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        基于MODIS的鄭州市土壤水分反演

        2019-03-18 12:56:08王紀(jì)軍
        安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:慣量植被指數(shù)鄭州市

        高 攀,王紀(jì)軍,宋 軒*

        (1.中國(guó)氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,河南鄭州 450003;2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南鄭州 450000)

        鄭州市作為河南省省會(huì),面積廣闊,而土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)稀少,全區(qū)目前有觀測(cè)數(shù)據(jù)的土壤水分站點(diǎn)16個(gè),因此常規(guī)觀測(cè)手段很難全面了解土壤水分以及旱情分布情況,通過遙感手段開展相關(guān)觀測(cè)是目前較為有效的解決方法。開展遙感土壤水分監(jiān)測(cè),關(guān)鍵是要選擇合適的反演模型,提高反演精度。因此,筆者基于MODIS數(shù)據(jù),在植被覆蓋度較高的時(shí)期,采用植被干旱指數(shù)法來反演土壤水分,在植被覆蓋度較低的時(shí)期,采用表觀熱慣量法進(jìn)行鄭州市土壤水分反演,保證土壤水分遙感監(jiān)測(cè)的連續(xù)性,旨在為研究鄭州市土壤水分的空間分布提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

        1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

        1.1研究區(qū)概況鄭州市位于河南省中部,地理位置界于112°42′~114°13′E、34°16′~34°58′N,總面積7 446 km2(圖1)。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。鄭州總的地勢(shì)為西南高、東北低,呈階梯狀下降。主要土壤類型有褐土、潮褐土、棕壤土、紅黏土和潮土等。

        1.2遙感數(shù)據(jù)來源使用的MODIS數(shù)據(jù)來源于美國(guó)USGS站點(diǎn)16 d合成的1 km分辨率的MOD13A2數(shù)據(jù)和8 d合成的1 km分辨率的MOD11A2數(shù)據(jù)。由于USGS 2016年1、7、8、10月數(shù)據(jù)異常,研究使用2016年2、3、4、5、6、9、11、12共8個(gè)時(shí)期的影像。

        2 基于溫度植被干旱指數(shù)模型的土壤水分反演

        2.1溫度植被干旱指數(shù)溫度植被干旱指數(shù)(temperature-vegetation dryness index,TVDI)是基于地表溫度(TS)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)用于土壤水分監(jiān)測(cè)的表征相對(duì)干旱程度的指數(shù),該指數(shù)由Sandholt等[5]提出。TVDI越大,土壤水分越低,TVDI越小,土壤水分越高[6]。TVDI計(jì)算公式:

        (1)

        式中,Tsmin表示最小地表溫度,對(duì)應(yīng)的是濕邊;TS是任意像元的地表溫度;Tsmax=a+bNDVI為某一NDVI對(duì)應(yīng)的最高溫度,即干邊,a、b是干邊擬合方程的系數(shù)。

        2.2關(guān)鍵參數(shù)的獲取

        2.2.1植被指數(shù)。植被指數(shù)表征綠色植被覆蓋度,最常用的是歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI),其計(jì)算公式:

        圖1 鄭州市地理位置Fig.1 Geographical location of Zhengzhou City

        (2)

        其中,NDVI為歸一化植被指數(shù);CH1、CH2分別為MODIS的紅光和近紅外波段的反射率。

        平臺(tái)在剛剛投入使用時(shí),煤礦企業(yè)需重視對(duì)員工情緒的安撫工作,消除員工對(duì)共享平臺(tái)存在的反感情緒,讓他們能夠接受并使用共享平臺(tái),同時(shí)領(lǐng)導(dǎo)層也需要支持與鼓勵(lì)對(duì)平臺(tái)的建設(shè)與使用,讓企業(yè)從上至下均能夠積極配合對(duì)共享平臺(tái)的使用。

        2.2.2地表溫度。地表溫度是用來反映地表物理過程中的關(guān)鍵指標(biāo),由于遙感反演無法得到精確的地表溫度,一般情況下,使用反演的冠層溫度近似地代替地表溫度。該研究采用針對(duì)MODIS探測(cè)儀特性而設(shè)計(jì)的白天/夜間MODIS地表溫度獲取方法[7],即:

        TS=1.034 6T31+2.577 9(T31-T32)

        (3)

