遙感地學(xué)分析第4章土壤遙感

遙感地學(xué)分析第四章土壤遙感第四章土壤遙感第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.1土壤輻射傳輸1.2土壤反射光譜特征1.3土壤反射光譜特征影響因素1.4我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型第二節(jié)土壤光譜遙感最佳波段第三節(jié)土壤干旱遙感監(jiān)測(cè)第四節(jié)土壤侵蝕遙感調(diào)查

第四章土壤遙感土壤是覆蓋地球表面的具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的資源，能夠?yàn)橹参锷L(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)成分、水和自然支撐，是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈相互作用的產(chǎn)物。土壤遙感是應(yīng)用遙感手段研究土壤科學(xué)的技術(shù)。根據(jù)電磁波輻射原理，通過(guò)各種傳感器遠(yuǎn)距離接收土壤反射或發(fā)射的電磁波譜信號(hào)，經(jīng)加工處理后，得到能直接識(shí)別的圖像或供電子計(jì)算機(jī)處理的電子數(shù)據(jù)，通過(guò)分析這些圖像和數(shù)據(jù)可以掌握土壤特性、土壤類型、分布規(guī)律和利用現(xiàn)狀，從而繪制土壤圖，計(jì)算土壤類型分布面積。第四章土壤遙感土壤遙感能對(duì)某些土壤性狀、水分含量、養(yǎng)分供應(yīng)狀況，以及對(duì)土壤鹽漬化、沼澤化、風(fēng)沙化、水土流失、土壤污染等變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為合理開發(fā)、利用與管理土壤資源及時(shí)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律

1、土壤反射光譜特征1.1土壤的輻射傳輸土壤是由固體、液體、和氣體組成的三相系統(tǒng)，其中固相顆粒是組成土壤的物質(zhì)基礎(chǔ)。固相顆粒的排列方式、孔隙數(shù)量和大小以及團(tuán)聚體的數(shù)量和大小等決定了土壤結(jié)構(gòu)。電磁輻射在土壤中與土壤顆粒、水分等發(fā)生碰撞，并在土壤孔隙中傳輸，被吸收或散射，最后從土壤表層反射并被傳感器接收。這一過(guò)程與土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，土壤結(jié)構(gòu)的不同將導(dǎo)致土壤中多次散射次數(shù)、散射方向性、后向散射能量大小的差異。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤反射光譜特征土壤是巖礦的風(fēng)化產(chǎn)物，其主要物質(zhì)組成與巖礦一脈相承，因而土壤和巖礦的光譜反射特性在整體上基本一致：即反射率從可見光的短波段起隨波長(zhǎng)的增加而逐漸抬升。但土壤是巖礦經(jīng)歷不同的風(fēng)化過(guò)程，又是在不同的生物氣候因子和人類長(zhǎng)期耕作活動(dòng)的共同作用下形成的，因此，土壤類別是多種多樣的，其光譜反射特性也必然相應(yīng)地發(fā)生許多變化。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.3土壤反射光譜特征的影響因素土壤是一種極其復(fù)雜的多孔體系，由不同含量的礦物質(zhì)、水分、氣體和土壤有機(jī)質(zhì)組成。土壤反射率由土壤的組成成分及其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在的散射和吸收性質(zhì)決定。土壤反射光譜受土壤地球化學(xué)（礦物成分、濕度、有機(jī)質(zhì)、氧化鐵含量、土壤結(jié)殼等），幾何光學(xué)散射（幾何、照明、微粒形狀、大小、方位、粗糙度）以及外部環(huán)境（氣候、風(fēng)化程度、植被覆蓋度、落葉）等因素的影響。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.3土壤反射光譜特征的影響因素其中土壤有機(jī)質(zhì)、氧化鐵和水分含量、土壤質(zhì)地、土壤母質(zhì)等性狀均明顯地隨地理分布的差異而不同。因此，土壤光譜的反射特性也必然會(huì)隨土壤地理的分布規(guī)律和土壤剖面而發(fā)生變異。1.3.1土壤組分的影響土壤由固相（礦物質(zhì)：原生礦物和次生礦物；有機(jī)質(zhì)：有機(jī)氮、脂肪、碳水化合物、糖類等），液相（土壤水分或溶液）和氣相（土壤空氣）三相物質(zhì)有機(jī)組成。按容積計(jì)，礦物質(zhì)占38-45%，有機(jī)質(zhì)占5-12%，孔隙約占50%；按重量計(jì)，礦物質(zhì)的固相占90%以上，有機(jī)質(zhì)占1-10%對(duì)土壤光譜影響較大的組分包括土壤水分、有機(jī)質(zhì)、氧化鐵。1.3.1土壤組分的影響1）土壤水分含量對(duì)土壤光譜的影響土壤水分是土壤的重要組分，不僅是植物生活必需物質(zhì)，且是土壤系統(tǒng)中物質(zhì)與能量的流動(dòng)介質(zhì)。土壤水分來(lái)源于大氣降水、地下水、灌溉水和大氣凝結(jié)水；損耗于土壤蒸發(fā)、植物吸收、植物蒸騰和水的滲漏與徑流。通常給定地區(qū)，土壤特性中的土壤水分隨時(shí)間和空間的變化最大。因此，一定時(shí)間內(nèi)，土壤的反射率主要隨土壤粗糙度和土壤水分含量的變化而變化。1.3.1土壤組分的影響1）土壤水分含量對(duì)土壤光譜的影響土壤水分即土壤濕度。一般情況下，土壤水分含量與反射率呈反比，甚至可以認(rèn)為土壤水分含量與反射率之間在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。由于各種土壤的持水能力有差異，導(dǎo)致反射率變化對(duì)應(yīng)于濕度變化的靈敏度范圍也不同。一般含水量在10%～25%,反射率變化顯著。而持水性差的土壤,其靈敏度范圍可能小于10%。當(dāng)超過(guò)田間持水量時(shí),由于土壤表面膜水層形成鏡面反射,反而會(huì)提高反射率。1.3.1土壤組分的影響1）土壤水分含量對(duì)土壤光譜的影響在土壤光譜曲線中，1.45um和1.95um兩個(gè)波段處有兩個(gè)強(qiáng)吸收谷；在0.97um、1.2um與1.77um處有三個(gè)弱吸收谷都是土壤水分子振動(dòng)的倍頻或合頻引起的。1.3.1土壤組分的影響1）土壤水分含量對(duì)土壤光譜的影響總體講：隨著土壤含水量的提高，任意波長(zhǎng)的反射率均會(huì)降低，而且其差異隨波長(zhǎng)的增加而加大；但當(dāng)土壤含水量超過(guò)田間持水量時(shí)，由于土壤表面膜水層形成鏡面反射，反而會(huì)提高反射率。因此,盡可能應(yīng)用近紅外波段來(lái)估計(jì)土壤水分含量。2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜的影響土壤礦物成分是土壤固相物質(zhì)之一，是土壤的主要組成物質(zhì)，構(gòu)成了土壤的“骨骼”。土壤礦物質(zhì)基本來(lái)自巖石風(fēng)化形成的成土母質(zhì)，對(duì)土壤的形成與土壤肥力的發(fā)展有重要影響。主體元素：O，Si，Al，F(xiàn)e，Ca，Na，K，Mg，Ti主要礦物（地質(zhì)作用所形成的天然單質(zhì)或化合物

