攀枝花市烤煙土壤濕度空間分布反演研究

楊宇 余偉 馮文龍 謝檸枍 閆芳芳 張宗錦 李冰

摘要 [目的]為摸清攀枝花煙區土壤水分情況，以便為該區烤煙生產提供水分調控參考。[方法]結合2005—2010年該區氣象觀測點數據及2010年4—5月遙感監測數據，運用ArcGIS對攀枝花煙區的土壤濕度進行空間分布分析，并利用溫度植被干旱指數（TVDI）反演該區土壤濕度時空分布。[結果]從時間上看，2010年2月19—28日研究區土壤溫濕情況呈現較為干旱;從空間上看，仁和區總體上較鹽邊縣、米易縣干旱，鹽邊縣和米易縣個別鄉鎮具有地域差異性，紅寶鄉、格薩拉鄉、白坡鄉、麻隴鄉大部分煙季土壤呈現較為濕潤。[結論]總體上，用TVDI反演的土壤濕度時空分布特征與實際值較一致，從土壤水分角度考慮，攀枝花煙區在3月移栽烤煙較適宜，對于仁和區等相對干旱地區，建議推后移栽期，同時加大田間管理力度。

關鍵詞 植煙土壤;土壤濕度;空間分布;反演;溫度植被干旱指數（TVDI）;攀枝花市

中圖分類號 S 152.7? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）16-0067-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.16.019?? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on the Spatial Distribution Inversion of Soil Moisture in Flue-cured Tobacco in Panzhihua City

YANG Yu，YU Wei，FENG Wen-long et al （Panzhihua Branch of Sichuan Tobacco Corporation，Panzhihua，Sichuan 617099）

Abstract [Objective] To investigate the soil moisture conditions in Panzhihua tobacco area，in order to provide moisture control reference for flue-cured tobacco production in the area.[Method] Combining the meteorological observation point data of the area from 2005 to 2010 and the remote sensing monitoring data from April to May 2010，the spatial distribution of soil moisture in Panzhihua tobacco area was analyzed using ArcGIS，and the temperature and vegetation drought index （TVDI） was used to invert the temporal and spatial distribution of soil moisture in the area.[Result]In terms of time，the soil temperature and humidity in the study area was relatively dry from February 19 to 28，2010.From the perspective of space，Renhe District was generally drier than Yanbian County and Miyi County.Yanbian County and some towns in Miyi County had regional differences.Most of the tobacco season soils in Hongbao Township，Gsala Township，Baipo Township and Meilong Township were relatively moist.[Conclusion]In general，the spatial and temporal distribution characteristics of soil moisture inverted by TVDI are consistent with the actual value.Considering from the perspective of soil moisture，it is more appropriate to transplant flue-cured tobacco in Panzhihua tobacco area in March.For relatively dry areas such as Renhe area，it is suggested to delay the transplant period and strengthen field management.

Key words Tobacco planting soil;Soil humidity;Spatial distribution;Inversion;Temperature and vegetation drought index （TVDI）;Panzhihua City

土壤水分作為土壤的重要組成部分，不僅是植物生長發育的物質基礎，也是構成水循環、能量循環和生物地球化學循環的重要部分[1-2]。土壤濕度作為土壤水分存儲的重要方式，通過熱量傳輸能顯著影響農業墑情、土壤溫度、氣候和生態系統等，是研究土壤-植物-大氣系統中物質能量循環的重要指標[3-5]。目前，土壤濕度數據主要從站點觀測、氣象數據及基礎地理數據計算模擬、遙感反演3種途徑獲取，由于遙感技術能提供大尺度、較高精度的實時信息，通過遙感反演獲取土壤濕度信息受到較多學者關注[1，6-10]。Sandholt等[7]基于地表溫度（T s）與植被指數（NDVI）關系的經驗參數化，提出了溫度植被干旱指數（TVDI）用以反演土壤濕度;姚春生等[10]利用溫度植被干旱指數（TVDI）反演新疆8、9月的土壤濕度，反演結果與實測數據顯著相關;Zhang等[11]基于全球定位系統干涉反射測量（GPS&IR），將小波分析與多星融合估計模型結合，有效提高了反演精度;王純枝等[12]利用TVDI反演黃淮海平原冬小麥-夏玉米的土壤濕度，與實測值顯著相關且基本符合農作物生長規律和降雨分布。

