六章土壤遙感-課件

1、遙感地學分析土壤水分與干旱遙感監(jiān)測第一節(jié) 土壤類型遙感分析 第二節(jié) 土壤水分遙感第二節(jié) 干旱遙感監(jiān)測遙感地學分析土壤水分與干旱遙感監(jiān)測第一節(jié) 土壤類型遙感分析土壤類型的空間分布規(guī)律地帶性土壤隱域性土壤第一節(jié) 土壤類型遙感分析土壤類型的空間分布規(guī)律土壤類型決定性因素直接因素(土壤的光譜特征)土壤類型決定性因素間接因素地帶性氣候因素地貌因素地質(zhì)條件地形起狀特征間接因素案例分析 新疆南部的土壤遙感解譯中，根據(jù)影像劃分出山地、山前洪積扇、沖積平原、荒漠平原、片狀綠洲，線狀綠洲等地理單元，并進一步劃分了沿河、湖濱等地區(qū)，在此基礎上進行土壤解譯、制圖。與常規(guī)方法制作的土壤圖比較，內(nèi)容詳細得多。案例分析 新

2、疆南部的土壤遙感解譯中，根六章土壤遙感-課件六章土壤遙感-課件第二節(jié) 土壤水分遙感一、遙感數(shù)據(jù)中的土壤含水量信息1,可見光波段的土壤含水量信息 根據(jù)地物波譜的測定，在可見光部分干燥土壤的反射光譜比潮溫土壤的反射光譜平行抬高一段反射率。隨著含水量的多寡，抬高的距離大小不同。因此，早期遙感研究中有用可見光波段測定土壤含水量的嘗試。第二節(jié) 土壤水分遙感一、遙感數(shù)據(jù)中的土壤含水量信息 2, 近紅外波段的土壤含水量信息 近紅外波段對水的反映靈敏，水對近紅外光完全吸收。因此含水量高的土壤在近紅外波段上呈暗色調(diào)，地物波譜曲線不是平行降低，而是陡坡降低。因此早期與可見光波段同時使用推測土壤含水量。 2, 近紅

3、外波段的土壤含水量信息 3, 中紅外波段的土壤含水量信息 中紅外波段對高溫反應靈敏，是林火的探測波段。反之，土壤十分干燥時溫度較高，在中紅外遙感影像上有反映。也就是說，如果求土壤的干燥度時，用中紅外波段效果較好。 3, 中紅外波段的土壤含水量信息 4, 熱紅外波段的土壤含水量信息 熱紅外波段對常溫反映靈敏，土壤溫度與濕度關系密切，因此熱紅外遙感數(shù)據(jù)中也包含了土壤含水量的信息。 4, 熱紅外波段的土壤含水量信息 5, 微波波段上的土壤含水量信息 微波波段對水的反映極其靈敏，很薄的水層就可以屏蔽微波輻射。因此許多國內(nèi)外的學者都認為微波是探測土壤含水量最佳的波段。 馬藹乃等（2000）根據(jù)對各個波段

4、的研究，首先發(fā)現(xiàn)微波對水的反映極其靈敏，但是對土壤含水量的反映卻不十分靈敏。因為水面十分光滑的，而土面的粗糙度與微波波長十分接近，使得土壤含水量的信息強度被淹沒在粗糙度的信息強度之中。 5, 微波波段上的土壤含水量信息 二、表觀熱慣量的遙感信息模型 物體的熱慣量P是物體固有的屬性，它的表達式為： 式中k為熱傳導系數(shù)，為密度，為比熱容。因為熱傳導系數(shù)、密度、比熱容對一種物體來說是固定不變的，所以熱慣量也是地物的固有屬性。 二、表觀熱慣量的遙感信息模型 物體的熱慣量P是 土壤因為含水量的變化，使得熱傳導系數(shù)、密度、比熱容都發(fā)生變化，從而使得熱慣量變化，這是確定無疑的。但從遙感數(shù)據(jù)不可能直接提取出熱

