專利名稱：土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
空間尺度的土壤水分是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展、區(qū)域資源與環(huán)境定量監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵變量，在農(nóng)業(yè)、水文、氣象等生態(tài)環(huán)境中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的經(jīng)典土壤水分測(cè)定方法如取土烘干法、中子水分儀法及張力計(jì)方法等精確度較高，但采樣速度慢、需要大量的人力物力并且多局限在點(diǎn)測(cè)量的范圍上，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中大面積監(jiān)測(cè)土壤水分的應(yīng)用需求，具有大范圍和快速觀測(cè)特點(diǎn)的遙感技術(shù)特別是多源遙感手段的發(fā)展，給土壤濕度的空間分布監(jiān)測(cè)帶來(lái)極大便利。土壤水分遙感監(jiān)測(cè)的原理是對(duì)土壤表面發(fā)射或反射的電磁波的輻射能進(jìn)行測(cè)量。 土壤水分的電磁輻射強(qiáng)度的變化主要取決于其反射率、發(fā)射率、介電特性和溫度等，目前國(guó)內(nèi)外土壤水分遙感監(jiān)測(cè)的方法，從遙感的波段及其組合的角度出發(fā)，主要包括光學(xué)遙感 (可見光-近紅外、熱紅外)和微波遙感等?？梢姽?近紅外波段根據(jù)土壤和植被水分變化可引起光譜反射率變化的規(guī)律，綜合考慮植被生長(zhǎng)(植被指數(shù))和水分脅迫狀況間接估算土壤水分。這類方法主要是基于地表反射率的各種植被指數(shù)(Kogan，1990，1995 ；陳維英等，1994 ；劉培君等，1997)。然而，受土壤表面粗糙度、質(zhì)地等影響，該法監(jiān)測(cè)土壤水分在提高精度方面受到較大限制。但近年來(lái)提出的基于可見光-近紅外/短波紅外的光譜特征空間法，如垂直干旱指數(shù)(PDI)、改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)(MPDI)等((ihulam等，2006 ；(ihulam等， 2007)，在土壤水分和干旱的遙感監(jiān)測(cè)上則取得了不錯(cuò)效果Oiin等，2008)。這類方法與熱紅外遙感和微波遙感相比簡(jiǎn)單有效，所需的遙感數(shù)據(jù)容易獲取，時(shí)間分辨率高。研究表明， 在短波紅外波段存在很高的水的吸收峰，因此該波段反射率和實(shí)測(cè)土壤水分有很好的相關(guān)性(郭廣猛，趙冰茹，2004)。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種簡(jiǎn)單、快捷且精度較高的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法。( 二 )技術(shù)方案為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，該方法包括步驟Si.分析土壤水分在短波紅外波段的光譜特性，選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段；S2.根據(jù)所選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段，構(gòu)建基于遙感數(shù)據(jù)的短波紅外干旱指數(shù)；S3.采集待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)；
3
S4.根據(jù)所述干旱指數(shù)以及所述土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型，確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分及干旱狀況。其中，在步驟Sl中，根據(jù)所述光譜特性，選擇的用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段分別為1230-1250nm、16^-1652nm和2150_2155nm波段，其中心波長(zhǎng)分別為1240nm、 1640nm 以及 2130nm。其中，在步驟S2中，所述遙感數(shù)據(jù)為中分辨率成像光譜儀MODIS數(shù)據(jù)，所選擇的用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段分別對(duì)應(yīng)所述中分辨率成像光譜儀MODIS的第5、6及7 波段。其中，所述干旱指數(shù)為SIDI5；6=1- ^5 Ρβ
A +ASIDI5 7=1- ^5 Ρη
Ps+PiSIDI6 7=1- —~—
Pe+Pi其中，SIDI5,6為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段與第6波段組合的干旱指數(shù)；SIDI5,7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段與第7波段組合的干旱指數(shù)； SIDI6,7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第6波段與第7波段組合的干旱指數(shù)；P 5為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段的地表反射率；P 6為所述中分辨率成像光譜儀MODIS 第6波段的地表反射率；P 7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第7波段的地表反射率。其中，步驟S4進(jìn)一步包括S4. 1利用所述干旱指數(shù)以及所述土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型；S4. 2根據(jù)所述區(qū)域關(guān)系模型估算所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤含水量，進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，確定所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤水分及干旱狀況。(三)有益效果本發(fā)明的方法可以快速有效地估算區(qū)域土壤水分/干旱狀況，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 水資源規(guī)劃等，且精度較高。