）：石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石、輝石、方解石、赤鐵礦、磷灰石、以及蒙脫石、高嶺石和伊利石礦物的化學(xué)組成、物理特性、風(fēng)化難易程度和風(fēng)化產(chǎn)物的差異，都深刻影響土壤性質(zhì)。1.3.1土壤組分的影響2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜的影響巖石、礦物在350-2500nm光譜范圍內(nèi)的吸收和反射機(jī)理吸收：原子內(nèi)部呈離散能量狀態(tài)，導(dǎo)致電子存在于各自軌道上。當(dāng)電磁波照射到處于低能級(jí)狀態(tài)的原子上時(shí)，其能量的一部分會(huì)被吸收，造成能級(jí)提高，使電子向上一級(jí)軌道移動(dòng)反射：當(dāng)電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，就會(huì)輻射出一定波長(zhǎng)的電磁波1.3.1土壤組分的影響2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜的影響巖石、礦物在350-2500nm光譜范圍內(nèi)的吸收和反射機(jī)理可見光區(qū)的光譜主要由土壤成分中的Fe3+和Fe2+引起。Fe2+吸收波長(zhǎng)位于0.43、0.45、0.51、0.55和1.0——1.1umFe3+吸收波長(zhǎng)位于0.40、0.45、0.49、0.70、0.87um1.3.1土壤組分的影響2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜的影響巖石、礦物在350-2500nm光譜范圍內(nèi)的吸收和反射機(jī)理近紅外的反射和吸收是油分子與晶格的振動(dòng)引起，是由土壤成分中的H2O、OH-和和CO32+等離子基團(tuán)的倍頻或合頻引起。水的倍頻和合頻兩個(gè)特征譜帶是：1.4和1.9um土壤中次生黏土礦物層間的結(jié)合水（OH-）在2.2um（高嶺石）和2.3um（蒙脫石）出現(xiàn)吸收峰CO32+的倍頻或合頻出現(xiàn)在2.35和2.55um1.3.1土壤組分的影響2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜影響典型成土礦物的（0.4-2.5um）光譜特性高嶺類礦物：2.2um處有極強(qiáng)的鋁配位的羥基譜帶，1.4um極強(qiáng)的OH-吸收帶，1.9um較弱的H2O吸收帶，因其無(wú)層間水和膨脹性差的特征。2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜影響典型成土礦物的（0.4-2.5um）光譜特性蒙脫石類礦物：最強(qiáng)的1.9um水吸收帶，相對(duì)較弱的1.4um和2.2um的吸收，因富含層間水最多，膨脹性和吸濕性強(qiáng)的特征。2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜影響典型成土礦物的（0.4-2.5um）光譜特性蛭石：1.4和1.9um處具有寬口“V”形強(qiáng)吸收帶，易于蒙脫石混淆，需輔以其他光譜特征識(shí)別，如2.2um和2.3um較弱吸收等2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜影響典型成土礦物的（0.4-2.5um）光譜特性伊利石：反射光譜特殊，羥基等水譜帶特征幾乎看不出，與云母的定向排列和測(cè)量光束的取向作用有關(guān)，是云母類礦物光譜的主要特征。在2.2um有較強(qiáng)吸收，在1.4和1.9um僅有淺窄的凹形吸收口。低反射，譜線斜率基本一致而區(qū)別于其他礦物。2）土壤礦物成分對(duì)土壤光譜影響典型成土礦物的（0.4-2.5um）光譜特性區(qū)別礦物的二八或三八面體：二八面體在2.2um呈由三價(jià)鋁離子配位的OH-吸收譜帶；三八面體在2.3um呈由二價(jià)鎂離子配位的OH-吸收譜帶3）氧化鐵含量對(duì)土壤光譜影響土壤中的部分含鐵礦物被風(fēng)化為鐵的氧化物，如針鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦，它們均以膠體狀態(tài)覆于土壤顆粒表面。土壤在可見光波段的許多吸收特征都是鐵氧化物引起，鐵氧化物的存在導(dǎo)致土壤在整個(gè)波段范圍的反射率下降。由于土壤中鐵大量存在，幾乎所有土壤的光譜反射率都朝著藍(lán)波段方向下降，這種下降甚至可擴(kuò)展至紫外。1.3.1土壤組分的影響3）氧化鐵含量對(duì)土壤光譜的影響一般而言，0.62-0.72um和0.82-0.92um，土壤反射率與氧化鐵含量多少呈正相關(guān)；在1.55—1.75um，2.08-2.32um波段呈負(fù)相關(guān)。。1.3.1土壤組分的影響3）氧化鐵含量對(duì)土壤光譜影響土壤氧化鐵含量增加時(shí)，可見光與近紅外部分吸收增強(qiáng)，由于在0.5-0.72um波段的吸收增強(qiáng)幅度不大，因此土壤出現(xiàn)黃紅色。旱作土壤中，氧化鐵隨結(jié)晶體水的多少不同而表現(xiàn)出不同顏色：當(dāng)土壤處于還原狀態(tài)時(shí)，土壤呈現(xiàn)出藍(lán)綠、灰藍(lán)色；當(dāng)土壤處于氧化狀態(tài)時(shí)，土壤呈紅、黃色。氧化鐵與有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤的光譜特性的影響都發(fā)生在可見光和近紅外波段，因此，定量區(qū)分有機(jī)質(zhì)和氧化鐵對(duì)光譜反射率的貢獻(xiàn)難度較大。1.3.1土壤組分的影響1.3.1土壤組分的影響4）有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤光譜的影響土壤中有機(jī)質(zhì)指土壤中動(dòng)植物殘?bào)w和微生物體及其分解和合成的物質(zhì)。動(dòng)植物殘?bào)w及其分解產(chǎn)物占有機(jī)質(zhì)總量的10%-50%；土壤腐殖質(zhì)占土壤有機(jī)質(zhì)的85%-90%。4）有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤光譜的影響就同一類型的土壤而言,有機(jī)質(zhì)含量的高低與土壤顏色的深淺有直接關(guān)系。有機(jī)質(zhì)含量高時(shí),土壤呈深褐色至黑色;有機(jī)質(zhì)含量低時(shí)土壤呈淺褐色至灰色。通常顏色愈深的土壤,其光譜反射率愈低,而其相對(duì)肥力則愈高。1.3.1土壤組分的影響1.3.1土壤組分的影響4）有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤光譜的影響有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤光譜的影響主要在可見光波段，在近紅外波段的影響顯著減小。對(duì)有機(jī)質(zhì)比較敏感的波段為0.5-1.2um；一般在0.4-2.5um波長(zhǎng)范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與其反射率成反比，有機(jī)質(zhì)導(dǎo)致整個(gè)波段土壤反射率下降；有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)2%時(shí)，其引起的土壤反射率下降可能掩蓋其他成分的光譜特性；有機(jī)質(zhì)超過(guò)90%后，影響范圍不再增長(zhǎng)。1.3.1土壤組分的影響4）有機(jī)質(zhì)含量對(duì)土壤光譜的影響有兩個(gè)光譜特征指標(biāo)比較有機(jī)質(zhì)含量的高低:

