毛乌素沙地去土壤水分监测系统的建设
来源： http://www.soil17.net 更新时间：2013-1-30 10:12:38 阅读次
水资源是制约中国，特别是北方干旱、半干旱地区农业生产最重要的因素之一，因此，开展土壤水分监测不仅具有较高的理论研究价值，而且对当地的农业生产实践也有重要的指导意义。传统土壤水分测量方法主要包括：称重法、电阻法、中子水分探测法、时域反射仪方法（TDR）以及频域反射仪法（FDR）等，但是由于采样点有限加之土壤水分空间变异性大，单点观测值很难代表大面积的状况，同时人力、物力的花费也较大。
因此，传统土壤水分测量方法难以满足实时、大范围土壤水分动态监测的需要。随着遥感技术的迅速发展，高分辨率、多波段、多时相和多角度的遥感信息能够综合反映下垫面的几何结构和水、热状况，真正实现“从点到面”的转换，因而使土壤水分遥感监测方法比传统方法具有明显的优越性。
目前国内外关于土壤水分监测已有大量研究成果。根据遥感光谱波段，可分为可见光和近红外遥感方法、热红外遥感方法与微波遥感方法。其中在可见光和近红外遥感方法方面，陈维英等用 NOAA-AVHRR距平植被指数，对中国 1992 年特大干旱进行了监测。莫伟华等应用 1995－2000 年的 NOAA 卫星遥感资料，以广西贵港市为例，通过计算典型代表区植被供水指数的平均值、最大值和最小值，确定了农田干旱指标。冯强等利用 1981－1994 年连续 504 旬的 NOAA-AVHRR8 km 分辨率的 NDVI 数据，以及对应时段全国 102 个农气观测站（0～20 cm）的旬土壤水分资料，建立了植被状态指数与土壤水分之间的统计模型，并应用于全国逐旬土壤水分的监测。詹志明等基于近红外光-短波红光特 征 空 间 ， 建 立 了 一 个 土 壤 水 分 遥 感 监 测 模 型（SMMRS），并利用野外实测的表层 0～5 cm 土壤水分和 0～20 cm 平均土壤水分进行验证，结果表明：基于近红外光-短波红光特征空间的土壤水分信息提取模型可以有效地对土壤水分进行监测。在热红外遥感方法方面，余涛等利用遥感图像获取地表真实热惯量，计算出土壤水分，并通过与地面观测数据的比较证明了该方法有较高的计算精度。Moran提出了作物缺水指数法，结合地气温差（地表温度与空气温度的差值）和植被指数对农田的土壤水分进行估算。齐述华等基于作物缺水指数法，将 Terra 卫星 MODIS 传感器 8 d 合成的地表温度产品和 16 d 合成的植被指数产品作为干旱评价指标，分析了中国 2000 年 4 月上旬和 5 月中旬的旱情，并用 120 个气象观测站收集的表层土壤水分评价了作物缺水指数作为干旱指标的可行性。王鹏新等提出了条件温度植被指数的概念，对陕西省关中平原地区和美国大平原南部地区的干旱进行了监测，结果表明：条件温度植被指数可以较好地监测研究区域的相对干旱程度，并用于干旱程度的空间变化特征研究。杨鹤松等以华北平原为研究区域，应用 MODIS 多时段卫星遥感数据，利用条件温度植被指数方法分析了研究区域 2003－2006 年每年 5 月上旬的旱情状况，并利用降水量和表层土壤水分数据对干旱监测结果进行验证。结果表明：条件温度植被指数与表层土壤水分具有较好的线性关系。毛克彪等在采用 MODIS 的植被指数 NDVI 对下垫面进行分类的基础上，结合 AMSR 数据，利用辐射传输方程得到土壤介电常数，通过建立土壤介电常数与土壤水分的关系式，计算出土壤水分。Pascale利用地面散射计数据和 SAR 数据建立了表层土壤水分的反演模型，并利用裸土表面实测的土壤水分数据进行了验证。
本文拟利用 NOAA-AVHRR 资料与常规气象数据，采用条件温度植被指数法，以地处毛乌素沙地腹地的乌审旗为例，建立了基于条件温度植被指数的 0～50 cm 土壤水分遥感估算模型，计算出 1982－1993 年乌审旗地区0～50 cm 土体各层土壤水分，并对乌审旗土壤水分状况的时空分布特征进行分析，为今后该地区水资源的合理利用以及相应的产业结构调整提供了科学依据。
本文以毛乌素沙地腹地——内蒙古乌审旗为例，利用 AVHRR 的植被指数 NDVI、地表温度 LST 以及常规气象和土壤水分观测数据，建立了基于条件温度植被指数的 0～50 cm 土体土壤水分的遥感估算模型，并且计算出1982－1993 年期间 0～50 cm 的各层土壤水分。结果如下：
1）从 1982 年到 1993 年，乌审旗逐年土壤水分变化量Δw 在-118～82 mm 之间。除 1986、1987、1991 以及1993 年外，其余年份乌审旗各地的年土壤水分变化量Δw都为正。乌审旗多年平均土壤水分的变化量Δw 是负值，约为-3.47 mm。
2）在 1982－1993 年期间，乌审旗平均土壤水分变化量Δw 的年际变化不大，基本在±50 mm 之间变动。
平均土壤水分变化量Δw 的年内波动也不大，基本在±10 mm 之间，且与降水量、植被生长及天气状况等有关。
3）根据乌审召土壤水分的实测值与模型估算值的比较，模型估算的平均绝对百分比误差为 14.77%，均方差为 77.54 mm。表明：基于条件温度植被指数的土壤水分遥感估算模型是可行的。