圖1為依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法流程圖；圖2為幾種土壤的光譜反射曲線；圖3為水的吸收率曲線；圖4 (a)-4(f)為SIDI5,6、SIDI5,7和SIDI6,7與土壤體積含水量的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。地球觀測(cè)系統(tǒng)(E0Q系列衛(wèi)星用于利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行大氣物理化學(xué)觀測(cè)和陸地、水文、氣候、環(huán)境調(diào)查，更準(zhǔn)確地獲取自然環(huán)境資源的各種綜合信息，掌握地球環(huán)境資源的總體狀況及其變化趨勢(shì)，其上的最主要的儀器是中分辨率成像光譜儀(M0DIS， Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)，其最大空間分辨率可達(dá) 250 米，掃描寬度2330公里。MODIS是當(dāng)前世界上新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，有36個(gè)離散光譜波段，含有對(duì)土壤水分敏感的近紅外、短波紅外和熱紅外波段等，同時(shí)具有高時(shí)間分辨率和光譜分辨率，具有“圖譜合一”的特性，因此可大大增強(qiáng)了對(duì)地球復(fù)雜系統(tǒng)的觀測(cè)能力和對(duì)地表類型的識(shí)別能力。本實(shí)施方式中的方法為了快速有效地監(jiān)測(cè)土壤水分/干旱狀況的變化，以MODIS 數(shù)據(jù)為例，利用對(duì)土壤水分更敏感的短波紅外波段，在充分分析土壤水分短波紅外波段的光譜特性基礎(chǔ)上，構(gòu)建一組可反映土壤水分/干旱的遙感指數(shù)，利用獲取的待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，建立上述遙感指數(shù)和土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型，進(jìn)而可以確定該區(qū)域面上的土壤水分或干旱狀況。短波紅外波段比近紅外波段對(duì)土壤水分更敏感，并且其空間分辨率一般高于熱紅外波段，更適合土壤水分的遙感監(jiān)測(cè)。如圖1所示，依照本發(fā)明一種實(shí)施方式的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟Si.分析土壤水分在短波紅外波段的光譜特性，選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段，即對(duì)土壤含水量敏感的短波紅外波段。自然狀態(tài)下土壤表面的反射曲線比較平滑，沒有明顯的反射峰和吸收谷。土壤光譜受多種復(fù)雜因素的影響，在土壤母質(zhì)等其它因素較穩(wěn)定的情況下，土壤光譜受土壤水分的作用比較明顯，土壤的含水量增加時(shí)，土壤的反射率就會(huì)下降。如圖2所示是幾種土壤的反射光譜，圖3為水的吸收率曲線。通過(guò)土壤反射率和水的吸收率等光譜特性分析，找出對(duì)土壤水分敏感的波段，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)中心波長(zhǎng)為1240nm、 1640nm和2130nm處的短波紅外波段對(duì)土壤水分較為敏感，基本存在水分的吸收峰和吸收S2.構(gòu)建基于MODIS數(shù)據(jù)的短波紅外干旱指數(shù)。由于 MODIS 第 5(1230-1250nm)，6(1628-1652nm)，7Ql05-2155nm)波段均為對(duì)地物水分敏感的短波紅外波段，這三個(gè)波段都位于水汽吸收區(qū)，對(duì)水汽反射率的變化比較敏感，因此，其任意兩個(gè)波段的組合得到的指數(shù)可以在一定程度上反映土壤含水量的多少。并且這幾個(gè)波段中短波的反射率一般高于長(zhǎng)波的反射率，其歸一化比值在0到1范圍內(nèi)變化，因此可利用波段間的差異反映土壤水分狀況，1和該比值的差值即可反映地表干旱狀況，該值越大，表明地表越干旱。構(gòu)建的短波紅外干旱指數(shù)(Shortwave Infrared Drought Index, SIDI)如下SIDI5 6 = 1 - ^5 ^6
Ps+PeSIDI5 7=1- ^5 Ρη
Ps+PiSIDI67 = 1 - —~—
Pe+Pi其中，SIDI5,6為MODIS第5波段與第6波段組合的干旱指數(shù)；SIDI5,7為MODIS第5 波段與第7波段的干旱指數(shù)；SIDI6,7為MODIS第6波段與第7波段組合的干旱指數(shù)；P 5為MODIS第5波段的地表反射率；P 6為MODIS第6波段的地表反射率；P 7為MODIS第7波段的地表反射率。S3.通過(guò)試驗(yàn)或從農(nóng)業(yè)、氣象觀測(cè)站采集待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為特定采集點(diǎn)的離散數(shù)據(jù)，需要與遙感得到的干旱指數(shù)建立定量關(guān)系，以估算整個(gè)區(qū)域的土壤水分，即包括采集點(diǎn)之外的各地區(qū)的土壤水分。例如收集在寧夏永寧、固原的時(shí)間序列土壤水分定位觀測(cè)數(shù)據(jù)。S4.建立上述干旱指數(shù)和土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型，估算區(qū)域土壤含水量。具體的，步驟S4進(jìn)一步包括S4. 