其一是0.4～1.1um(特別是620～660nm)平均反射率的高低。有機(jī)質(zhì)含量越高,反射率越低;其二是光譜曲線在0.6um

處的形態(tài),即0.6um處光譜曲線的“弓曲差”的大小。有機(jī)質(zhì)含量越高,“弓曲差”越小,曲線越平直。反之亦然。在含量0.5%～5%

時(shí),估測(cè)精度較高?？梢姽夂徒t外是土壤有機(jī)質(zhì)分類的最重要波段。1.3.2土壤物理屬性的影響土壤的物理性質(zhì)包括：顏色、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、松緊度、干濕度、孔隙度等1.3.2土壤物理屬性的影響1）土壤質(zhì)地和黏粒含量對(duì)對(duì)土壤光譜的影響土壤質(zhì)地指土壤顆粒的大小、粗細(xì)及其匹配狀況。土壤質(zhì)地一般分為沙土、壤土和黏土。土壤質(zhì)地影響反射率的原因：影響土壤蓄水能力，較大顆粒之間能容納更多的空氣和水；土壤顆粒大小對(duì)土壤反射率有顯著影響，顆粒越小，彼此的結(jié)合越緊密，土壤表面越光滑，反射率越大1）土壤質(zhì)地和黏粒含量對(duì)對(duì)土壤光譜的影響但是，土壤質(zhì)地對(duì)反射光譜的影響不僅與不同粒徑組合及表面狀況(糙度和陰影)有關(guān),而且與不同粒徑的化學(xué)組成也密切相關(guān)。因此,不能籠統(tǒng)地說(shuō),土壤顆粒越細(xì),反射率越高。因?yàn)楫?dāng)顆粒細(xì)至黏粒時(shí),土壤持水能力增加,反而會(huì)降低反射率。1.3.2土壤物理屬性的影響1）土壤質(zhì)地和黏粒含量對(duì)對(duì)土壤光譜的影響但是,有一點(diǎn)可肯定,即不同粒徑土壤的光譜差異隨波長(zhǎng)的增加而變大,波長(zhǎng)由2.2um增大到2.65um時(shí)，土壤對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收至少增加14.6%?？捎?.2～2.65um

光譜段來(lái)區(qū)別土壤質(zhì)地差異。利用土壤黏粒在常溫下風(fēng)干后依然能吸附水分的持水特性,可以應(yīng)用反射光譜1.9um

處水分吸收峰的強(qiáng)弱來(lái)估計(jì)土壤中黏粒含量的多少。黏粒含量越高,該波長(zhǎng)上的吸收峰越強(qiáng),反射率越低。1.3.2土壤物理屬性的影響2）土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土壤光譜的影響土壤在自然界不是以單個(gè)顆粒的形式存在，而是以顆粒黏結(jié)成一定的結(jié)構(gòu)，如田間普遍存在的團(tuán)聚體形式。土壤結(jié)構(gòu)指土壤顆粒之間的膠結(jié)、接觸關(guān)系。土壤結(jié)構(gòu)有團(tuán)粒狀、塊狀、核狀、柱狀、棱狀、片狀結(jié)構(gòu)等。粒徑為0.45-2.5um的結(jié)構(gòu)體由于孔隙而產(chǎn)生光的“險(xiǎn)井”，也被稱為“微陰影”，陰影存在導(dǎo)致其反射率降低。1.3.2土壤物理屬性的影響3）土壤松緊度、孔隙度和土壤干濕度對(duì)土壤光譜的影響土壤松緊度指土壤松疏和緊實(shí)的程度，分為很松、疏松、稍緊實(shí)、緊實(shí)、堅(jiān)實(shí)。土壤孔隙度指土壤孔隙的多少，決定著土壤的通氣透水特性，影響著土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和溫度狀況。土壤孔隙度大小決定土壤中空氣含量的變化。土壤的松緊度越松、土壤孔隙度越大，土壤的光譜反射率越低。1.3.2土壤物理屬性的影響我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型戴昌達(dá)等

