張維娜

(山西省測(cè)繪資料檔案館,山西太原 030002)

基于遙感技術(shù)的運(yùn)城盆地干旱監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

張維娜

(山西省測(cè)繪資料檔案館,山西太原 030002)

選取 TVD I作為對(duì)運(yùn)城地區(qū)三個(gè)縣進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)的模型,然后重點(diǎn)對(duì)其中涉及的地表溫度(Ts)和植被指數(shù)(NDV I)等參數(shù)做詳細(xì)描述,最后,經(jīng)過(guò)與實(shí)測(cè)墑情的對(duì)比,證明此方法是完全可行的,得出的實(shí)際旱情等級(jí)分布圖可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

遙感;干旱監(jiān)測(cè);TVD1模型

一、引 言

干旱作為一種自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大,及時(shí)發(fā)現(xiàn)干旱并準(zhǔn)確預(yù)報(bào)旱情發(fā)展動(dòng)態(tài),對(duì)抗旱減災(zāi)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)是用點(diǎn)上的數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)干旱的程度及范圍,其中應(yīng)用最多的是氣象數(shù)據(jù),但是不可能實(shí)現(xiàn)大范圍的精確監(jiān)測(cè)。

遙感技術(shù)具有客觀、宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)等常規(guī)手段不具備的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旱情的大范圍、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此遙感監(jiān)測(cè)為傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)開(kāi)辟了新的途徑,這對(duì)傳統(tǒng)的以稀疏散點(diǎn)為基礎(chǔ)的對(duì)地觀測(cè)手段是一場(chǎng)革命性的變化[1]。

土壤濕度是旱情指標(biāo)之一。通過(guò)土壤含水量的估測(cè)可以評(píng)價(jià)旱情等級(jí)。土壤濕度的遙感監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)測(cè)量土壤表面發(fā)射和反射的電磁能量。國(guó)內(nèi)外為研究土壤含水量所涉及的遙感波段很寬,從可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外到微波都有一定的研究。近年來(lái),隨著可獲取的多源遙感數(shù)據(jù) (NOAA/AV HRR、Landsat T M、MOD IS)不斷增加,監(jiān)測(cè)方法的研究有了較大的進(jìn)展,主要有熱慣量法、植被缺水指數(shù)法、距平植被指數(shù)法、溫度植被干旱指數(shù)、微波遙感方法等。其中,結(jié)合植被指數(shù)和地表溫度研究區(qū)域地表水分狀況是比較常用的一種。具有代表性的是 Sandholt等[2]基于植被指數(shù)和地表溫度的關(guān)系提出的溫度植被干旱指數(shù) (temperature-vegetation dryness index,TVD I)。

本文擬采取 TVD I模型對(duì)山西運(yùn)城盆地農(nóng)業(yè)區(qū)作一次干旱監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究。

二、研究區(qū)域概況

運(yùn)城市位于山西省西南部,晉、陜、豫三省交界處,全市轄 1區(qū) 2市 10縣。運(yùn)城市地勢(shì)平坦,氣候溫和,土壤肥沃,光照充足,是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大區(qū)。年平均降雨量 525 mm,日照 2 350 h,氣溫 13℃,無(wú)霜期 212 d,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為優(yōu)越。因此,對(duì)該區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)十分必要。本次研究區(qū)為運(yùn)城市下轄的臨猗、永濟(jì)、芮城三縣。

三、研究方法

1.數(shù)據(jù)獲取與處理

本文采用的數(shù)據(jù)源為 2007年 9月 22日的Landsat T M影像,軌道號(hào) 126,行號(hào) 36,輔助數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和模型計(jì)算用到的各項(xiàng)氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。圖像預(yù)處理在 ENV I軟件中完成,幾何校正以 1∶5萬(wàn)地形圖為準(zhǔn),精度控制在 1個(gè)像元以內(nèi)。