5、慣量，也不可能直接提取熱傳導系數(shù)、密度、比熱容。 土壤因為含水量的變化，使得熱傳導系數(shù)、密度、比熱容都 地物在吸收短波太陽輻射后以長波的方式發(fā)射，地溫增高。白晝地物吸收太陽能量而增溫；夜間地物發(fā)射能量而減溫。地物晝夜的溫差就是地物熱慣量的表象。 例如水體，由于熱慣量大，晝夜溫差小；巖石熱慣量小，晝夜溫差大；各種含水量不同的土壤熱慣量介于水體與巖石的熱慣量之間，熱慣量的大小也介于水體與巖石的熱慣量之間。 地物在吸收短波太陽輻射后以長波的方式發(fā)射，地 遙感波段中可見光與近紅外中的全部太陽波譜的能量，減去地物在所有譜段內(nèi)的反照率能量，就產(chǎn)生晝夜溫差的能量。稱為表觀熱慣量遙感信息模型ATI： 式中A為

6、反照率，T為晝夜溫差，k，n為地理參數(shù)。A可由可見光與近紅外所有波段遙感數(shù)據(jù)之和求出，T為白晝熱紅外遙感數(shù)據(jù)減去夜間熱紅外遙感數(shù)據(jù)求出。ATI可以用水體在遙感影像上的數(shù)據(jù)為最大值，干沙沙漠的數(shù)據(jù)為最小值，從而求解k，n。 遙感波段中可見光與近紅外中的全部太陽波譜的能 撒哈拉沙漠、塔克拉瑪干沙漠、澳大利亞沙漠、北美沙漠與它們附近的水體所求解出來的k，n是不相同的，因為在上述公式中還有一些地理環(huán)境因素沒有考慮到，而被包括在其中了。 根據(jù)上式可以計算出表觀熱慣量的影像圖（ATI圖）。表觀熱慣量與真實熱慣量之間是正變的關系，前者是無量綱的相對值，后者是有量綱、有單位的物理量。真實熱慣量的單位是J/（m

7、2s1/2K）。兩者在數(shù)值上雖然不相等，但是表達的都是熱慣量。在遙感技術中，通常采用相對值來表示物理量。 撒哈拉沙漠、塔克拉瑪干沙漠、澳大利亞沙漠、北美 三、 表觀土壤含水量遙感信息模型 既然我們用表觀熱慣量替代了真實熱慣量，因此對于土壤含水量，也應該可以用表觀土壤含水量來替代真實土壤含水量?，F(xiàn)在給出表觀土壤含水量ASW的表達式： 三、 表觀土壤含水量遙感信息模型 既然我們 式中d為土壤顆粒粒徑，D為土壤土層厚度，s為土壤的密度，為水的密度。a0，a1，a2，的為地理參數(shù)。將土壤顆粒粒徑、土壤土層厚度、土壤密度內(nèi)插成影像化的圖像，與遙感圖像配準。在影像（ ）上或地面上（配準），確定最干燥的土壤

8、、最濕潤的土壤以及中等含水量的土壤，作為標準，求出地理參數(shù)a0，a1，a2 。由此求出的表觀土壤含水量ASW也是無量綱的相對值。 式中d為土壤顆粒粒徑，D為土壤土層厚度，s 上式的含義是表觀土壤含水量是表觀熱慣量的函數(shù)，是相對土壤密度的函數(shù)，也是相對土層厚度的函數(shù)。由于水的密度是1，所以土壤密度除以水的密度，該因子團成為無量綱相似準則。顆粒粒徑表示土壤的空隙度，土層厚度表示所測土壤含水量的深度范圍，顆粒粒徑除以土層厚度表示相對土層厚度，即土層有幾倍的粒徑厚度，也是無量綱因子團。由于世界各地的土壤種類不同，所處地理環(huán)境不同，所以a0，a1，a2各處是不同的，也是以圖像表示的。同樣地，表觀土壤含水

