土壤水分远程监测系统的净度研究
来源： http://www.soil17.net 更新时间：2013-3-26 10:08:45 阅读次
土壤水分遥感监测的精度检验有一定的难度。我们建立了两个土壤水分遥感监测模型：一个是NOAA/AVHRR数据模型，另一个是Landsat/TM数据模型。前者星下点地面分辨率为1.Ikm,定位误差就有1~2个象元，即使象元找对了，也很难定出该象元点的确切范围。因为象元点很大，包括很多田块，至少有几种覆盖类型，必须采集足够多的土壤水分样本才能代表一个象元的值。采集众多的样本又很难做到卫星过顶当天完成，因此，很难。用实时检验法准确检查NOAA/AVHRR模型精度。对于后一种模型，因为卫星重复周期为16夭，对于土壤水分的实时监测实用性较差。虽然地面分辨率较高（30m），但定位仍有一定难度。从分级彩色图来看，象元区集群成面，因此从分级图上很难做到天地点点对应检验。
就现有保存的NOAA/AVHRR数据和已采集的地面土壤水分样本年代多不一致，这也增加了检验精度的难度。
综上所述，我们这里只有根据现有资料和知识，分别情况，对土壤水分遥感监测的精度和可信度进行分析。
1 Landsat/TM数据模型的精度检验
我们购买1993年7月29日的Landsat/TM数据，并将数据输入土壤水分监测系统（按TM模型），经过运行输出阜康农区土壤水分分级图。o~10cm深分级标准为<5%,5一10%,10一15%,15一20%,20~25%,>25%,共6级。经成数估测，农区土壤含水量5一10%的占5.5成；10一15%的占2.5成；15~20%的占1.5成；20~25%的占0.5成。平均含水量约为11·00%。
1993年7月25~29日我们在阜康农区进行了采样分析，采集潮土、灌耕灰漠土、灌淤土、灌耕土、水稻土共98个样本。土壤样本含水量都按日蒸发模型校正为该年7月29日的数据。98个样本的土壤含水量平均值为9.20%。
土壤水分遥感监测阜康农区平均含水量（n.00%）与该区实测土壤平均含水量（9.2%）的绝对差值为1.80%,相对差值为19.56%。TM模型监测土壤水分的精度达到80.44%。
2 NOAA/AVHRR数据模型的精度检验
我们用1994年4月23日、6月23日、7月23日和8月12日NOAA/AVHRR数据输入土壤水分遥感监测系统（按AVHRR模型），经过运行输出昌吉州土壤水分分级图。
但是相近的可以参考类比的地面观测资料只有1992年6、7月阜康农区的土壤水分样本数据，1993年6、7、8月的草地样本数据。年代不一致，严格说来不可对比，但是我们考虑到相同季节和物候期，相近年代种植结构不会有多大变化，只要不是受突然降雨影响，农区墒情应该相近，天然草地土壤湿度也应相近，所以有参考类比价值。
2.1 1994年6月23日农区遥感监测精度检验
1992年6月23一25日，我们在阜康农区采集88个土壤水分样本。将它们都校正到6月23日的土壤水分含量。88个样本的平均含水量为8.77%。
1994年6月23日遥感监测的相应样区的土壤含水量为7.5%,与1992年6月23日实测数据相差1.27%,相对差值为14.98%,NOAA/AvHRR数据模型监测土壤水分的参考精度为85.52%。
2.2 1994年7月23日农区遥感监精度检验
1992年7月26一29日，我们在阜康农区采集86个土壤水分样本。将它们都按日蒸发模型校正到7月23日的土壤水分含量。86个样本的平均含水量为13.51%。
1994年7月23日遥感监测的相应样区的平均土壤含水量为12.5%,与1992年7月23日实测数据相差1.01%,相对差值为7.48%,NOAA/AVHRR数据模型估测土壤水分参考精度达到92.52%。
2.3 1994年6月23B草地土壤水分遥感监测精度
这里和新疆草原所于1993年6月份在阜康地区观测的资料相对比，因样本少（两个平均），年代不同，只能作参考。
用插入法将地面观测数据都校正到6月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.55%、4.2%、7.3%。
1994年6月23日遥感监测阜康地区草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.50%、3.5%、9.5%,与1993年6月23日实测数据分别相差0.05%、0.7%、2.2%,相对偏差分别为0.4%、20.0%、23·16%,监测这几种草地类型土壤水分的精度分别为99.6%、50.0%、76.54%。
2.4 1994年7月23日草地土壤水分遥感监测精度
用新疆草原所1993年7月份的地面观测资料进行对比。同样用插入法将观测数据都校正到7月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.67%、7.55%、8.8%。
1994年7月23日遥感监测阜康地区草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.38%、8.5%、11.0%,与1993年7月23日的实测数据分别相差0.29%、……95%、2.2%,相对偏差分别为2.3%、12·6%、25·O%,监测这几种草地土壤水分的精度分别为97.7%、87.4%、75.0%。