2.TVD I模型的建立

土壤濕度作為干旱的指標(biāo)之一,是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的主要參數(shù)。它在地表與大氣界面的水分和能量交換中起重要作用。歸一化植被指數(shù)(NDV I)提供了綠色植被的生長(zhǎng)狀況和覆蓋度信息,而地表溫度(Ts)反映了土壤濕度狀況,二者的結(jié)合使信息互補(bǔ),用于區(qū)域土壤濕度監(jiān)測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了各種空間尺度和時(shí)間分辨率的地表溫度和植被指數(shù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn) Ts和NDV I之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從理論的角度來(lái)看,對(duì)于水分條件良好的地表,地表溫度和 NDV I的關(guān)系與地表土壤水分 (土壤水分增加可以加大土壤的熱慣量)更為直接相關(guān),而不是作為對(duì)潛在熱能的限制性控制。相關(guān)研究表明,以NDV I和 Ts為橫縱坐標(biāo)的散點(diǎn)圖呈三角形。Sandholt等基于上述關(guān)系,提出了溫度植被干旱指數(shù) (TVD I)的概念。TVD I由植被指數(shù)和表面溫度計(jì)算得到,只依靠圖像數(shù)據(jù)。TVD I的定義為

式中,TS為陸地表面溫度;TSmin為特征空間中最小的地表溫度,定義了相應(yīng)的濕邊;NDVI為歸一化植被指數(shù)值;a和 b分別為定義干邊的線性擬合方程(TSmax=a+bNDVI)中的參數(shù);TSmax為給定 NDV I值下的最大地表溫度。

(1)植被指數(shù)的計(jì)算

植被指數(shù) (vegetation index,V I)是遙感監(jiān)測(cè)地面植被生長(zhǎng)狀況的一個(gè)指數(shù),它是由衛(wèi)星傳感器可見(jiàn)光和近紅外通道探測(cè)數(shù)據(jù)的線性或非線性組合形成的,可以較好地反映地表綠色植被的生長(zhǎng)和分布狀況。歸一化植被指數(shù)(NDV I)是目前應(yīng)用最廣的一種植被指數(shù),由于 NDV I可以消除大部分與儀器定標(biāo)、太陽(yáng)角、地形、云陰影和大氣條件相關(guān)輻照度的變化的影響,增強(qiáng)了對(duì)植被的響應(yīng)能力,因此它是植被生長(zhǎng)狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。NDV I的定義為式中,ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

本試驗(yàn)中,在進(jìn)行NDV I計(jì)算之前首先在 ENV I軟件的 FLAASH模塊中對(duì) T M影像進(jìn)行了大氣校正。

(2)地表溫度的求解

本次研究選用的影像為 T M,因此地表溫度的反演算法選擇單窗算法。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)引進(jìn)大氣平均溫度的概念,提出根據(jù) T M6獲取地表溫度的單窗算法,公式如下

式中

其中,如果影像亮溫范圍在 273～343 K,a= -67.355 351,b=0.458 606;影像亮溫范圍在 273～303 K,a=-60.326 3,b=0.434 36;影像亮溫范圍在 293～323 K,a=-67.954 2,b=0.459 87。ε是地表比輻射率;τ是大氣透射率;Tb是 6波段像元亮度溫度(單位為 K);C和 D為參數(shù);Ta為大氣平均作用溫度。

該算法的優(yōu)點(diǎn)在于僅需要三個(gè)基本參數(shù)：地表比輻射率、大氣透過(guò)率和大氣平均作用溫度。地表比輻射率直接與地表構(gòu)成有關(guān)。大氣透過(guò)率和大氣平均作用溫度可以根據(jù)近地面的水汽含量和平均氣溫來(lái)估計(jì)。在大多數(shù)情況下,各地方氣象觀測(cè)站均有對(duì)應(yīng)于衛(wèi)星過(guò)境時(shí)大氣要素的相對(duì)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

①Landsat T M地表亮度溫度的求算

通常Landsat T M數(shù)據(jù)是以灰度值(DN值)來(lái)表示,DN值在 0和 255之間,數(shù)值越大,亮度越大。對(duì)于 T M6,亮度越大,表示地表熱輻射強(qiáng)度越大,溫度越高,反之亦然。從 T M6數(shù)據(jù)中求算亮度溫度的過(guò)程包括把DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度值,然后根據(jù)熱輻射強(qiáng)度推算所對(duì)應(yīng)的地表輻射溫度。

陸地衛(wèi)星傳感器 T M在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到如何將所接收到的輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的DN值問(wèn)題。因此,對(duì)于 T M數(shù)據(jù),所接收到的輻射強(qiáng)度與其 DN值存在如下關(guān)系

