型 和 半 经 验 模 型 3类 。 在 半 经 验 模 型 中 , 最 具 有影 响 力 和 应 用 最 广 泛 的 是 A 的 水 云 ( 型 [ 12 ]。 该 模 型 将 辐 射 传 输 模 型 中 的 植被 冠 层 概 化 成 水 平 均 匀 的 云 层 ; 不 考 虑 植 被 和 土 壤 表 层 之 间 的 多 次 散 射 ; 重 要 的 变 量 仅 为 冠 层 高 度 和 云 密度 , 因 而 可 假 设 与 冠 层 体 积 含 水 量 成 比 例 。 因 此 , 总 的 后 向 散 射 包 括 冠 层 自 身 散 射 、 地 表 散 射 和 冠 层 与 地 表的 交 互 散 射 。 在 不 考 虑 雷 达 阴 影 时 , 水 云 模 型 可 由 下 式 表 达 :σ 0 =σ 0 σ 0 AM v 1 - , - 2BM v (1)式 中   σ 0 为 后 向 散 射 系 数 , 由 计 算 得 到 ; σ 0 壤 后 向 散 射 系 数 ; σ 0 被 直 接 后 向 散 射 系数 ; M v 为 植 被 含 水 量 , kg/ 利 用 水 云 模 型 的 研 究 中 , 植 被 含 水 量 即 为 等 效 水 厚 度 [ 15 ] , θ 为 入 射 角 ; 波 穿 过 植 被 的 双 程 衰 减 因 子 , A、 B 为 经 验 常 数 。112  参 数 估 计 方 案对 水 云 模 型 的 参 数 估 计 有 许 多 研 究 [ 9212 ]。 结 合 理 论 模 型 (如 M 算 关 键 参 数 时 需 要 大 量 的 同步 地 面 参 数 ; 应 用 实 用 方 法 求 解 不 同 的 参 数 将 导 致 误 差 难 以 控 制 。 本 文 利 用 分 析 不 同 尺 度下 植 被 参 数 与 小 麦 含 水 量 的 关 系 , 在 此 基 础 上 , 采 用 最 小 二 乘 方 法 统 一 求 解 系 数 的 方 案 , 构 建 结 合 光 学 和 微波 遥 感 数 据 的 土 壤 水 分 估 算 模 型 。113  多 源 遥 感 数 据 土 壤 含 水 量 估 算 模 型由 光 学 影 像 数 据 计 算 植 被 生 物 、 物 理 指 数 V I, 建 立 V 测 植 被 含 水 量 M v 的 关 系 。M v = f (V I ) (2)若 性 关 系 ,则 有M v = + d (3)将 M v 代 入 式 (1)水 云 模 型 , 整 理 可 得σ 0σ0 - A ( d) 1 - - 2B ( + d) } - 2B ( + d) (4)根 据 土 壤 后 向 散 射 与 土 壤 含 水 量 的 关 系 [ 7 ] , 又 可 得M s = σ0 - A ( d) 1 - - 2B ( + d) } - 2B ( + d) - f / e ={ [σ 0 - A ( + d) 2B ( + d) + A ( + d) f} / e(5)式 中   c, d, e, 验 常 数 , 将 该 式 中 的 2B ( + d) 项 按 泰 勒 级 数 展 开 , 并 取 第 一 项 整 理 得M s = C + + I + V I 6)上 式 可 根 据 遥 感 影 像 和 同 步 实 测 的 数 据 , 采 用 最 小 二 乘 法 求 解 系 数 C和 … ,   结 果 与 分 析211  研 究 区 与 数 据研 究 区 为 北 京 郊 区 农 田 , 主 要 种 植 小 麦 、 紫 花 苜 蓿 等 作 物 。 数 据 包 括 陆 地 卫 星 数 据 , 以 及 地 面 准 同 步 实 测 数 据 。 地 面 试 验 内 容 包 括 土 壤 体 积 含 水 量 测 量 、 小 麦 生 物 量 及 等 效 水厚 度 测 量 和 测 点 等 。 试 验 中 , 选 择 田 块 中 央 较 均 匀 的 一 块 区 域 , 使 用 机 进 行 定 位 测 量 。在 离 定 位 点 5 围 内 布 置 3个 采 样 点 , 样 点 分 布 成 等 边 三 角 形 分 布 。 用 每 个 样 点 处 的 体 积 含水 量 ; 同 时 取 点 处 的 冬 小 麦 植 株 , 放 入 塑 料 袋 内 密 封 。 