(1981)測(cè)定了我國(guó)23類主要土壤類型(包括100個(gè)樣品)的反射光譜曲線,所用儀器為DMR-22型分光光度計(jì),其波長(zhǎng)范圍在0.36～2.5um之間。根據(jù)測(cè)得的100條土壤反射光譜曲線的形狀特征和斜率變化情況,將它們歸納為以下四種:平直型、緩斜型、陡坎型和波浪型四大類（圖1)。圖1四大類土壤的反射光譜反射曲線我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型凡有機(jī)質(zhì)含量高、顏色深暗的土壤多形成平直形曲線，尤其在可見光波段，斜率小而穩(wěn)定，基本上呈一條與X軸有一個(gè)夾角不大的近似直線。在進(jìn)入紅外波段后，曲線稍有抬升和下降，但變幅一般也不大。云南騰沖的泥炭土是就屬于這一類型。這種泥炭土有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)70％，其光譜反射率很低，在0.36μm處為4.9％，在0.62μm處也僅有7.3％，這段的斜率僅為0.009；在0.6μm~0.80μm處斜率增至0.015。我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型火山灰土也具有平直形曲線。整條曲線的位置及在可見光波段的斜率都與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。采自騰沖火山地區(qū)的4個(gè)樣品，其有機(jī)質(zhì)含量分別為37.5%，21.8％，19.2％和11.3％。其曲線位置一條高于一條（上圖）。在0.8μm以前的斜率也隨之稍有增加，分別為0.013~0.028，0.032~0.037，0.038~0.046，0.042~0.059。我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型火山灰土耕墾后自然植被消失，原來(lái)土壤中的生物積累過(guò)程中斷，在當(dāng)?shù)厮疅釛l件作用下，有機(jī)物質(zhì)迅速分解消耗，土壤剖面形態(tài)結(jié)構(gòu)與土色漸趨于紅壤類型。這種發(fā)展變化趨勢(shì)在光譜曲線的形狀特征上也反映出來(lái)。在0.45μm處出現(xiàn)較明顯的小凸面，斜率顯著增高，達(dá)0.137，超出一般火山灰土一倍以上，這些都意味著其已具有向紅壤類陡坎型曲線過(guò)渡的性質(zhì)。我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型水耕熟化形成的水稻土是我國(guó)分布范圍遼闊、具有獨(dú)特發(fā)生屬性與形態(tài)結(jié)構(gòu)的耕作土壤，光譜曲線屬緩斜型（見圖1曲線2）。其主要特征是：自光譜的紫光端向紅光端緩緩抬升，形成一條斜線；在0.45μm或0.62μm附近可能出現(xiàn)程度不等的小波折，這段的斜率一般在0.10上下，明顯高出上述平直型；在0.62μm和0.9μm之后反射率上升趨緩形成兩個(gè)拐點(diǎn)，這是士壤中含有一定量鐵離子的反映。

值得指出的是，采自不同地區(qū)相隔千里的水稻土只要水分條件、發(fā)育程度相似，測(cè)得的曲線就十分相近。

例如分別采自湖北云夢(mèng)與云南騰沖地區(qū)的水稻土，都屬?zèng)_積淤積母質(zhì)發(fā)育的潴育性〔草甸土起源）水稻土，兩條曲線的形狀和斜率變化相當(dāng)一致。采自騰沖地區(qū)的分屬三個(gè)不同亞類的水稻土，由于水分條件與發(fā)育階段的差異，曲線形狀就出現(xiàn)較大差別。

我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型南方濕熱條件下發(fā)育的紅壤形成陡坎型曲線（見圖1曲線3)。主要特征是在可見光區(qū)曲線陡峻，斜率劇增。但斜率增高程度不等，形成幾個(gè)波折。一般在0.45μm附近出現(xiàn)小凸面；至0.48μm處轉(zhuǎn)為小凹?。?.48μm以后曲線急劇上升，斜率顯著增高，幾乎成為垂直于x軸的直線，形似陡坎；至0.62μm，曲線稍趨緩和；0.74μm以后，斜率進(jìn)一步下降；進(jìn)入紅外波段后，一般在0.9μm，1.1μm，1.4μm，1.9μm和2.2μm附近有程度不等的吸收谷，最后曲線緩緩降至2.5μm測(cè)定終端。根據(jù)某些典型礦物光譜反射特性測(cè)定資料推斷：0.45μm~0.48μm的吸收帶、0.52μm~0.58μm的反射峰，都系土壤中含相當(dāng)數(shù)量的赤鐵礦、褐鐵礦與游離高價(jià)鐵等所致；紅外波段的幾個(gè)吸收谷則主要與高嶺類粘土礦物中所含OH-有關(guān)。我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型南方濕熱地區(qū)另兩類重要土壤一一黃壤和磚紅壤，其光譜曲線雖與紅壤類同屬陡坎型，但彼此又有些明顯差異。磚紅壤曲線位置（上圖曲線227）整體偏低，特別是在0.52μm之前，曲線低而平緩，斜率不超過(guò)0.04，比黃壤、紅壤都低。0.52μm以后迅速升高，0.54μm~0.58μm段斜率猛增到0.205，比0.52μm~0.54μm的0.11增高近一倍，比0.48μm~0.52μm的0.033增高近6倍。

我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型黃壤類的（曲線245）特征與磚紅壤相反，在0.45μm之前比紅壤還陡，斜率達(dá)0.112表明黃壤中鐵的含量比紅壤和磚紅壤低；0.48μm以后，斜率進(jìn)一步提高。0.48μm~0.52μm達(dá)0.17。0.52μm~0.54μm更增至0.205，超過(guò)紅壤和磚紅壤；自0.541μm，以后，曲線開始趨緩，0.54μm~0.58μm斜率降為0.143，比紅壤、磚紅壤都低這表明黃壤中所含的特征礦物以含結(jié)晶水的針鐵礦和褐鐵礦占優(yōu)勢(shì)，而紅壤、磚紅壤則以赤鐵礦為主要成分。因?yàn)獒樿F礦和褐鐵礦的光譜反射比最大變幅出現(xiàn)在0.5μm~0.54μm波段，赤鐵礦則在0.554μm~0.596μm波段。我國(guó)土壤反射光譜曲線的基本類型干早荒漠地區(qū)土壤（如棕漠土、灰鈣土等）的光譜反射曲線別具一格，一般約在0.6μm之前普遍高于其他各類土壤，也較陡峻（見圖1曲線4)，斜率達(dá)0.1左右，以后斜率就急劇下降，有時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，形成一條近似與X軸平行的似波浪起伏的曲線，故稱之為波浪型。其波谷一般較寬，且較淺平。2.0μm之后反射率常降低不多，甚至略有增高，呈翹尾巴態(tài)，使這類曲線的特征更趨鮮明。形成這種曲線的機(jī)理，可能是土壤中含有高量硫酸鹽和碳酸鹽以及含K，Na，Ca和Mg等堿基元素的濛脫類粘土礦物所致