式中,Lb為 T M遙感器接收到的輻射強(qiáng)度 (W·m-2· Sr-1·μm-1);Qmax為最大的 DN值,即 Qmax=255, QDN為 T M數(shù)據(jù)的像元灰度值;Lmax和 Lmin為 T M遙感器所接收到的最大和最小輻射強(qiáng)度,即相對(duì)應(yīng)于QDN=255和 QDN=0時(shí)的最大和最小輻射強(qiáng)度。對(duì)于Landsat 5號(hào)星,傳感器熱波段 T M6的中心波長(zhǎng)為 11.475μm。發(fā)射前預(yù)設(shè) T M6的常量為:當(dāng) Lmax=0.123 8時(shí),QDN=0;當(dāng) Lmax=1.56時(shí),QDN=255。因此式(6)的熱輻射與灰度值之間的關(guān)系可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

然后通過(guò)輻射亮度 (Lb)推算地表相對(duì)溫度,即亮度溫度。其方程式為

式中,Tb為 T M6的像元亮度溫度 (K);K1和 K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量;對(duì)于Landsat 5的 T M數(shù)據(jù),K1= 60.776(W·m-2·Sr-1·μm-1),K2=1 260.56 K。

②大氣透射率的確定

大氣透射率對(duì)地表熱輻射在大氣中的傳導(dǎo)有非常重要的影響,是地表溫度遙感的基本參數(shù)。無(wú)論單窗算法還是劈窗算法,都需要較精確的大氣透射率估計(jì)。

研究表明,大氣透射率的變化主要取決于大氣水分含量的動(dòng)態(tài)變化,其他因素因其動(dòng)態(tài)變化不大而對(duì)大氣透射率的變化沒(méi)有顯著影響,因此,大氣水分含量就成為大氣透射率估計(jì)的主要考慮因素。當(dāng)水分含量在 0.4～3.0 g/cm2變動(dòng)區(qū)間時(shí),大氣透射率的估計(jì)方程如表 1所示。

表1 大氣透射率估計(jì)方程

③大氣平均作用溫度的確定

大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。由于衛(wèi)星飛過(guò)研究區(qū)上空的時(shí)間很短,一般情況下很難實(shí)施實(shí)時(shí)大氣剖面數(shù)據(jù)和大氣狀態(tài)的直接觀測(cè)。為此我們直接利用文獻(xiàn)[3-4]總結(jié)出的大氣平均作用溫度 Ta的估計(jì)方程。

中緯度夏季平均大氣作用溫度

中緯度冬季平均大氣作用溫度

其中,T0為近地面 (一般為 2 m處)的氣溫,T0和 Ta的單位均為 K。這些關(guān)系式表明,在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下(天空晴朗、沒(méi)有渦旋作用),大氣平均作用溫度是地面附近氣溫的線性函數(shù)。因此,在沒(méi)有實(shí)時(shí)大氣探空資料的情況下,也可以用這些關(guān)系式近似地推算 Ta。

④地表比輻射率的確定

地表比輻射率 (land surface emissivity,LSE)是地面溫度反演中的一個(gè)關(guān)鍵參量,它是表面熱能轉(zhuǎn)換成輻射能量的內(nèi)在的有效度量器。不同的地物具有不一樣的發(fā)射率,它不僅依賴于地表物體的組成成分,而且與物體的表面狀態(tài)(表面粗糙度等)及物理性質(zhì)(介電常數(shù)、含水量、溫度等)有關(guān),并會(huì)隨著所測(cè)定的輻射能的波長(zhǎng)、觀測(cè)角度等條件的變化而變化。

熱紅外遙感是目前唯一可以進(jìn)行大面積區(qū)域甚至全球的地面溫度反演的手段,具有覆蓋面廣、信息量大、動(dòng)態(tài)性好及分辨率高等明顯的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于僅有一個(gè)熱紅外通道的遙感數(shù)據(jù)如 Landsat T M,如果沒(méi)有額外的輔助數(shù)據(jù)不可能同時(shí)反演地表溫度和地表比輻射率。一種可行的確定方法是通過(guò)分類影像獲得地表比輻射率影像,估計(jì)各地表類型的發(fā)射率值,但是這種方法需要在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)對(duì)不同類別的典型地物發(fā)射率進(jìn)行測(cè)量,精確地知道典型地表類型的發(fā)射率。