在计算土壤水分的时候，由于所用的土壤水分观测数据仅有毛乌素沙地的 3 个农业气象观测站，而且有些站点数据又不连续，给计算带来了一定的误差。另外，“干边”与“湿边”的确定方法也有待进一步改进。
因此，传统土壤水分测量方法难以满足实时、大范围土壤水分动态监测的需要。随着遥感技术的迅速发展，高分辨率、多波段、多时相和多角度的遥感信息能够综合反映下垫面的几何结构和水、热状况，真正实现“从点到面”的转换，因而使土壤水分遥感监测方法比传统方法具有明显的优越性。
目前国内外关于土壤水分监测已有大量研究成果。根据遥感光谱波段，可分为可见光和近红外遥感方法、热红外遥感方法与微波遥感方法。其中在可见光和近红外遥感方法方面，陈维英等用 NOAA-AVHRR距平植被指数，对中国 1992 年特大干旱进行了监测。莫伟华等应用 1995－2000 年的 NOAA 卫星遥感资料，以广西贵港市为例，通过计算典型代表区植被供水指数的平均值、最大值和最小值，确定了农田干旱指标。冯强等利用 1981－1994 年连续 504 旬的 NOAA-AVHRR8 km 分辨率的 NDVI 数据，以及对应时段全国 102 个农气观测站（0～20 cm）的旬土壤水分资料，建立了植被状态指数与土壤水分之间的统计模型，并应用于全国逐旬土壤水分的监测。詹志明等基于近红外光-短波红光特 征 空 间 ， 建 立 了 一 个 土 壤 水 分 遥 感 监 测 模 型（SMMRS），并利用野外实测的表层 0～5 cm 土壤水分和 0～20 cm 平均土壤水分进行验证，结果表明：基于近红外光-短波红光特征空间的土壤水分信息提取模型可以有效地对土壤水分进行监测。在热红外遥感方法方面，余涛等利用遥感图像获取地表真实热惯量，计算出土壤水分，并通过与地面观测数据的比较证明了该方法有较高的计算精度。Moran提出了作物缺水指数法，结合地气温差（地表温度与空气温度的差值）和植被指数对农田的土壤水分进行估算。齐述华等基于作物缺水指数法，将 Terra 卫星 MODIS 传感器 8 d 合成的地表温度产品和 16 d 合成的植被指数产品作为干旱评价指标，分析了中国 2000 年 4 月上旬和 5 月中旬的旱情，并用 120 个气象观测站收集的表层土壤水分评价了作物缺水指数作为干旱指标的可行性。王鹏新等提出了条件温度植被指数的概念，对陕西省关中平原地区和美国大平原南部地区的干旱进行了监测，结果表明：条件温度植被指数可以较好地监测研究区域的相对干旱程度，并用于干旱程度的空间变化特征研究。杨鹤松等以华北平原为研究区域，应用 MODIS 多时段卫星遥感数据，利用条件温度植被指数方法分析了研究区域 2003－2006 年每年 5 月上旬的旱情状况，并利用降水量和表层土壤水分数据对干旱监测结果进行验证。结果表明：条件温度植被指数与表层土壤水分具有较好的线性关系。毛克彪等在采用 MODIS 的植被指数 NDVI 对下垫面进行分类的基础上，结合 AMSR 数据，利用辐射传输方程得到土壤介电常数，通过建立土壤介电常数与土壤水分的关系式，计算出土壤水分。Pascale利用地面散射计数据和 SAR 数据建立了表层土壤水分的反演模型，并利用裸土表面实测的土壤水分数据进行了验证。
本文拟利用 NOAA-AVHRR 资料与常规气象数据，采用条件温度植被指数法，以地处毛乌素沙地腹地的乌审旗为例，建立了基于条件温度植被指数的 0～50 cm 土壤水分遥感估算模型，计算出 1982－1993 年乌审旗地区0～50 cm 土体各层土壤水分，并对乌审旗土壤水分状况的时空分布特征进行分析，为今后该地区水资源的合理利用以及相应的产业结构调整提供了科学依据。
本文以毛乌素沙地腹地——内蒙古乌审旗为例，利用 AVHRR 的植被指数 NDVI、地表温度 LST 以及常规气象和土壤水分观测数据，建立了基于条件温度植被指数的 0～50 cm 土体土壤水分的遥感估算模型，并且计算出1982－1993 年期间 0～50 cm 的各层土壤水分。结果如下：
1）从 1982 年到 1993 年，乌审旗逐年土壤水分变化量Δw 在-118～82 mm 之间。除 1986、1987、1991 以及1993 年外，其余年份乌审旗各地的年土壤水分变化量Δw都为正。乌审旗多年平均土壤水分的变化量Δw 是负值，约为-3.47 mm。
2）在 1982－1993 年期间，乌审旗平均土壤水分变化量Δw 的年际变化不大，基本在±50 mm 之间变动。
平均土壤水分变化量Δw 的年内波动也不大，基本在±10 mm 之间，且与降水量、植被生长及天气状况等有关。
3）根据乌审召土壤水分的实测值与模型估算值的比较，模型估算的平均绝对百分比误差为 14.77%，均方差为 77.54 mm。表明：基于条件温度植被指数的土壤水分遥感估算模型是可行的。
在计算土壤水分的时候，由于所用的土壤水分观测数据仅有毛乌素沙地的 3 个农业气象观测站，而且有些站点数据又不连续，给计算带来了一定的误差。另外，“干边”与“湿边”的确定方法也有待进一步改进。
下一篇:旱区农田土壤水分指标监测分析
搜索
产品目录