。總的來(lái)說(shuō):土壤光譜反射特性的差異與變化都取決于土壤的組成與表面狀態(tài)，其中最為重要的是腐殖質(zhì)含量。含量愈高，反射率愈低，光譜的曲線愈趨低平，這是總的規(guī)律。但應(yīng)注意腐殖質(zhì)的組分如胡敏酸、富里酸等之間的光譜特性差異頗大，對(duì)土壤光譜特性的影響也就有所不同。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律例如：某些森林土壤形成的腐殖質(zhì)常以淺色的富里酸為主要組分，其光譜反射率就比以暗黑色胡敏酸占優(yōu)勢(shì)的草原植被下發(fā)育的土壤光譜反射率高。當(dāng)土壤中含高量的碳酸鹽、可溶鹽和硅等淺色礦物質(zhì)時(shí)，必會(huì)大大提高其反射率，并出現(xiàn)明顯的CO32-、SO42-等特征譜帶的影響；鋁鐵與硅之比很高的紅壤類土壤則將明顯降低藍(lán)紫光區(qū)的反射率而大大提高橙紅光區(qū)的反射率，井出現(xiàn)Fe3-特征譜帶的影響。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律此外，土壤濕度對(duì)反射特性的巨大影響絕對(duì)不能忽視：今尚未獲得土壤含水量與土壤光譜反射率之間確定的函數(shù)關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果常因所取土壤類別不同、樣品制備與測(cè)試方法的差異等而不完全一致。當(dāng)土壤含水量超過(guò)凋萎系數(shù)而未達(dá)到最大田間持水量時(shí)，土壤光譜反射率隨含水量增高而下降，兩者呈負(fù)相關(guān)。特別是在近紅外波段，更是如此。但是當(dāng)含水量進(jìn)一步增加，超過(guò)最大田間持水量或降低到小于凋萎系數(shù)時(shí)，則反射率趨于穩(wěn)定，變化幅度明顯減小，甚至在可見光區(qū)還可能出現(xiàn)倒置現(xiàn)象。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律土壤的機(jī)械組成即質(zhì)地與表面狀況對(duì)光譜反射率也有明顯影響。從近年成為遙感基礎(chǔ)研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一的不連續(xù)不均勻的表面反射理論考慮。兩者之間的定量關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，尚待深入研究。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律最后還需指出：土壤光譜反射特性與巖礦一樣受環(huán)境因素影響很大，室內(nèi)外測(cè)試結(jié)果往往有很大差異；而且在自然界，土壤常為自然植被或栽種植物所覆蓋，欲從空中獲得主要反映土壤光譜特性的數(shù)據(jù)，必須選擇合適的無(wú)植被或少植被覆蓋的季節(jié)進(jìn)行遙感成像。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤熱紅外特性土壤的熱紅外和微波輻射、散射特性與巖礦有許多類似之處，但由于土壤是疏松的有機(jī)和無(wú)機(jī)復(fù)合體，固、液、氣三相共存，成分多樣，且處于相互消長(zhǎng)、快速多變之中，故更為復(fù)雜。

第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤熱紅外特性從使用FTIR(傅立葉紅外光譜儀)測(cè)定的大量土壤樣品在2.5μm~14μm的反射光譜曲線經(jīng)過(guò)換算得出熱紅外區(qū)的比輻射率可以看出，不同土壤類型有一些差異，但不大；另一方面，不同土壤類型，特別是不同質(zhì)地及不同有機(jī)質(zhì)含量，因而具有不同水分物理特性的土壤，其吸熱增溫、放熱降溫和熱儲(chǔ)存、熱傳導(dǎo)過(guò)程都會(huì)有所不同，使得土壤的熱特性復(fù)雜多變。

第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤熱紅外特性張仁華在禹城遙感實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期試驗(yàn)中，深入分析土壤紅外發(fā)射率與土表溫度和含水量等多要素之間的復(fù)雜關(guān)系，取得可喜進(jìn)展。推導(dǎo)出了土壤水分的紅外遙感模型，首先驗(yàn)證了土壤含水量高低是引起兩塊土地表面溫度在凌晨和午后不一致的主要因子；論證了僅利用土地表面日溫差(Tmax-Tmix)這個(gè)簡(jiǎn)單的溫差模型來(lái)衡量土壤含水量存在不確切和不完善之處，并提出了改進(jìn)的相對(duì)溫差模型

。

K是系數(shù)，與天氣狀況、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、空氣溫度、濕度、季節(jié)和土壤類型等有關(guān)。既考慮到土壤熱通量所造成的溫度日振幅，又反映了每日地表熱量收入。根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料算出適合當(dāng)?shù)厍闆r的K值。這使溫差與含水量的相關(guān)系數(shù)從簡(jiǎn)單溫差模型的0.6提高到了0.9。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律4.2土壤熱紅外特性張仁華還進(jìn)一步分析了國(guó)際上比較流行的Price表觀熱慣量模型未能考慮潛熱通量和顯熱通量對(duì)熱慣量數(shù)據(jù)的干擾，從而影響土壤水分定量測(cè)算精度的缺陷，提出了充分利用熱紅外輻射的二維分布信息和干濕兩點(diǎn)的地面定標(biāo)方法，來(lái)改進(jìn)熱慣量模型。其表達(dá)式為：式中：下標(biāo)j為一幅熱慣量圖中的像元編號(hào)；下標(biāo)i為從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻中的地表熱量各分量的變化階段編號(hào)；Pj為第j像元的熱慣量；Rωj和εij分別為j像元在i時(shí)刻的凈輻射通量和在一幅熱圖像中的最熱像元和j像元的顯熱值比；Wθ和Wj為這幅熱圖像中最干和最濕定標(biāo)像元的土壤含水量：Wj為j像元的土壤含水量；LEω為i時(shí)刻最濕定標(biāo)像元的潛熱通量；Δτ為時(shí)間步長(zhǎng)；T1和T2分別為起始時(shí)刻t1和終了時(shí)刻t2的地表溫度。感熱通量,即感熱通量，物體在加熱或冷卻過(guò)程中，溫度升高或降低而不改變其原有相態(tài)所需吸收或放出的熱量通量，是由于湍流運(yùn)動(dòng)從地面向大氣傳輸?shù)臒崃客俊?/p>