因此我們需要在沒(méi)有實(shí)時(shí)的參考數(shù)據(jù)下求解地表比輻射率的方法。目前一種可供選擇的、有效的地表比輻射率估計(jì)方法是通過(guò)歸一化植被指數(shù)(NDV I)獲得地表比輻射率。

代替地面溫度的像元通常是混合像元,它們可能是植被與土壤的混合區(qū)域、也可能是植被與建筑物的混合區(qū)域。單個(gè)像元的有效發(fā)射率值可以通過(guò)各種地表類型的比例估計(jì)得到。文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了一系列由可見(jiàn)和近紅外的光譜反射率獲得的NDV I值與實(shí)地測(cè)得的地物發(fā)射率值的比較,發(fā)現(xiàn)在測(cè)得的發(fā)射率和NDV I之間存在高度相關(guān)性。給出了如下相關(guān)方程

式中,ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

⑤地表溫度的確定

按照以上步驟結(jié)合氣象數(shù)據(jù)得到地表溫度反演圖(見(jiàn)圖 1)。

圖1 地表溫度反演圖

(3)干濕邊的確定

本試驗(yàn)采用抽樣方法,在Matlab軟件中編程,對(duì)植被指數(shù)與最高、最低溫度進(jìn)行線性回歸擬合,得到如下回歸方程(見(jiàn)表 2)。

表2 干濕邊擬合方程

從表 2中可以看出,其旱邊方程的斜率均為負(fù)值,而濕邊方程的斜率都為正值,表明隨著下墊面植被覆蓋程度增加,陸地表面溫度最高值在減小,而最低值卻在升高。

3.旱情等級(jí)分布圖

根據(jù)農(nóng)業(yè)旱情等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),土壤相對(duì)含水量＜40%為重旱;40%～50%為中旱;50%～60%為輕旱;60%～80%為正常;80%～100%為濕潤(rùn)。圖 2為運(yùn)城市三縣的旱情分布圖,圖中顯示三縣的絕大部分耕地都屬于正常和濕潤(rùn),北部有部分為輕旱和中旱,基本沒(méi)有重旱現(xiàn)象。

圖2 旱情等級(jí)分布圖

四、TVD I模型結(jié)果與實(shí)測(cè)土壤墑情相關(guān)性分析

本文應(yīng)用山西省氣象檔案館的實(shí)測(cè)土壤墑情資料,分析了基于 NDV I的溫度植被旱情指數(shù)與10 cm和 50 cm土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性。以氣象站所在地理位置的經(jīng)緯度為基準(zhǔn),選取相應(yīng)空間的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果,以溫度植被旱情指數(shù) TVD I為橫坐標(biāo),土壤相對(duì)濕度為縱坐標(biāo),得到基于 NDV I的溫度植被旱情指數(shù)與土壤濕度散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖 3和圖 4)。從圖中可以看出,以NDV I計(jì)算得出的 TVD I與 10 cm土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性好于 50 cm,即遙感監(jiān)測(cè)土壤濕度以反演表層土壤水分的效果較好。

五、結(jié) 論

土壤濕度作為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo),應(yīng)用 T M數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象資料,結(jié)合 TVD I模型,較好地反映了運(yùn)城盆地夏季當(dāng)日的農(nóng)業(yè)旱情狀況,并達(dá)到了定量化的標(biāo)準(zhǔn)。證明了這種方法的可行性和實(shí)用性。

但是,由于實(shí)測(cè)的墑情數(shù)據(jù)較少,部分值只能按照相同地類的值代替,因此可能會(huì)有一些誤差,這些問(wèn)題都是需要下一步繼續(xù)深入研究時(shí)解決的。

圖3 10 cm土壤相對(duì)濕度

圖4 50 cm土壤相對(duì)濕度

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On the Application of RS Techn ique toM on itoring of Dried Basin of Yuncheng

ZHANGWeina

0494-0911(2010)07-0023-04

P237

B

2009-11-26

張維娜(1962—),女,山東濟(jì)南人,主要研究方向?yàn)檫b感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)字檔案管理。