试 验 室 内 采 用 烘 干 称 重 法 , 计 算 冬 小 麦 植322  第 2期 张 友 静 , 等 : 多 源 遥 感 数 据 反 演 土 壤 水 分 方 法株 等 效 水 厚 度 。 对 每 块 地 3个 样 点 土 壤 含 水 量 求 平 均 , 用 以 表 示 点 处 的 土 壤 含 水 量 。 14 ]等研 究 表 明 , 在 高 频 波 段 和 小 入 射 角 时 , 以 植 被 含 水 量 和 土 壤 湿 度 为 主 要 驱 动 因 子 的 水 云 模 型 能 够 很 好 地 模 拟小 麦 的 后 向 散 射 特 性 。 同 时 , 角 模 式 ( 总 后 向 散 射 包 含 的 土 壤 散 射 信 息 更 多 , 更适 合 土 壤 湿 度 的 反 演 。212  不 同 分 辨 率 光 学 影 像 的 植 被 含 水 量 反 演植 被 含 水 量 一 般 有 3种 表 示 方 法 : 叶 片 含 水 量 相 对 含 水 量 效 水 厚 度 15 ]研究 发 现 用 遥 感 数 据 反 演 含 水 量 时 , 短 波 红 外 波 段 与 性 较 好 , 而 与 关 性 较 差 。 本 研 究 M v 即 为同 步 地 面 测 量 的 叶 和 穗 等 效 水 厚 度 之 和 。大 量 研 究 表 明 , 植 物 含 水 量 对 红 外 波 段 比 较 敏 感 , 因 此 可 通 过 建 立 植 被 生 物 、 物 理 指 数 和 植 被 含 水 量 的统 计 关 系 模 型 来 反 演 16 ]发 现 植 被 水 分 指 数 与 归 一 化 植 被 指 数 ()的 比 值 可 以 预 测 叶 片的 水 分 含 量 。 17 ]综 合 考 虑 了 叶 片 内 部 结 构 、 叶 片 水 分 含 量 以 及 干 物 质 等 影 响 , 发 现 1 600 20 射 率 之 比 与 等 效 水 厚 度 相 关 。 18 ]研 究 利 用 计 算 、 归一 化 水 分 指 数 ()来 反 演 大 豆 和 玉 米 覆 盖 地 表 的 以 上 研 究 表 明 用 植 被 指 数 反 演 植 被 含 水 量 是 可 行的 。 本 研 究 利 提 取 、 、 增 强 型 植 被 指 数 ( )、 叶 面 积 指 数 () , 比 较 在 不 同分 辨 率 下 指 数 反 演 小 麦 含 水 量 的 能 力 。21211  基 于 的 小 麦 含 水 量 反 演利 用 计 算 、 和 , 并 分 别 做 、 、 与 M v 的 关 系 图 , 如 图 1所 示 。 反演 的 M v 与 实 测 值 的 相 关 系 数 和 均 方 根 误 差 见 表 1。图 1  、 、 、 与 小 麦 含 水 量 关 系、 、 、   计 算 M v 与 实 测 值 的 相 关 系 数 和 均 方 根 误 差 v M S V 器 指 数 方 根 误 差 0112 0111 0111 0113相 关 系 数 0178 0187 0180 0176S 均 方 根 误 差 0115 0112 0115相 关 系 数 0154 0177 0157由 表 1可 以 看 出 , 由 建 立 的 小 麦 含 水 量 反 演 模 型 结 果 较 好 , 次 之 , 和 反 演 结 果 较差 。 这 与 18 ]研 究 的 大 豆 、 玉 米 等 植 被 的 结 论 相 似 。 的 反 演 精 度 高 于 , 因 为 引入 了 修 正 后 大 气 和 土 壤 背 景 的 参 数 , 且 具 有 不 易 饱 和 的 特 点 。 而 和 绿 量 等 联 系 更 为 紧 密 , 在 本 文 中 反 演M v 精 度 较 差 。21212  基 于 的 小 麦 含 水 量 反 演利 用 计 算 、 和 , 并 分 别 做 这 些 参 数 与 M v 的 关 系 图 , 如 图 2所 示 。 反 演 的 M 测 值 的 相 关 系 数 和 均 方 根 误 差 见 表 1。422 水 科 学 进 展 第 21卷由 表 1可 见 , 两 种 尺 度 影 像 反 演 M v 结 论 相 似 , 即 精 度 较 好 , 、 次 之 ; 同 时 , 比 更 好 的 估 算 结 果 。 