潛熱通量，由于水汽相變向大氣傳輸?shù)臒崃客俊５谝还?jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤熱紅外特性這樣就有可能結(jié)合兩個(gè)定標(biāo)像元的實(shí)測(cè)值，應(yīng)用熱紅外遙感數(shù)據(jù)，把土壤熱慣量較確切地推算出來(lái)。

再根據(jù)土壤含水量W與土壤熱慣量關(guān)系(接近直線方程)，即：就可得出有一定可信度的土壤含水量。

這將是熱紅外遙感的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.2土壤熱紅外特性運(yùn)用熱慣量推算土壤水分含量的深度可達(dá)到土壤溫度沒(méi)有日變化的深度。但需指出，在自然界，特別是作為重要農(nóng)區(qū)的沖積大平原，影響土壤水分運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)馁|(zhì)地剖面構(gòu)型復(fù)雜多變，同時(shí)土壤上常被不同植被類型或處于不同發(fā)育階段的植被覆蓋，這些變化多樣的因素都會(huì)影響遙感土壤含水量的精度，均有待進(jìn)一步深入研究，以便盡快實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)用化。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.3土壤微波輻射、散射特性土壤的微波輻射特性，與土壤含水量有很大關(guān)系。根據(jù)肖金凱的初步研究，不論何種土壤類型，在105℃烘干狀態(tài)下，其介電常數(shù)均在5左右，加水之后，介電常數(shù)近線性上升，不同類型土壤，上升幅度稍有差異，表明土壤的介電常數(shù)主要由土壤含水量決定，與土壤成分和性質(zhì)有一定關(guān)系但不是很大。第一節(jié)土壤波譜特征及其變化規(guī)律1.3土壤微波輻射、散射特性影響土壤微波后向散射系數(shù)的另兩個(gè)重要因素是表層土粒粗細(xì)與土壤結(jié)構(gòu)狀況。土粒粗細(xì)以機(jī)械組成即質(zhì)地表征，這個(gè)因素比較穩(wěn)定。土壤結(jié)構(gòu)狀況在農(nóng)區(qū)將隨耕作管理等措施而變化，不過(guò)對(duì)于使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的雷達(dá)遙感而言，結(jié)構(gòu)變化幅度一般不超過(guò)表面粗糙度判據(jù)范圍，這時(shí)可忽略不計(jì)。第二節(jié)土壤光譜遙感最佳波段已有的研究表明：450nm

波段的光譜值與土壤水分含量有關(guān);500～640nm

波段與土壤中的氧化鐵有關(guān);620～660nm

波段與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)。Stoner等認(rèn)為750～1300nm

波段的反射率低,是與土壤中含大量的鐵和黏重的質(zhì)地有關(guān)。第二節(jié)土壤光譜遙感最佳波段戴昌達(dá)認(rèn)為600～680nm波段是土壤遙感的最佳波段。徐彬彬等在研究寧蕪地區(qū)土壤遙感資料之后,初步確認(rèn)宜于土壤遙感的最佳工作波段組合為400～500,580～690,730～800,820～920,1080～1200,1540～1700,2050～2300nm。王昌佐等對(duì)自然狀況下裸土表層含水量的高光譜遙感研究,得出1950～2250nm波段的光譜反射率估測(cè)土壤含水量效果較好。EtienneMuller(2000)認(rèn)為P波段(波長(zhǎng)68cm)對(duì)土壤水分監(jiān)測(cè)效果顯著。第三節(jié)土壤干旱遙感監(jiān)測(cè)

我國(guó)每年都有干旱發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)各種受災(zāi)面積中，旱災(zāi)占61%，水災(zāi)占24%，冰雹災(zāi)占9%，霜凍災(zāi)占6%。為了合理使用水資源，有效地抗旱救災(zāi)，必須迅速知道那里受旱，程度如何，而衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)是一種有效方法。一、干旱概念及干旱指標(biāo)1干旱概念通常干旱是指某地團(tuán)長(zhǎng)期沒(méi)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。從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的角度看，干旱的發(fā)生是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)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(qiáng)度、氣溫、光照、風(fēng)速也在一定程度上影響干旱的強(qiáng)度。其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身的特點(diǎn)，這里有農(nóng)林牧結(jié)構(gòu)、耕作制度、農(nóng)作物種類、生育時(shí)期以及耕作措施等等。此外還有某些自然地理?xiàng)l件，如土壤、水文、地形地貌等等；最后是社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，如灌溉條件、保持土壤水分所需要的物質(zhì)條件等等。

2,干旱指標(biāo)

干旱指標(biāo)是確定干旱是否發(fā)生以及發(fā)生干旱嚴(yán)重程度的一種量度。

干旱的原因比較復(fù)雜，除了降水量持續(xù)偏少外，還與作物對(duì)水分的要求，人類補(bǔ)充水分虧缺的能力以及土壤持水、保水等因素有關(guān)。因此，人們從各個(gè)方面來(lái)定義干旱，確定干旱的指標(biāo)。干旱監(jiān)測(cè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：

1、反映農(nóng)業(yè)水分供應(yīng)狀況的物理量，如降水量、水分供求差、帕默爾指數(shù)等來(lái)評(píng)估干旱程度；2、反映作物生長(zhǎng)與水分利用關(guān)系的物理量，如相對(duì)蒸散、水分虧缺量、作物水分應(yīng)力指數(shù)等來(lái)判斷水分虧缺的程度；3、土壤水分二、干旱遙感監(jiān)測(cè)方法干旱沒(méi)有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，可以從各個(gè)方面去定義，但都離不開水和植被。遙感監(jiān)測(cè)干旱也基于土壤水分和植被狀況。