1利用獲取的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，和對(duì)應(yīng)MODIS遙感影像提取的SIDI指數(shù)進(jìn)行回歸，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型；S4. 2根據(jù)所述區(qū)域關(guān)系模型估算所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤含水量，進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，確定所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤水分及干旱狀況。建立這些指數(shù)和土壤體積含水量(cm7cm3)的區(qū)域關(guān)系模型，估算區(qū)域土壤含水量，進(jìn)行干旱等級(jí)的劃分，確定該地區(qū)的干旱狀況。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，該方法包括步驟S1.分析土壤水分在短波紅外波段的光譜特性，選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段；S2.根據(jù)所選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段，構(gòu)建基于遙感數(shù)據(jù)的短波紅外干旱指數(shù)；S3.采集待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)；S4.根據(jù)所述干旱指數(shù)以及所述土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型，確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分及干旱狀況。
2.如權(quán)利要求1所述的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在步驟Sl中，根據(jù)所述光譜特性，選擇的用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段分別為1230-1250nm、1628-1652nm 和2150-2155nm波段，其中心波長(zhǎng)分別為1240nm、1640nm以及2130nm。
3.如權(quán)利要求2所述的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，在步驟S2中，所述遙感數(shù)據(jù)為中分辨率成像光譜儀MODIS數(shù)據(jù)，所選擇的用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段分別對(duì)應(yīng)所述中分辨率成像光譜儀MODIS的第5、6及7波段。
4.如權(quán)利要求3所述的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述干旱指數(shù)為SIDI5 6=1- Ps~P6 ， Ps + ASIDI5 7 = 1 - Ps~Pl ， P5 + PiSIDI61 = I-P6~Pl ， Pe + Pi其中，SIDI5,6為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段與第6波段組合的干旱指數(shù)； SIDI5,7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段與第7波段組合的干旱指數(shù)；SIDI6,7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第6波段與第7波段組合的干旱指數(shù)；P 5為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第5波段的地表反射率；P 6為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第6波段的地表反射率；P 7為所述中分辨率成像光譜儀MODIS第7波段的地表反射率。
5.如權(quán)利要求4所述的土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟S4進(jìn)一步包括S4. 1利用所述干旱指數(shù)以及所述土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型；S4. 2根據(jù)所述區(qū)域關(guān)系模型估算所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤含水量，進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，確定所述待監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤水分及干旱狀況。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，該方法包括步驟S1.分析土壤水分在短波紅外波段的光譜特性，選擇用于監(jiān)測(cè)土壤含水量的短波紅外波段；S2.根據(jù)所選擇的短波紅外波段，構(gòu)建基于遙感數(shù)據(jù)的短波紅外干旱指數(shù)；S3.采集待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)；S4.根據(jù)所述干旱指數(shù)以及所述土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立干旱指數(shù)與土壤水分的區(qū)域關(guān)系模型，確定待監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤水分及干旱狀況。本發(fā)明的方法可以快速有效地估算區(qū)域土壤水分/干旱狀況，以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源規(guī)劃等，且精度較高。
文檔編號(hào)G01N21/27GK102252973SQ20111005744
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者劉思含, 吳艷婷, 張峰, 李營(yíng), 王橋, 趙少華 申請(qǐng)人:王橋