基于MODIS數據的渭南市土壤水分反演研究

許偉峰，尹貞鈐，范 濤，馮 偉

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

基于MODIS數據的渭南市土壤水分反演研究

許偉峰，尹貞鈐，范 濤，馮 偉

(渭南市氣象局，陜西渭南 714000)

根據MODIS數據特點，分高植被覆蓋和低值被覆蓋條件，研究了MODIS第1～7波段數據與土壤表層水分含量之間的關系，基于分析結果，選擇與土壤水分含量相關度高的MODIS數據波段，建立渭南市0～10 cm土壤相對濕度反演模型。利用模型開展渭南市土壤墑情監測，只需在晴空條件下，使用一景白日過境的MODIS衛星數據，即可完成土壤表層水分快速監測。

MODIS；土壤水分；反演研究；渭南

渭南市是農業大市，地處關中東部，全市土地面積為1.3×104km2，屬于干旱半干旱地區，旱災幾乎年年發生，有“十年九旱”之稱，干旱是限制當地農業生產的重要因子之一。準確掌握土壤墑情，及時反映田間旱情發生的范圍、程度及其發展變化，為各級政府制定合理的防旱、抗旱措施提供科學依據。

隨著遙感和計算機技術的發展，衛星遙感數據迅速被應用于土壤水分監測，有些學者采用熱慣量法[1]、亮溫法[2]、植被供水指數法[3]等進行監測土壤水分的研究，但研究尺度多范圍較大。對地市范圍的土壤墑情監測而言，衛星監測土壤墑情反演圖像不夠精細，難以清晰地反映土壤水分分布。比如張樹譽等認為基于NOAA衛星的AVHRR數據開展的干旱監測業務解決了省級干旱發生發展的宏觀監測問題, 但不能滿足為市、縣級的服務需求[4]。

近年來，EOS/MODIS數據作為新的衛星遙感數據源，具有高時間分辨率和光譜分辨率，且數據獲取方便等特點，學者們利用 MODIS 數據，對其與土壤水分之間的關系進行了大量研究。郭廣猛等[5]研究認為MODIS第7波段的值和土壤表層水分有較好的相關關系；姚云軍等[6]研究了MODIS短波紅外光譜特征與土壤含水量之間的關系，認為MODIS第6、7波段的值與土壤表層水分存在敏感關系；周秉榮等[7]認為MODIS第1、2波段和土壤濕度也有較好的相關關系。可見利用MODIS數據中第1～7波段的遙感資料與土壤水分實測數據，可以建立衛星遙感反演土壤水分模型，且所用MODIS遙感資料空間分辨率為500 m，能較精細地反映地市級尺度范圍土壤水分分布狀況。

1 資料和數據處理

選用2011—2012年MODIS(Terra衛星)白天遙感數據和相應時段渭南市土壤水分觀測資料，數據來源于渭南市氣象局資料室。土壤水分數據為渭南市白水縣、澄城縣、合陽縣、富平縣、蒲城縣、大荔縣、潼關縣、華陰市、華縣等氣象觀測站每旬逢8日觀測到的土壤相對濕度資料，采用方法為烘干法。MODIS數據為中國氣象局通過衛星廣播下發的0級數據(即PDS格式文件)。MODIS數據采用了人工土壤水分觀測日或觀測前后一日的晴空資料,數據接收處理采用衛星數據DVB-S廣播系統軟件，首先將接收的PDS文件預處理，得到MODIS數據的1B文件(即HDF文件)，然后對其進行太陽高度角訂正、去條紋處理和幾何校正，將105.38～111.95°E,31.67～39.8°N范圍內(包含渭南全市)第1～7波段數據進行投影處理。再利用ENVI4.5軟件中自帶的黑暗像元法進行大氣校正，并讀取土壤濕度觀測點所在像元的反射率值，分別與相應的土壤相對濕度實測數據相互匹配，根據MODIS第1、2波段數據計算歸一化植被指數(NDVI)，結果中出現的負值為受云和其他因素干擾的數據，將其剔除后得到139組有效樣本數據。將有效樣本數據按照NDVI進行排序，選取NDVI值≤0.25的數據作為低植被覆蓋樣本，進行各層人工土壤水分值與各波段值相關分析，選取相關系數高的波段，利用SPSS20.0軟件，與土壤水分實測值建立低植被覆蓋條件下的反演模型；選取NDVI值gt;0.25的數據作為髙植被覆蓋樣本，用同樣的方法建立高植被覆蓋條件下的反演模型。

2 相關分析與模型建立

分析低植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率的相關關系(見表1)，將相關系數在0.000水平(雙側)上顯著相關的MODIS第2、6、7波段反射率值與0～10 cm土壤水分進行線性回歸分析，得到方程

Yd10=123.206+0.108B2-0.334B6-0.148B7，

(1)

(1)式中，Yd10為低植被條件下0～10 cm土壤相對濕度，B2、B6、B7分別為MODIS衛星遙感資料第2、6、7波段反射率，回歸方程通過0.000水平顯著性檢驗。

表1 低植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率相關分析

注：*為通過0 .000水平檢驗。

分析高植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率的相關關系(見表2)，將相關系數在0.000水平(雙側)上顯著相關的MODIS第1、4、6、7波段反射率值與0～10 cm土壤水分進行線性回歸分析，得到方程

Yg10=110.917-0.942B1+0.445B4-0.039B6+0.119B7，

(2)