對(duì)于裸地，衛(wèi)星遙感的重點(diǎn)是土壤含水量對(duì)于有植被覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星遙感的重點(diǎn)是植被指數(shù)的變化及植被冠層蒸騰狀況的變化。干旱遙感監(jiān)測(cè)研究始于20世紀(jì)60年代,隨著地面遙感、雷達(dá)遙感和衛(wèi)星遙感、微波遙感等多種遙感手段的增加,基于NOAA/AVHRR、LandsatTM、MODIS等遙感資料的遙感熱慣量方法、作物缺水指數(shù)法、植被指數(shù)法等監(jiān)測(cè)方法日益完善。同時(shí)隨著GIS、GPS集成與應(yīng)用技術(shù)的日益成熟,大面積旱情遙感監(jiān)測(cè)的可行性和使用精度也大大提高。二、干旱遙感監(jiān)測(cè)方法1）熱慣量法由于系統(tǒng)本身有一定的熱容量，系統(tǒng)傳熱介質(zhì)具有一定的導(dǎo)熱能力，所以當(dāng)系統(tǒng)被加熱或冷卻時(shí)，系統(tǒng)溫度上升或下降往往需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，這種性質(zhì)成為系統(tǒng)的熱慣量(Thermalinertia)。系統(tǒng)的熱容量與材料的比熱容和體積有關(guān)，傳熱介質(zhì)的傳熱能力用熱阻表示。系統(tǒng)的熱容量越大，它的熱慣量越大；介質(zhì)的熱阻越大，系統(tǒng)的熱慣量也越大。1）熱慣量法式中k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ為密度，γ為比熱容。因?yàn)闊醾鲗?dǎo)系數(shù)、密度、比熱容對(duì)一種物體來(lái)說(shuō)是固定不變的，所以熱慣量也是地物的固有屬性。熱慣量的表達(dá)式為：土壤因?yàn)楹康淖兓沟脽醾鲗?dǎo)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(wú)疑的。但從遙感數(shù)據(jù)不可能直接提取出熱慣量，也不可能直接提取熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、比熱容。

因此，必須建立熱慣量P的遙感信息模型。地物在吸收短波太陽(yáng)輻射后以長(zhǎng)波的方式發(fā)射，地溫增高。白晝地物吸收太陽(yáng)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。

1,熱慣量法

熱慣量法是在裸土或低植被覆蓋土地的能量平衡方程基礎(chǔ)上,對(duì)土壤表層水分進(jìn)行定量反演的一種方法。主要用于裸露土壤。同一類土壤,含水量越高,熱慣量就越大,由此確定干旱災(zāi)情的程度。此熱傳導(dǎo)方程的邊界條件為：

其中，為日平均溫度，ΔT0為0cm的地表溫度日較差，ω為角頻率（地球自轉(zhuǎn)角速度）其中：λ為熱傳導(dǎo)度，Ca為熱容量，ρ為土壤密度，Z為土壤深度，t為時(shí)間，T為土壤溫度它是用熱紅外方法遙感濕度，基于熱傳導(dǎo)方程：

解方程后，得到熱慣量表達(dá)式：

其中P為熱慣量，即衛(wèi)星間接遙感量，ΔT0為每日最高溫度和最低溫度之差，A為全波段反照率，B為常數(shù)。熱慣量P與土壤水分含量Sw關(guān)系:目前建立的熱慣量與土壤水分含量之間的函數(shù)關(guān)系都是基于統(tǒng)計(jì)方法，且國(guó)內(nèi)目前建立的多是線性模型，而冪函數(shù)模型比線性模型好，試驗(yàn)結(jié)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。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),通常使用表觀熱慣量(ATI)

來(lái)代替真實(shí)熱慣量(P),這是因?yàn)殡SP的增大表觀熱慣量是單調(diào)上升，其計(jì)算公式如下：ATI=(1-ABE)/ΔT

式中，ATI為表觀熱慣量，ABE為反照度，是地物全波段的反射比，為地物波長(zhǎng)從0到∞的反射比。ΔT

為地物晝夜溫差。

1,熱慣量法–ATI表觀熱慣量

(1）ATI值的大小反映地物熱慣量P的相對(duì)大小。ATI值大，P也大；ATI值小，P也小。

(2)在日周期內(nèi)，如果不同地物所吸收的太陽(yáng)能量相同，即(1-A)相同，那么熱慣量大的地物晝夜溫差ΔT小，熱慣量小的地物晝夜溫差ΔT大。如果不要求測(cè)量熱慣量的絕對(duì)值，只要相對(duì)大小，則只需要測(cè)出各種地物的A和ΔT，計(jì)算(1-A)/ΔT值，并編碼顯示，就可以得到一張表觀熱慣量圖。

1,熱慣量法

–ATI表觀熱慣量ATI=(1-ABE)/ΔT因此，要計(jì)算表觀熱慣量ATI，即為如何求ABE和ΔT。

1,熱慣量法–ATI表觀熱慣量1）反照度ABE的計(jì)算反照度，即地表光譜反照率ABE，與地表方向反射率ρ不同，是地物波長(zhǎng)從0到∞的反射比，地表光譜反照率具有全波段、半球視場(chǎng)及各向異性的特點(diǎn)；地表方向反射率ρ具有非連續(xù)、窄波段、窄視場(chǎng)。兩者間的差異是造成遙感反演精度不夠的重要原因。

1）反照度ABE的計(jì)算地表光譜反照率式中ρ(λ)是地物分光反射比，是太陽(yáng)分光輻照度。

由窄波段遙感數(shù)據(jù)全波段、半球視場(chǎng)的反射或發(fā)射輻射分量，目前主要從以下3方面入手：①通過(guò)大氣校正模型，把大氣頂層（TOA）的輻射值直接轉(zhuǎn)換為地表光譜反射率ρ或地表輻射溫度Ts。