究 其 原 因 , 可 能 是 研 究 区 小 麦 地 块 较 为 破 碎 , 地 表 覆 盖 的 空 间 异 质 性 导 致 较低 分 辨 率 的 小 麦 含 水 量 误 差 较 大 。 但 如 果 进 行 大 面 积 、 持 续 性 小 麦 含 水 量 监 测 , 具有 高 时 间 分 辨 率 的 优 势 。图 2  、 、 与 小 麦 含 水 量 散 点 图、 、 土 壤 含 水 量 估 算 水 反 演 半 经 验 模 型 的 建 立根 据 上 述 分 析 可 得 小 麦 含 水 量 M v 计 算 的 一 般 线 性 模 型 。M v = c + d (7)在 确 定 的 入 射 角 和 极 化 模 式 后 , 利 用 实 测 数 据 通 过 最 小 二 乘 法 求 解 模 型 ( 6)的 各 项 系 数 , 得 到下 式 :M s = 1371303 - 381717σ 3221234 + 56416872 +381798σ 11429σ )利 用 该 式 反 演 得 到 土 壤 水 分 , 结 果 如 图 3所 示 。由 图 3可 见 , 式 (8)反 演 土 壤 含 水 量 的 均 方 根 误 差 (E)为 3183% , 反 演 的 土 壤 含 水 量 与 实 测 的 土 壤 含水 量 相 关 性 为 019, 具 有 较 高 的 反 演 精 度 , 可 用 于 小 麦 覆 盖 下 的 土 壤 水 分 估 算 。214  模 型 参 数 的 贡 献 与 敏 感 性 分 析为 进 一 步 分 析 模 型 的 效 用 , 做 M s 与 、 σ 感 性 分 析 , 如 图 4所 示 。 由 图 可 见 , 和 σ 感 性 较 高 。 当 和 σ 时 , 土 壤 水 分 也 增 加 ; 增 加 量 在 0~ 50%之 间 , 两 者 的 变 化 基本 一 致 。 也 即 小 麦 冠 层 含 水 量 越 高 , 雷 达 后 向 散 射 与 土 壤 含 水 量 成 正 比 。 因 此 , 植 被 冠 层 与 后 向 散 射 的 交 互522  第 2期 张 友 静 , 等 : 多 源 遥 感 数 据 反 演 土 壤 水 分 方 法作 用 是 影 响 土 壤 含 水 量 反 演 的 关 键 因 素 之 一 。 雷 达 入 射 角 的 变 化 与 土 壤 水 分 变 化 成 反 比 [ 18 ]。 即 入 射 角增 加 时 , 反 演 的 土 壤 水 分 减 小 , 这 与 13 ]的 研 究 结 论 一 致 。 敏 感 度 最 低 , 当 化 范 围为 ± 80%时 , 土 壤 含 水 量 仅 改 变 ± 13% , 因 而 可 对 均 值 。 由 上 述 分 析 可 知 , 、 和 σ 壤含 水 量 反 演 是 较 敏 感 参 数 , 这 也 吻 合 了 水 云 模 型 表 达 式 中 的 参 数 形 式 , 证 明 本 文 的 参 数 估 计 与 求 解 策 略 是 有效 且 具 有 实 际 意 义 的 。根 据 本 文 的 土 壤 水 分 估 算 模 式 , 计 算 出 试 验 区 小 麦 覆 盖 下 的 土 壤 表 层 水 分 分 布 如 图 5所 示 。 由 图 可 知 ,昌 平 区 大 部 分 小 麦 地 块 的 水 分 合 适 ; 顺 义 和 通 县 部 分 地 块 都 有 一 定 的 缺 水 。 这 与 实 地 调 查 基 本 吻 合 。图 5  2005年 5月 8日 土 壤 水 分 填 图, 20053  结     论水 云 模 型 中 植 被 含 水 量 是 一 个 很 重 要 的 参 数 , 它 和 双 程 衰 减 因 子 、 直 接 植 被 后 向 散 射 直 接 密 切 相 关 。 利用 不 同 尺 度 的 计 算 植 被 的 生 物 、 物 理 参 数 , 并 反 演 小 麦 等 效 水 厚 度 结 果 表 明 两 种 分辨 率 影 像 反 演 的 结 论 相 似 , 即 较 好 , 、 次 之 。 因 此 , 反 演 小 麦 含 水 量 具 有 更 好 的 一 致性 和 适 应 性 。 和 相 比 , 提 取 的 反 演 精 度 虽 稍 差 , 但 因 其 高 时 间 分 辨 率 的 特点 , 依 然 具 有 较 好 的 应 用 价 值 。