使用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測土壤濕度

1、土壤 (Soils, 2004, 36 (2: 219221使用數(shù)據(jù)監(jiān)測土壤濕度郭廣猛趙冰茹( 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京 100101 MONITORING SOIL MOISTURE CONTENT WITH MODIS DATAGUO Guang-meng ZHAO Bing-ru(Institute of Geography Science and Natural Resource Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101摘要 土壤濕度是水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù)，目前使用遙感來監(jiān)測土壤濕度

2、主要用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和微波數(shù)據(jù)，使用MODIS 數(shù)據(jù)的研究還不多見。本文采用MODIS 數(shù)據(jù)，根據(jù)水的吸收率曲線提出使用中紅外波段來監(jiān)測土壤濕度。通過在內(nèi)蒙古地區(qū)的實(shí)地調(diào)查，回歸分析表明MODIS 第7波段的反射率與地面濕度之間有較好的線性關(guān)系，因此認(rèn)為使用MODIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積土壤濕度監(jiān)測是可行的。關(guān)鍵詞 MODIS；土壤濕度； 中圖分類號TP75土壤濕度是水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要參數(shù)。大面積土壤濕度的監(jiān)測是農(nóng)業(yè)水管理以及農(nóng)作物旱情預(yù)報(bào)的一個(gè)重要內(nèi)容，同時(shí)區(qū)域尺度乃至全球尺度的土壤信息是陸面過程模式研究必不可少的一個(gè)參量，對改善區(qū)域及全球氣候模式預(yù)報(bào)結(jié)果起著

3、重要的作用1。傳統(tǒng)的土壤濕度測量方法，主要是從有限的地面觀測點(diǎn)來測定土壤含水量，例如烘干法、中子法、TDR 法等2，因其采樣速度較慢且花費(fèi)的人力、物力較大，難以大范圍推廣應(yīng)用。氣象衛(wèi)星可以迅速、大面積、多時(shí)相地獲取地面信息，為土壤濕度監(jiān)測提供了一種新的手段，其中以NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)應(yīng)用最為廣泛35。目前比較成熟的方法有植被供水指數(shù)法、距平植被指數(shù)法、熱慣量法等。但這些方法在實(shí)際使用中，或需要有較長年代的資料積累，如植被供水指數(shù)法和距平植被指數(shù)法；或?qū)ΡO(jiān)測時(shí)的天氣條件有較高的要求，如熱慣量法需要衛(wèi)星兩次過境的數(shù)據(jù)以計(jì)算地面最高和最低溫度4。也有學(xué)者采用微波進(jìn)行了研究，用散射系數(shù)法估算水分，

4、但是該方法受地表粗糙度、植被覆蓋度以及數(shù)據(jù)成本高的限制，應(yīng)用于大范圍監(jiān)測不大現(xiàn)實(shí)6。數(shù)據(jù)介紹Terra 和Aqua 是兩顆比較新的衛(wèi)星，是由美國分別在1999年12月和2002年5月發(fā)射成功。兩顆衛(wèi)星上都搭載中分辨率成像光譜儀MODIS (MODerate- resolution Imaging Spectroradiometer，并且MODIS 數(shù)據(jù)對全球免費(fèi)播放。MODIS 具有36個(gè)波段（0.405 14.385 m 波長），擁有250 m、500 m、1000 m 的3個(gè)不同的空間分辨率，掃描寬度2330 km，只需2 3軌即可覆蓋全國7。兩顆衛(wèi)星配合可以獲得每天4次的高時(shí)間分辨率。目

5、前國內(nèi)監(jiān)測土壤含水量的研究幾乎全部集中在NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)和微波遙感上，使用MODIS 數(shù)據(jù)的報(bào)道還不多見。MODIS 不僅覆蓋了NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的全部波段，同時(shí)還擁有一些AVHRR 所不具備的波段，如12 m 通道。本文就是利用MODIS 新的數(shù)據(jù)波段，結(jié)合地面實(shí)測數(shù)據(jù)來計(jì)算土壤濕度。從水的吸收率曲線(圖1 可以看到，水在1.4 m ，2.0 m 附近存在有很高的吸收峰，如果土壤中水的含量很多，則在這些波長上土壤反射率應(yīng)該是低值，反之為高值8。TM 數(shù)據(jù)雖然具有1.55 1.75 um，2.08 2.35 um通道，但是其掃描范圍窄，時(shí)間分辨率低，不適合用作大面積的土壤含水量監(jiān)

6、測。2002年5 9月，內(nèi)蒙古草原勘察設(shè)計(jì)院對土壤濕度進(jìn)行了地面準(zhǔn)同步測量。MODIS 數(shù)據(jù)由中科院地理所MODIS 地220 土 壤 第36卷面站提供。本文選取MODIS 第7波段來計(jì)算含水率，其波長為2.105 2.135 m ，分辨率為500 m。 度信息進(jìn)行幾何校正，校正后的位置精度大約為0.5個(gè)像素，具體的校正方法參見文獻(xiàn)9。最后采用暗物體消減方法進(jìn)行粗略的大氣校正10。結(jié)果與討論地面調(diào)查主要在內(nèi)蒙古地區(qū)進(jìn)行，調(diào)查區(qū)范圍東經(jīng)112o 118o ，北緯42 o 45 o ，時(shí)間為2002年5 9月。采用便攜式中子探測儀測量土壤5 cm深度內(nèi)的濕度。從校正后的MODIS 數(shù)據(jù)中大致可以看