9、量也是虛擬的。 上式的含義是表觀土壤含水量是表觀熱慣量的函數(shù)，是四、真實土壤含水量與表觀土壤含水量 真實土壤含水量是在地面上實測的土壤含水量。實測土壤含水量在地面上的取樣面積只有幾平方厘米，遙感是監(jiān)測不到的。 遙感監(jiān)測土壤含水量是大面積范圍上的工作，往往用氣象衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，每1個像元是1km2的面積，地面上實測的土壤含水量根本無法與之比較。1km2上需要實測幾百個點的土壤含水量，取其均值，還要隨機統(tǒng)計方法正確，才能兩相比較。 四、真實土壤含水量與表觀土壤含水量 真實土壤 地面上實測的土壤含水量很難做到同步實測。某個點的含水量與相鄰點的含水量觀測時間往往相差幾個小時，甚至相差幾天。 遙感計算出來的

10、表觀土壤含水量是同一瞬間的，完全同步的。 地面上實測的土壤含水量很難做到同步實測。某個 土壤含水量是一個無量綱的百分含量（%），遙感數(shù)據(jù)也是無量綱的灰度，因此容易誤認為兩者既然都是無量綱的，可以直接進行統(tǒng)計分析。其實不然，土壤含水量是真實的物理量數(shù)據(jù)，而從遙感影像上求出的表觀土壤含水量是虛擬的相對數(shù)據(jù)。 既然不同，為什么可以用遙感計算出來的表觀土壤含水量來替代實測的土壤含水量呢? 土壤含水量是一個無量綱的百分含量（%），遙感數(shù)據(jù) 根據(jù)在極少數(shù)有可能對比的點上取到的實測土壤含水量資料的研究表明，遙感所計算的表觀土壤含水量與實測的土壤含水量成正變關系，即表觀土壤含水量大，實測的土壤含水量也大；表觀

11、土壤含水量小，實測的土壤含水量也小。正因為如此，所以上式是一個通用的表觀土壤含水量公式。其中沒有地形與植被的影響，可以認為該兩項因素已經(jīng)包括在a0里面了，這樣便于產(chǎn)業(yè)部門應用。 根據(jù)在極少數(shù)有可能對比的點上取到的實測土壤含水 如果把地形因素與植被因素也考慮進去，那么表觀土壤含水量的方程要復雜得多，即： 式中h為相對高程，H為絕對高程，sin為坡度，NDVI植被指數(shù)。 如果把地形因素與植被因素也考慮進去，那么表觀土壤第三節(jié) 干旱遙感監(jiān)測 我國每年都有干旱發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國各種受災面積中，旱災占61%，水災占24%，冰雹災占9%，霜凍災占6%。 為了合理使用水資源，有效地抗旱救災，必須迅速知

12、道那里受旱，程度如何，而衛(wèi)星遙感監(jiān)測是一種有效方法。 第三節(jié) 干旱遙感監(jiān)測 我國每年都有干旱發(fā)生。 一、干旱概念及干旱指標 1 干旱概念 通常干旱是指某地團長期沒有降水或降水顯著偏少造成空氣干燥、土壤缺水甚至干涸的現(xiàn)象。 一、干旱概念及干旱指標 1 干旱概念 通常 從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度看，干旱的發(fā)生是一個很復雜的過程，它受到多種因素的制約。首先是氣象因素，除了降水量以外，降水的強度、氣溫、光照、風速也在一定程度上影響干旱的強度。其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身的特點，這里有農(nóng)林牧結構、耕作制度、農(nóng)作物種類、生育時期以及耕作措施等等。此外還有某些自然地理條件，如土壤、水文、地形地貌等等；最后是社會經(jīng)濟條件，如灌溉