2.5 1994年8月12日草地土壤水分遥感监测精度
用新疆草原所19,3年8月份的地面观测资料进行对比。同样用插入法将观测数据都校正到8月12日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水吸分别为19.5%、10.2%、17.8%。
1994年8月12日遥感监测阜康地区草甸草原、荒漠草原、低地草甸的土壤含水量分别为17.5%、9.5%、17.5%,与1993年8月12日实测数据分别相差2.0%、0.7%、0.3%,相对偏差分别为10.3%、6.9%、1.9%.监测这几种类型草地的精度分别为89.7%、93.1%、98.1%。
3 遥感监测土壤水分和土壤水分的垂直分布规律相吻合
受地形、降水、气温、植被类型、土壤类型的影响，土壤水分含量具有较好的垂直地带性分布规律。在山区，一般冰雪带以下，上壤水分含量逐渐减少，到潜水溢出带，上壤水分有所增高。
1994年4、6、7、8月遥感监测的昌吉州土壤水分分级图都和上述规律相吻合。以1994年7月23日的土壤水分分级图为例，南部天山山区，海拔2500m以上高山带土壤含水量在20一25%,森林带、草甸带土壤含水量在15一20%,草原带土壤含水量为10一15%,平原荒漠土壤含水量为5一10%,低地草甸土壤含水量为10一15叼东北部北塔山地区也有类似的土壤水分垂直分布规律。
4 讨论
4.1 从上述遥感监测土壤水分数据和实测数据或不同年代相同物候期实测数据对比分析来看，遥感监测土壤水分的精度一般都超过80%,有的超过了90%。遥感监测土壤水分分级图与土壤水分垂直分布规律相吻合。
因此，土壤水分遥感监测模型与服务系统已达到合同要求，具有重要的实用价值。
4.2 遥感监测土壤水分分级图分级间隔为5%。遥感数据和实测土壤水分含量进行对比时，取其算术平均值。例如遥感土壤水分含量为10~15%级，其算术平均值为12.5%。严格讲，应该取加权平均值，但从图上无法识别出“权”。取算术平均值和实测数据对比，可能会引起精度偏差。
4.3 拿遥感监测土壤水分数据和不同年代相同物候期实测土壤水分数据相比也会引起精度偏差。尽管物候期相同，气温、降水、蒸发等因子变化不会太大，但总还有偶然性。例如曾发现1993年8月15日草甸草原、低地草甸实测土壤含水量0一10cm高于10一20cm1倍，说明是由降雨引起的。用这样的数据作标准检验不同年代遥感数据必然引起精度偏差。
4.4 NoAA/AvHRR象元覆盖面大，同级土壤水分斑块范围一般也很大，如果实测土壤水分样本太少，也会引起遥感监测土壤水分精度偏差。
4.5 土壤水分含量用重量百分比表示。农区土壤水分含量多在5一15%范围，荒漠草地土壤含水量多在10%以下，基数较低，所以相对偏差易出现高数值，这也是精度不易提高的一个原因。
就现有保存的NOAA/AVHRR数据和已采集的地面土壤水分样本年代多不一致，这也增加了检验精度的难度。
综上所述，我们这里只有根据现有资料和知识，分别情况，对土壤水分遥感监测的精度和可信度进行分析。
1 Landsat/TM数据模型的精度检验
我们购买1993年7月29日的Landsat/TM数据，并将数据输入土壤水分监测系统（按TM模型），经过运行输出阜康农区土壤水分分级图。o~10cm深分级标准为<5%,5一10%,10一15%,15一20%,20~25%,>25%,共6级。经成数估测，农区土壤含水量5一10%的占5.5成；10一15%的占2.5成；15~20%的占1.5成；20~25%的占0.5成。平均含水量约为11·00%。
1993年7月25~29日我们在阜康农区进行了采样分析，采集潮土、灌耕灰漠土、灌淤土、灌耕土、水稻土共98个样本。土壤样本含水量都按日蒸发模型校正为该年7月29日的数据。98个样本的土壤含水量平均值为9.20%。
土壤水分遥感监测阜康农区平均含水量（n.00%）与该区实测土壤平均含水量（9.2%）的绝对差值为1.80%,相对差值为19.56%。TM模型监测土壤水分的精度达到80.44%。
2 NOAA/AVHRR数据模型的精度检验
我们用1994年4月23日、6月23日、7月23日和8月12日NOAA/AVHRR数据输入土壤水分遥感监测系统（按AVHRR模型），经过运行输出昌吉州土壤水分分级图。
但是相近的可以参考类比的地面观测资料只有1992年6、7月阜康农区的土壤水分样本数据，1993年6、7、8月的草地样本数据。年代不一致，严格说来不可对比，但是我们考虑到相同季节和物候期，相近年代种植结构不会有多大变化，只要不是受突然降雨影响，农区墒情应该相近，天然草地土壤湿度也应相近，所以有参考类比价值。
2.1 1994年6月23日农区遥感监测精度检验
1992年6月23一25日，我们在阜康农区采集88个土壤水分样本。将它们都校正到6月23日的土壤水分含量。88个样本的平均含水量为8.77%。