        式中,TS為冠層溫度;T31、T32分別為MODIS的31、32波段的亮溫。

        2.2.3地表溫度與植被指數(shù)的關(guān)系。植被指數(shù)能夠反映綠色植被的覆蓋度狀況,地表溫度能夠反映土壤的水分信息,將二者的信息進(jìn)行結(jié)合,能夠?yàn)橐欢▍^(qū)域內(nèi)的土壤水分監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。研究表明,地表溫度(TS)和植被指數(shù)(NDVI)之間存在密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。提取鄭州市區(qū)域內(nèi)相同NDVI下的所有不同像元對(duì)應(yīng)的所有地表溫度中的最大和最小溫度,獲得2016年4、5、9、11、12月的地表溫度與植被指數(shù)的關(guān)系,即TS/NDVI的特征空間。

        2.2.4干濕邊的確定。利用TS/NDVI特征空間關(guān)系中相應(yīng)的最大和最小陸地表面溫度,通過回歸擬合分別得到2016年4、5、9、11、12月5個(gè)月的干濕邊方程(表1)。

        2.2.5鄭州市溫度植被干旱指數(shù)分布。根據(jù)式(3),分別得到5個(gè)時(shí)期鄭州市的TVDI分布,并以溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)值對(duì)土壤水分含量進(jìn)行分級(jí)(圖2)。

        表1 TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程

        3 基于熱貫量模型的土壤水分反演

        3.1土壤熱慣量土壤熱慣量反映了土壤的熱特性,與土壤水分關(guān)系密切。同一類型的土壤土壤水分越高,熱慣量越大,二者之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[9]。由于真實(shí)的熱慣量不易獲得,通常用能反映真實(shí)熱慣量相對(duì)大小的表觀熱慣量(ATI)來表征。根據(jù)作物生長(zhǎng)規(guī)律可知,2、3、6月植被覆蓋度較低,此時(shí)期采用熱慣量模型反演土壤水分較為適合。該研究采用Cosh等[10]的方法計(jì)算表觀熱慣量,即

        (4)

        式中,ATI為表觀熱慣量;C為太陽(yáng)輻射校正系數(shù);α0為寬波段反照率;ΔLST0為午間地表溫度與午夜地表溫度的溫差,K。其中,C的計(jì)算公式:

        C=sinθcosφ(1-tanθ2tanφ2)+cosθcosφcos-1(-tanθtanφ)

        (5)

        式中,θ為地理緯度;φ為太陽(yáng)赤緯。

        3.2關(guān)鍵參數(shù)的獲取寬波段反照率α0采用Liang[11]的方法,計(jì)算公式:

        α0=0.16α1+0.291α2+0.243α3+0.116α4+0.112α5+0.081α7-0.001 5

        (6)

        式中,αi(i= 1,2,3,4,5,7)為MODIS各波段的反射率。

        午間地表溫度與午夜地表溫度的溫差ΔLST0的計(jì)算公式:

        ΔLST0=ΔLST0,d-ΔLST0,n

        (7)

        式中,ΔLST0,d為午間地表溫度,ΔLST0,n為午夜地表溫度,K0。

        圖2 2016年4、5、9、11、12月鄭州市TVDI分布Fig.2 Distribution of TVDI in Zhengzhou in April,May,September,November and December of 2016

        3.3鄭州市表觀熱慣量分布基于式(5)、(6)和(7),反演得到了鄭州市2016年2、3和6月3個(gè)月的表觀熱慣量ATI分布,并以ATI值對(duì)土壤水分含量進(jìn)行分級(jí),結(jié)果見圖3。

        4 結(jié)論

        該研究利用MODIS影像反演2016年8個(gè)月鄭州市地表土壤水分,結(jié)果表明,根據(jù)遙感獲取的信息分析鄭州市土壤水分的空間分布與氣象資料、年降水量分布規(guī)律和年平均相對(duì)水分分布規(guī)律相吻合,可以用來分析鄭州市土壤水分的空間分布。在作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期,選擇使用植被干旱指數(shù)法和熱慣量法來反演土壤水分,可以保證土壤水分連續(xù)的不間斷的有效監(jiān)測(cè)。MODIS數(shù)據(jù)的空間分辨率為1 000 m,遙感反演圖像較為精細(xì),能夠滿足地市級(jí)一般業(yè)務(wù)服務(wù)需求,且具有高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢(shì),可以進(jìn)一步加入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行訂正之后,只需要在晴空條件下,獲取一景白日過境的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表土壤水分的快速判別,方便土壤水分遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

        圖3 2016年2、3和6月鄭州市ATI分布Fig.3 ATI distribution in zhengzhou in February,March and June of 2016

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