目前針對遙感反演土壤濕度的研究多集中于研究反演波段的選擇及區域整體反演效果的評估，但不同反演模型普遍存在一定的不確定性如驅動數據誤差、模型參數與觀測數據的誤差、模型簡化的誤差等[6]，同一模型在不同地域下的反演效果也有差異，針對特定植被的土壤濕度反演研究也較少。攀枝花市作為西南地區優質烤煙生產區，烤煙種植范圍廣、年限久，受當地特殊氣候類型影響，氣候干燥，蒸發量大。而充足的土壤水分有利于提高烤煙光合能力和產質量[13]，目前攀枝花煙區的土壤水分情況仍不清楚，該研究旨在通過對攀枝花植煙土壤濕度的反演，了解當地植煙土壤水分狀況，以便提高植煙土壤水分利用率，為攀枝花煙區的管理提供水分調控依據。

1 材料與方法

1.1 數據來源

氣象站點觀測數據包括氣溫、降水量、日照時數，時間跨度為2005—2010年4、5月份數據;地圖數據為攀枝花行政區劃圖;遙感數據包括2010年4、5月份MODIS數據產品（MOD11A2和MOD13A2數據產品）、DEM地形數據。

MOD11A2是8 d合成空間分辨率為1 km的陸地表面溫度產品，包含白天地表溫度、夜間地表溫度、31和32波段通道發射率等資料。其地表溫度是通過建立31、32通道亮溫線性組合的劈窗算法計算獲取的，已知發射率的像素點陸地表面溫度的精度為1 K。

MOD13A2是16 d合成空間分辨率為1 km的植被指數產品，包含NDVI、EVI、紅光、近紅外、中紅外、藍光等波段反射率以及其他輔助信息。MOD13A2使用新的合成算法減小隨觀測角度的變化和太陽-目標-傳感器幾何學因素引起的變化。在生成植被指數格點資料時應用分子散射、臭氧吸收、氣溶膠訂正算法，用BRDF模式將觀測量訂正到天頂角。

1.2 數據處理 MODIS數據采用拼接、投影轉換、融合、裁剪;分析方法包括描述性統計、相關性分析、線性回歸、空間分析。

1.3 土壤水分遙感反演模型

目前，在利用遙感方法進行土壤水分的監測研究過程中，使用不同的遙感數據源建立起了各種各樣不同的遙感監測反演模型，并且都取得了大量的研究成果。在查閱和收集整理的國內外關于使用遙感定量反演土壤水分的各種研究資料的基礎上，總結已有的理論和方法，并結合當前遙感發展的最新的技術，選擇最合適的遙感反演模型和遙感數據。

許多研究學者在研究T S-NDVI的特征空間中發現有很多等值線，于是構建出了溫度植被干旱指數（temperature vegetation dryness index，TVDI）的理論。TVDI模型由植被指數和地表溫度2個參數計算得到，定義如下：

TVDI= T s-T s min T s max- T s min

= T s-（a 1+b 1 ×NDVI） （a 2+b 2 ×NDVI） -（a 1+b 1 ×NDVI）

式中， T s為某點的地表溫度;T s min為某一植被指數對應的濕邊擬合方程; T s max為某一植被指數對應的干邊擬合方程; a 1、b 1、a 2 和b 2 分別是干邊和濕邊擬合方程的系數。TVDI值為0～1，TVDI越大說明土壤濕度越小，TVDI越小說明土壤濕度越大。

TVDI理論反演土壤濕度的特點是：模型參數可由采用的遙感影像數據直接獲得，并且參數計算理論較為成熟，已被遙感定量計算所廣泛應用，可滿足在大尺度范圍內及高時間分辨率下的遙感監測的要求。同時TVDI與土壤濕度直接相關，與實測數據進行回歸分析便可建立遙感監測真實土壤濕度的應用模式。