(2)式中，Yg10為高植被條件下0～10 cm土壤相對濕度，B1、B4、B6、B7分別為MODIS衛星遙感資料第1、4、6、7波段反射率數值，回歸方程通過0.000水平顯著性檢驗。

表2 高植被覆蓋條件下0～10 cm土壤水分與MODIS第1～7波段反射率相關分析

注：*為通過0 .000水平檢驗。

3 模型檢驗

2013年渭南出現歷史罕見的秋冬連旱，旱情嚴重。2014年1月9日田間調查顯示，市區已灌溉麥田墑情適宜，旱地麥田墑情明顯不足，0～10 cm土壤墑情普遍較差，相對濕度為30%～40%，土壤表層重度缺水。將2014年1月13日MODIS衛星遙感反演的0～10 cm土壤相對濕度按照氣象干旱等級標準[8]分級：相對濕度40%以下為重旱，40%～50%為中旱，50%～60%為輕旱，60%以上為無旱。結果顯示，全市中北部和南部塬區大部分地方出現重旱，與實際情況相符(見圖1)。

利用2014年5月21、26日兩個時次的遙感數據和相應時段的土壤水分數據，對模型進行定量檢驗(表3)，結果顯示，兩次反演結果的平均誤差為11%。根據中國氣象局綜合觀測司下發的自動土壤水分觀測規范規定：體積含水量平均絕對誤差≤5%，即可達到業務化應用。對渭南市而言，體積含水量平均絕對誤差為5%，對應的土壤相對濕度平均誤差為17%，因此模型可以在業務中應用。

圖1 2014年1月13日渭南市MODIS衛星遙感監測旱情反演圖

表3 2014年5月21、26日0～10 cm人工測墑與衛星遙感反演土壤相對濕度%

4 誤差分析

(1)人工土壤水分監測點所對應的遙感影像像元并非純凈像元，利用MODIS空間分辨率為500 m的數據所監測的一個點像元對應實際地物面積達到2 500 m2，在這樣一個大范圍地物中，往往有不同的地表景觀，根據遙感圖像所計算得到的土壤水分只是該區域的平均值，研究此類問題的相關學者已經證明，一個點像元的土壤含水量的變異系數很大[9]，因此存在誤差無法避免。

(2)研究中雖然對遙感數據采取黑暗像元法進行了大氣校正，但實際上無論哪種大氣校正都無法真正消除較為復雜的實際大氣狀況對遙感反演土壤水分的干擾。

(3)研究中采用的數據僅限于每旬人工逢8日數據，雖然持續積累了兩年的衛星數據和人工土壤水分數據，但受天氣、云量等影響，實際整理可用于研究的數據有限，也會對反演方程的建立產生影響。

5 結論

(1)利用MODIS衛星第1～7波段反射率數據，建立了渭南市土壤表層相對濕度遙感監測模型，經過檢驗可以開展土壤表層相對濕度面上的監測，且所用資料空間分辨率為500 m，遙感反演圖像較為精細，能夠滿足地市級一般業務服務需求。

(2)土壤水分的監測尤其是針對大面積農田土壤水分監測難度較大，MODIS數據具有高時間分辨率和高光譜分辨率的優勢，模型利用MODIS衛星每日過境的有利條件，只需要在晴空條件下，一景白日過境的MODIS衛星數據，可以實現對田間土壤墑情的快速判別，方便土壤墑情遙感監測業務化運行。

(3)研究中所用的土壤水分實測值通過固定點測量得來，對應的衛星反演結果反映的是測量點周圍500 m×500 m區域內土壤濕度的平均狀況，因此會給研究結果帶來誤差。加之遙感區域下墊面不均一，受混合像元的影響，也會帶來誤差，有待于進一步研究更好的訂正方法，提高遙感反演監測結果的精度。

[1] 李星敏，劉安麟，張樹譽，等.熱貫量法在干旱遙感監測中的應用研究[J].干旱地區農業研究，2005,23(1)：54-59.

[2] 劉麗，劉清，周穎，等.衛星遙感信息在貴州干旱監測中的應用[J].中國農業氣象，1999,20(3)：43-47.

[3] 梁蕓,張峰,韓濤. 利用EOS MODIS植被供水指數監測慶陽地區的土壤濕度[J].干旱氣象，2007,25(1)：44-47.

[4] 張樹譽,杜繼穩,景毅剛,等.陜西省干旱監測預測評估業務平臺[J].陜西氣象，2009(6)：32-33.

[5] 郭廣猛，趙冰茹.使用MODIS數據監測土壤濕度[J].土壤.2004,36(2)：219-221.

[6] 姚云軍，秦其明，趙少華，等.基于MODIS短波紅外光譜特征的土壤含水量反演[J].紅外與毫米波學報，2011,30(1)：9-14.

[7] 周秉榮，李鳳霞，申雙和，等.從MODIS 資料提取土壤濕度信息的主成分分析方法[J]. 應用氣象學報，2009，20(1)：114-118.

[8] GB/T 20481—2006 氣象干旱等級[S].北京：中國標準出版社，2006：4.

[9] 董小曼.基于MODIS數據的章丘市土壤含水量遙感反演研究[D].山東：山東師范大學, 2011：6-7.

許偉峰，尹貞鈐，范濤，等.基于MODIS數據的渭南市土壤水分反演研究[J].陜西氣象，2014(6)：28-31.

1006-4354(2014)06-0028-04

2014-06-27

許偉峰(1977—)，男，陜西韓城人，漢族，學士，工程師，從事農業氣象服務工作。

陜西省氣象局創新基金(2011M—37)

P407.6

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