13、條件、保持土壤水分所需要的物質(zhì)條件等等。 從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度看，干旱的發(fā)生是一個很復雜的 2, 干旱指標 干旱指標是確定干旱是否發(fā)生以及發(fā)生干旱嚴重程度的一種量度。 干旱的原因比較復雜，除了降水量持續(xù)偏少外，還與作物對水分的要求，人類補充水分虧缺的能力以及土壤持水、保水等因素有關。因此，人們從各個方面來定義干旱，確定干旱的指標。 2, 干旱指標 干旱指標是確定干旱是否 世界氣象組織根據(jù)各國對干旱指標的研究，一共列出55個指標，這些指標可以概括為以下幾個類型： 同一個國家，不同的氣候區(qū)域也會有不同的標準。 降水； 降水與平均溫度比； 土壤水分和作物參數(shù)； 氣候指標和蒸散量估算； 綜合指標。 世界氣

14、象組織根據(jù)各國對干旱指標的研究，一共列出5 二、干旱遙感監(jiān)測方法 干旱沒有唯一的標準，可以從各個方面去定義，但都離不開水和植被。遙感監(jiān)測干旱也基于土壤水分和植被狀況。 對于裸地，衛(wèi)星遙感的重點是土壤含水量 對于有植被覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星遙感的重點是植被指數(shù)的變化及植被冠層蒸騰狀況的變化。 二、干旱遙感監(jiān)測方法 干旱沒有唯一的標準，可 1, 熱慣量法 熱慣量法主要用于裸露土壤。它是用熱紅外方法遙感濕度，基于熱傳導方程： 其中：為熱傳導度，Ca為熱容量，為土壤密度，Z為 土壤深度，t 為時間，T為土壤溫度 1, 熱慣量法 熱慣量法主要用于裸露土壤。 此熱傳導方程的邊界條件為： 其中，為日平均溫度，T0

15、為Ocm的地表溫度日較差，為角頻率 此熱傳導方程的邊界條件為： 解方程后，得到熱慣量表達式： 其中P為熱慣量，即衛(wèi)星間接遙感量，T0為每日最高溫度和最低溫度之差，人為全波段反照率，B為常數(shù)。 解方程后，得到熱慣量表達式： 通常用統(tǒng)計方法建立土壤水分遙感模型，但目前國內(nèi)建立的多是線性模型，而冪函數(shù)模型比線性模型好，因此它的物理意義與上述公式的數(shù)字表達式相一致，試驗結果表明擬合精度也比其它函數(shù)形式的擬合精度高，冪函數(shù)形式為： 式中，為土壤水分，是擬合系數(shù)（最小二乘法擬合），P是熱慣量。 通常用統(tǒng)計方法建立土壤水分遙感模型，但目前國內(nèi)建 2，植被指數(shù)法 植被長勢受到許多因素的影響。在干旱年份，水對植

16、被長勢起關鍵作用。水分虧缺，植被長勢不好，葉面積指數(shù)下降，葉子內(nèi)的葉綠素減少，它對太陽的近紅外光的反射能力降低，衛(wèi)星遙感得到的植被指數(shù)會明顯降低。以此來表明干旱程度，就是監(jiān)測干旱的植被指數(shù)法。 2，植被指數(shù)法 植被長勢受到許多因素的影 3, 植被供水指數(shù)法 熱慣量方法只對裸露土壤適用，因為在有植被覆蓋情況下，特別是在植被覆蓋度很高時，植被改變了土壤的熱傳導性質(zhì)，而旱災發(fā)生的季節(jié)，植被覆蓋率年往往很高。為了對高植被覆蓋區(qū)農(nóng)作物的旱災進行遙感監(jiān)測，中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心發(fā)展了“植被供水指數(shù)法”。 3, 植被供水指數(shù)法 熱慣量方法只對裸露土 其物理意義是： 當作物供水正常時，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)在