1.4 軟件平臺 ①ArcGIS 10.0，數字化地圖、空間分析、信息提取、裁剪;②MODIS Reprojection Tool，數據拼接、投影轉換、融合、信息提取;③Microsoft Visual C++ 6.0，用于TVDI的計算編程;④SPSS 19.0，描述性統計分析、相關性分析;⑤Excel 2010，用于數據統計。

2 結果與分析

2.1 T s-NDVI特征空間 使用Visual C++編制程序，提取研究區域相同NDVI下的不同像元對應的所有溫度中的最大陸地表面溫度和最小陸地表面溫度，NDVI的精度為0.01，獲得2010年2月19日—6月10日每16 d的T s-NDVI特征空間（圖1）。

從T s-NDVI特征空間可以看出，每一期的特征空間的干邊和濕邊都具備相似的形狀，在NDVI大于某個值時，隨著NDVI的增大，陸地表面溫度最大值在減小，同時陸地表面溫度的最小值在升高，且陸地表面溫度的最大值、最小值與NDVI呈近似線性關系。這里可以看出，如果將濕邊描述成與NDVI軸平行的直線會給結果帶來一定誤差，因此對濕邊進行線性擬合是合理的。從時間上看，特征空間的干邊和濕邊形狀有所變化，陸地表面溫度最大值在逐漸降低，陸地表面溫度最小值也在降低。從圖1可以看出，干邊方程擬合度均達到0.8以上;而隨著時間的變化，雨季的到來，最低溫度變化較大，故2010年4月23日后的濕邊方程擬合度不是很高。

2.2 土壤濕度空間分布特征

根據公式，利用干邊和濕邊方程，分別計算不同時間各像元的TVDI值，以TVDI值作為不同土壤濕度分級指標，將土壤濕度劃分為5級，分別是極濕潤（0≤TVDI≤0.2）、濕潤（0.2

2010年2月19日—3月6日，攀枝花大部分區域TVDI值>0.6，土壤表現為干旱，濕潤的區域分布在紅寶鄉、國勝鄉、格薩拉鄉、白坡鄉、麻隴鄉等。3月7—22日，濕潤區域有所擴大，極干旱區域減少，土壤濕度整體趨勢趨向于適宜。3月23日—4月7日，攀枝花各區縣均有極干旱區域分布，只有溫泉鄉、國勝鄉、紅寶鄉等極少數鄉鎮土壤較為濕潤，整體趨向為干旱—極干旱。4月8—23日，干旱區域主要集中在仁和區、鹽邊縣的中部以及米易縣的東部，土壤較為濕潤的區域主要分布在鹽邊縣和米易縣。4月24日—5月9日，攀枝花土壤情況整體趨向是適宜—干旱。5月10—25日，TVDI值主要位于0、2.0～0.6，攀枝花土壤情況整體趨向是濕潤—適宜。5月26日—6月10日，隨著雨季的到來，攀枝花土壤趨勢轉向為極濕潤—濕潤。

3 小結

綜合土壤濕度分布圖，可以看出攀枝花市2010年2月19日—6月10日土壤濕度分布特征：

（1）3月以前，研究區土壤溫濕情況呈現較為干旱;3月7—22日，由于少量降水，適宜煙苗移栽;3月23日—4月7日，整體較為干旱;4月8日后，土壤溫濕適宜的區域逐漸擴大;5月下旬，雨季到來，土壤較為濕潤。

（2）從空間上看，仁和區總體上較鹽邊縣、米易縣干旱，因此在煙苗移栽期的選擇上需因時制宜，建議推后移栽期，同時加大田間管理力度。鹽邊縣和米易縣個別鄉鎮具有地域差異性，紅寶鄉、格薩拉鄉、白坡鄉、麻隴鄉大部分煙季土壤呈現較為濕潤—適宜，在田間管理上可以改良灌溉措施，節約資源。

參考文獻

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