根 据 上 述 关 系 , 并 联 立 裸 露 地 表 土 壤 湿 度 反 演 线 性 模 型 , 建 立 了 水 云 模 型 参 数 的 统 一 求 解 方 案 。 结 果 表明 : 该 方 案 得 到 理 想 的 土 壤 水 分 反 演 精 度 , 有 利 于 参 数 估 计 的 误 差 控 制 。 反 演 土 壤 含 水 量 和 实 测 数 据 的 相 关系 数 为 019, 均 方 根 误 差 为 3183% , 可 为 土 壤 含 水 量 或 土 壤 缺 水 量 制 图 服 务 。参 考 文 献 :[ 1 ] T, P, on J ]1 1978, 16 (4) : 28622951[ 2 ] C, U m J ]1 1986, 24 (1) : 232351[ 3 ] S P C, J, 1J ]1 1995,33 (4) : 91529261[ 4 ] R, , J C, et of J ]11997, 59 (2) : 30823201[ 5 ] 李 震 , 郭 华 东 , 施 建 成 1综 合 主 动 和 被 动 微 波 数 据 监 测 土 壤 水 分 变 化 [ J ]1遥 感 学 报 , 2002, 6 (6) : 48124841 (L I 科 学 进 展 第 21卷 J of m J ]12002, 6 (6) : 48124841 ( )[ 6 ] 陈 权 , 李 震 , 王 磊 1机 载 雷 达 和 辐 射 计 数 据 反 演 植 被 覆 盖 区 土 壤 水 分 的 初 步 研 究 [ J ]1水 科 学 进 展 , 2007, 18 (5) : 75627611(L I in J ]1 2007, 18 (5) : 75627611 ( )[ 7 ] , , , et a p to in J ]1 2006, 44 (4) : 90029121[ 8 ] , G R, 1of J ]1 2006, 44 (4) : 88928991[ 9 ] 鲍 艳 松 , 刘 良 云 , 王 纪 华 1综 合 利 用 光 学 微 波 遥 感 数 据 反 演 土 壤 湿 度 研 究 [ J ]1北 京 师 范 大 学 学 报 :自 然 科 学 版 , 2007, 43(3) : 22822331 (L on op m J ]1J ]12007, 43 (3) : 22822331 ( ) 1[ 10 ] , , K W , et of p 2 2AR on J ] 1 2007, 39 (1) : 13921481[ 11 ] A N, , 1U se of op J ]1 2006, 44 (4) : 92529351[ 12 ] P, as a J ]11978, 13 (2) : 35723641[ 13 ] , of in J ]12001, 76 (1) : 13021371[ 14 ] , V , , et to J ]11996, 56 (1) : 522561[ 15 ] , , , et in op J ]12001, 77 (1) : 222331[ 16 ] , P , , et of p by J ]1 1997, 18 (13) : 2869228751[ 17 ] N, E, W L, et of J ]1B 1986, 36 (7) : 43924451[ 18 ] J, , J ]12004, 92 (4) : 22522361[ 19 ] 刘 伟 , 施 建 成 1应 用 极 化 雷 达 估 算 农 作 物 覆 盖 地 区 土 壤 水 分 相 对 变 化 [ J ] 1水 科 学 进 展 , 2005, 16 (4) : 59626011 (L J to of in J ]12005, 16 (4) : 59626011 ( )722  第 2期 张 友 静 , 等 : 多 源 遥 感 数 据 反 演 土 壤 水 分 方 法So il m o l m a t 1S N 10098, 1 y 30000 , 1N N 10044, of is to in a in to ) in p of he
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