17、一定的生長期內(nèi)保持在一定的范圍，而衛(wèi)星遙感的作物冠層溫度也保持在一定的范圍內(nèi)； 如果遇到干旱，作物供水不足，一方面作物的生長受到影響，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)將降低，另一方面作物的冠層溫度將會升高，這是由于干旱造成的作物供水不足，作物沒有足夠的水供給葉子表面的蒸發(fā)（蒸發(fā)帶走熱量），被迫關閉一部分氣孔，致使植被冠層溫度升高。 其物理意義是： 當 植被供水指數(shù)的定義式為： VSWINDVIT5 這里T5是美國NOAA衛(wèi)星或我國FYl衛(wèi)星遙感到的作物冠層溫度。 植被供水指數(shù)的定義式為： 4, 距平植被指數(shù)法 為了監(jiān)測大范圍作物干旱，中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心還發(fā)展了距平植被指數(shù)法。它是用植被指數(shù)（NDVI

18、）多年的旬（月）平均值作為背景值，然后用作物受災旬或月的植被指數(shù)（NDVI）減去背景值。 4, 距平植被指數(shù)法 為了監(jiān)測大范圍作物干 求旬、月植被指數(shù)，每旬需30多條軌道衛(wèi)星資料，每月需90多條軌道衛(wèi)星資料，才能消去云的影響，監(jiān)測全國范圍的干旱。經(jīng)過進一步的工作，可以做出每旬的全國范圍具有國界省界標志的植被態(tài)勢圖像或數(shù)字打印圖，以供植被長勢干旱狀況分析判斷。對于中國，該圖范圍可為東經(jīng)74135，北緯1257，圖像空間分辨率約為6km。 求旬、月植被指數(shù)，每旬需30多條軌道衛(wèi)星資料，每旱情遙感監(jiān)測評估旱情遙感監(jiān)測評估 距平植被指數(shù) ： AVI=NDVIi-NDVI 式中，NDVIi為某一特定年某

19、一時期（ 如旬、月等）NDVI 的值， NDVI為多年該時期NDVI的平均值。 距平植被指數(shù) ： AVI 作為監(jiān)測干旱的一種方法，它以某一地點某一時期多年的NDVI 平均值為背景值，用當年該時期的NDVI 減去背景值，即可計算出AVI 的變化范圍，即NDVI 的正、負距平值。正距平反映植被生長較一般年份好，負距平表示植被生長較一般年份差。 AVI 作為監(jiān)測干旱的一種方法，它以某一地點某一 一般而言，距平植被指數(shù)為0.10.2表示旱情出現(xiàn)，0.30.6 表示旱情嚴重。對1992年河南省的旱情（大旱）研究后認為，在山區(qū)應用距平植被指數(shù)的效果比降水距平好，并認為是由于山區(qū)降水容易流失所致。 一般而言

20、，距平植被指數(shù)為0.10.2表示 5, 條件植被指數(shù) 條件植被指數(shù)（Vegetation Condition Index，VCI）： 式中， NDVIi為某一特定年第i 個時期的NDVI值，NDVImax和NDVImin分別代表所研究年限內(nèi)第i 個時期NDVI 的最大值和最小值。 VCI=（NDVIiNDVImax）/(NDVImax-NDVImin)*100 5, 條件植被指數(shù) 條件植被指數(shù)（Vegetatio 分母部分是在研究年限內(nèi)第i 個時期植被指數(shù)的最大值和最小值之差，它在一定意義上代表了NDVI 的最大變化范圍，反映了當?shù)刂脖坏纳常?分子部分在一定意義上表示了某一特定年第i個時期的當?shù)貧庀笮畔?，若NDVImax和NDVImin之間差值小，表示該時段作物長勢很差。 分母部分是在研究年限內(nèi)第i 個時期植被指數(shù)的最 有學者發(fā)現(xiàn)應用VCI 動態(tài)地監(jiān)測干旱的范圍及其邊界比應用其它方法如NDVI 和降水量的監(jiān)測更有效、更實用。同時認為NDVI 適用于研究大尺度范圍的氣候變異，而VCI 適用于估算區(qū)域級的干旱程度