1994年6月23日遥感监测的相应样区的土壤含水量为7.5%,与1992年6月23日实测数据相差1.27%,相对差值为14.98%,NOAA/AvHRR数据模型监测土壤水分的参考精度为85.52%。
2.2 1994年7月23日农区遥感监精度检验
1992年7月26一29日，我们在阜康农区采集86个土壤水分样本。将它们都按日蒸发模型校正到7月23日的土壤水分含量。86个样本的平均含水量为13.51%。
1994年7月23日遥感监测的相应样区的平均土壤含水量为12.5%,与1992年7月23日实测数据相差1.01%,相对差值为7.48%,NOAA/AVHRR数据模型估测土壤水分参考精度达到92.52%。
2.3 1994年6月23B草地土壤水分遥感监测精度
这里和新疆草原所于1993年6月份在阜康地区观测的资料相对比，因样本少（两个平均），年代不同，只能作参考。
用插入法将地面观测数据都校正到6月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.55%、4.2%、7.3%。
1994年6月23日遥感监测阜康地区草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.50%、3.5%、9.5%,与1993年6月23日实测数据分别相差0.05%、0.7%、2.2%,相对偏差分别为0.4%、20.0%、23·16%,监测这几种草地类型土壤水分的精度分别为99.6%、50.0%、76.54%。
2.4 1994年7月23日草地土壤水分遥感监测精度
用新疆草原所1993年7月份的地面观测资料进行对比。同样用插入法将观测数据都校正到7月23日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.67%、7.55%、8.8%。
1994年7月23日遥感监测阜康地区草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水量分别为12.38%、8.5%、11.0%,与1993年7月23日的实测数据分别相差0.29%、……95%、2.2%,相对偏差分别为2.3%、12·6%、25·O%,监测这几种草地土壤水分的精度分别为97.7%、87.4%、75.0%。
2.5 1994年8月12日草地土壤水分遥感监测精度
用新疆草原所19,3年8月份的地面观测资料进行对比。同样用插入法将观测数据都校正到8月12日的土壤含水量。草甸草原、平原荒漠、低地草甸的土壤含水吸分别为19.5%、10.2%、17.8%。
1994年8月12日遥感监测阜康地区草甸草原、荒漠草原、低地草甸的土壤含水量分别为17.5%、9.5%、17.5%,与1993年8月12日实测数据分别相差2.0%、0.7%、0.3%,相对偏差分别为10.3%、6.9%、1.9%.监测这几种类型草地的精度分别为89.7%、93.1%、98.1%。
3 遥感监测土壤水分和土壤水分的垂直分布规律相吻合
受地形、降水、气温、植被类型、土壤类型的影响，土壤水分含量具有较好的垂直地带性分布规律。在山区，一般冰雪带以下，上壤水分含量逐渐减少，到潜水溢出带，上壤水分有所增高。
1994年4、6、7、8月遥感监测的昌吉州土壤水分分级图都和上述规律相吻合。以1994年7月23日的土壤水分分级图为例，南部天山山区，海拔2500m以上高山带土壤含水量在20一25%,森林带、草甸带土壤含水量在15一20%,草原带土壤含水量为10一15%,平原荒漠土壤含水量为5一10%,低地草甸土壤含水量为10一15叼东北部北塔山地区也有类似的土壤水分垂直分布规律。
4 讨论
4.1 从上述遥感监测土壤水分数据和实测数据或不同年代相同物候期实测数据对比分析来看，遥感监测土壤水分的精度一般都超过80%,有的超过了90%。遥感监测土壤水分分级图与土壤水分垂直分布规律相吻合。
因此，土壤水分遥感监测模型与服务系统已达到合同要求，具有重要的实用价值。
4.2 遥感监测土壤水分分级图分级间隔为5%。遥感数据和实测土壤水分含量进行对比时，取其算术平均值。例如遥感土壤水分含量为10~15%级，其算术平均值为12.5%。严格讲，应该取加权平均值，但从图上无法识别出“权”。取算术平均值和实测数据对比，可能会引起精度偏差。
4.3 拿遥感监测土壤水分数据和不同年代相同物候期实测土壤水分数据相比也会引起精度偏差。尽管物候期相同，气温、降水、蒸发等因子变化不会太大，但总还有偶然性。例如曾发现1993年8月15日草甸草原、低地草甸实测土壤含水量0一10cm高于10一20cm1倍，说明是由降雨引起的。用这样的数据作标准检验不同年代遥感数据必然引起精度偏差。
4.4 NoAA/AvHRR象元覆盖面大，同级土壤水分斑块范围一般也很大，如果实测土壤水分样本太少，也会引起遥感监测土壤水分精度偏差。
4.5 土壤水分含量用重量百分比表示。农区土壤水分含量多在5一15%范围，荒漠草地土壤含水量多在10%以下，基数较低，所以相对偏差易出现高数值，这也是精度不易提高的一个原因。
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