7、出，內(nèi)蒙古沙地部分反射率大約為0.35，華北農(nóng)田大約為0.08，海面約為0.008，反射率隨表面濕度增加有明顯下降趨勢。最后得到的有效數(shù)據(jù)53個(gè)，結(jié)果如圖2所示。采用最小二乘法擬合的公式為y = -0.7097x + 0.3524，R 2 = 0.72, F = 108.2。其中誤差在10 % 以內(nèi)的占29.6 %，20 %以內(nèi)的占64.8 %，30 %以內(nèi)的占79.6 %, 50 %以內(nèi)的占88.9 %。在5月13日的圖像中，在渾善達(dá)克沙地中任意選取243個(gè)像素，其第7波段反射率和歸一化植被指數(shù)NDVI 的關(guān)系如圖3所示。用直線擬合得到的公式為y = -0.4861 + 0.5775,R 2

8、 = 0.41, F = 167.8。從圖中可見，隨著反射率增加，土壤含水量逐漸減少，NDVI 值逐漸變小，反映出干旱地區(qū)植被受土壤含水量的控制較為明顯。 此次調(diào)查中，有64.8 %的數(shù)據(jù)誤差< 20 %，也有幾個(gè)異常數(shù)據(jù)誤差達(dá)到100 %，分析其原因如下:(1 遙感數(shù)據(jù)反映的是500 m × 500 m范圍內(nèi)平均的土壤含水量，地面調(diào)查得到的是幾個(gè)孤立的點(diǎn)，用幾個(gè)點(diǎn)的濕度數(shù)據(jù)代替一個(gè)面上的濕度會(huì)產(chǎn)生很大誤差。(2 地面調(diào)查測得的數(shù)據(jù)是地面5 cm以內(nèi)的濕度，而遙感反映的是地面表層的含水量，二者之間的關(guān)系還不明確。(3 在地表有植被時(shí)遙感反映的是植被冠層的含水量，由于“退耕還草”

9、措施的實(shí)施，調(diào)查區(qū)的植被恢復(fù)較好，造成一定誤差。(4 由于衛(wèi)星過境時(shí)間只有幾分鐘，而地面測量時(shí)間一般是在10:00 15:00時(shí)之間，時(shí)間不同步造成誤差。(5 使用粗略的大氣校正方法，不能精確地去除大氣影響。綜上所述，MODIS 第7波段可以反映出土壤含水量的變化，用于大面積、多時(shí)相的干旱監(jiān)測是可第2期 郭廣猛等：使用MODIS 數(shù)據(jù)監(jiān)測土壤濕度 221行的。MODIS 第6波段（1.628 1.652 m ）也位于水的吸收峰上，對于二者之間的關(guān)系還需做進(jìn)一步研究參考文獻(xiàn)1 高峰, 王介民, 孫成權(quán), 文軍, 微波遙感土壤濕度研究進(jìn)展. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2001, 16(2: 97 1022

10、 周凌云, 陳志雄, 李衛(wèi)民. TDR法測定土壤含水量的標(biāo) 34 定研究. 土壤學(xué)報(bào), 2003, 40 (1: 59 645張樹譽(yù), 趙杰明, 袁亞社, 李星敏. NOAA/AVHRR資料在陜西省干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 1998, 19 (5: 26 32 6 陳添宇, 姚志華, 用NOAA 衛(wèi)星資料監(jiān)測土壤濕度方法的探討. 甘肅氣象, 1997, 15 (3: 28 297 郭鈮, 陳添宇, 雷建勤, 楊蘭芳. 用NOAA 衛(wèi)星可見光和紅外資料估算甘肅省東部農(nóng)田區(qū)土壤濕度. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 1997, 8 (2: 212 2188 李建龍, 黃敬峰, 王秀珍. 草地遙感.

11、北京: 氣象出版社, 19979葛成輝, 劉闖, 美國對地觀測系統(tǒng)（EOS ）中分辨率成像光譜儀（MODIS ）遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)與應(yīng)用. 遙感信息, 2000, (3: 45 4810 日遙感研究會(huì)編 (劉勇衛(wèi), 賀雪鴻譯. 遙感精解. 北京: 測繪出版社, 199311 郭廣猛. 關(guān)于MODIS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的幾何校正方法. 遙感信息, 2002, (3: 26 2812 田慶久, 鄭蘭芬, 童慶禧. 基于遙感影像的大氣輻射校正和反射率反演方法, 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào). 1998, 9(4: 456 461* (上接第218頁COLLECTION AND SORTING OF SOIL SAMPLESCI

12、TED IN SOIL RESEARCH FINDINGSCAI Feng-qi CHEN Dong-feng(Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008Abstract This is the first time for the idea of “soil samples sited in soil research findings” to appear in papers. So the paper introduces in detail its term and connotation, and elaborates, significance, principle and procedure of collecting and sorting of the samples. The practice will then alter the situation that a written paper is the only fruit that is displayable in the study of s