②通過(guò)BRDF角度模型，建立兩者間的數(shù)學(xué)關(guān)系，把地表方向反射率ρ轉(zhuǎn)換為地表光譜反照率α，如半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?--核驅(qū)動(dòng)模型，物理模型---幾何光學(xué)模型（GO）、輻射傳輸模型（RT）、RT—GO混合模型、計(jì)算機(jī)模擬等。③通過(guò)大量野外（同步）試驗(yàn)，建立多種寬波段反射或發(fā)射輻射值，與窄波段遙感數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)模型，即經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。此法簡(jiǎn)單易行且可信。但這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系是隨著表面特征的變化而變化的。1）反照度ABE的計(jì)算假定地物具有朗伯體特性，反照度可以表示為：由于太陽(yáng)能量主要集中在0.2一1.5μm內(nèi)很窄的波段，因此?？梢杂每梢姽夂徒t外波段的反照度近似代替波長(zhǎng)從0~∞的反照度；對(duì)于分波段情況，則有式中n為波段序號(hào)，為各個(gè)波段上地表的太陽(yáng)分光輻照度，ρ(λ)為地物各個(gè)波段的分光反射比。1）反照度ABE的計(jì)算若令加權(quán)系數(shù)，于是此式表明反照度ABE是地物各個(gè)波段的分光反射比的加權(quán)平均，權(quán)重Wn代表了入射到地表的第n波段的太陽(yáng)能量與所有波段的太陽(yáng)總能量之比。1）反照度ABE的計(jì)算對(duì)于NOAA衛(wèi)星AVHRR傳感器，可見光和近紅外波段為ch.1(0.58~0.68μm)和ch.2(0.725~1.0μm)。熱紅外波段內(nèi)太陽(yáng)能量很弱，地物反射的能量非常弱，可以略而不計(jì)，因此，只能用ch.1和ch.2兩個(gè)波段推求反照度，即n=2。由Wn的定義，Qse,n是地表各個(gè)波段內(nèi)太陽(yáng)的分光輻射能。對(duì)于大氣外，Qse,n可以從大氣外太陽(yáng)分光輻照表按波段累加得到。如果考慮了大氣對(duì)輻射能量的衰減作用，把大氣外太陽(yáng)分光輻照度乘以相應(yīng)波長(zhǎng)的晴空大氣分光透過(guò)率，然后按波段累加，得到Qse,n和Wn的值，見下表。1）反照度ABE的計(jì)算

表Qse,n和Wn的值分段地表大氣外Qse,n/(W/cm2)WnQse,n/(W/cm2)WnCh.11.59700.42142.15040.4230Ch.22.19300.57862.93320.5770由上表知，太陽(yáng)在各個(gè)波段上的輻射能，大氣外和地球表面差別很大，而Wn的值變化不大(<0.00016)。這就是說(shuō)，在計(jì)算Wn時(shí)是否考慮大氣的衰減問(wèn)題，對(duì)反照度計(jì)算的影響不是很顯著。我們使用的一組Wn是地球表面的值。這樣，用NOAA氣象衛(wèi)星的AVHRRch.1和ch.2求反照度ABE，可以采用下述公式

ABE=0.423Gch.1+0.577Gch.2,式中Gch.1和Gch.2分別是經(jīng)過(guò)大氣校正后的Ch1和Ch2反射率。1）反照度ABE的計(jì)算地表光譜反照率與地表方向反射率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型隨著表面特征的變化而變化。

中國(guó)地表反照率的反演

Albedo

(FirstQuarter)

Albedo

(SecondQuarter)

中科院遙感所中國(guó)地表反照率的反演

Albedo

(ThirdQuarter)

Albedo

(FourthQuarter)

中科院遙感所右圖：雪被的反射輻射幾乎都集中在短波光譜區(qū)；在0.3～0.7μm反射率為80%～90%；在0.8～1.5μm反射率則隨波長(zhǎng)的增大而迅速減?。辉赟WIR反射很弱。這就是說(shuō)對(duì)于雪被表面反照率（0.30～4.0μm），各譜段所作的貢獻(xiàn)是不同的，可劃分為4個(gè)部分：雪被區(qū)表面反照率反演[3]式中，A為0～4.0μm譜段的反照率；、分別為經(jīng)過(guò)大氣校正后CH1、CH2的反射率。

其中，反演中所選用的NOAA/AVHRR的CH1、CH2只代表前兩個(gè)部分的反射率，而據(jù)Brest的研究，后兩部分的反射率分別為第2通道反射率的63.0%和6.5%。因此，可將雪被表面反照率的反演模型表示為：0.30～0.725μm譜段，占總?cè)肷淠艿?2.6%；0.725～1.0μm譜段，占總?cè)肷淠艿?3.2%；1.0～1.4μm譜段，占總?cè)肷淠艿?3.0%；1.4～4.0μm譜段，占總?cè)肷淠艿?1.2%。2）晝夜溫差ΔT的計(jì)算晝夜溫差是在白天與黑夜的實(shí)際溫度圖配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，相減而得。由衛(wèi)星影像直接得到的是輻射亮度溫度，需要將亮度溫度轉(zhuǎn)換為地表實(shí)際溫度才能得到真正的晝夜溫差。記Tb為地物的輻射溫度，T為地表實(shí)際溫度。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，一般情況下ΔTb=27K，而實(shí)際ΔT=27.71K，顯然ΔT≈ΔTb。晝夜溫差與輻射溫度的晝夜溫差，最大絕對(duì)誤差小于1K。2）晝夜溫差ΔT的計(jì)算用地物的輻射溫度晝夜溫差來(lái)近似代替實(shí)際溫度，引起的絕對(duì)誤差很小，并且可以把大氣衰減和忽略地物發(fā)射比(ε=1)造成的誤差降到最小。這樣，白天溫度最大時(shí)刻的ch.4圖像(記為Tch.4,da)和夜間溫度最小時(shí)刻的ch.4圖像(記為Tch.4,ni)，就可以求出晝夜溫差:ΔT=Tch.4,da-Tch.4,ni其中Tch.4,da是白天的輻射溫度，Tch.4,ni是夜間的輻射溫度。輻射溫度也可以叫做表觀溫度。表觀溫度與實(shí)際溫度并不相同，但是，我們?cè)谏厦嬉呀?jīng)指出，表觀溫度的溫差與實(shí)際溫度的溫差是十分接近的。因此，晝夜溫差ΔT可以用上述公式計(jì)算。因此,基于NOAA/AVHRR傳感器的表觀熱慣量ATI計(jì)算公式如下：

1,熱慣量法–ATI表觀熱慣量除了線性經(jīng)驗(yàn)公式模型外,還可以采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等非線性經(jīng)驗(yàn)公式。熱慣量法較為簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用熱慣量法在每年的11月到次年的3月間是最佳觀測(cè)時(shí)間。

1,熱慣量法-ATI表觀熱慣量表觀熱慣量計(jì)算土壤含水量W通常用線性模型，如下：表觀熱慣量法在監(jiān)測(cè)土壤表層水分變化中得到了較多應(yīng)用。張樹譽(yù)[10]等采用MODIS數(shù)據(jù),通過(guò)建立表觀熱慣量與土壤濕度間的線性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)陜西2005年2月上旬至3月下旬發(fā)生的春旱過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。紀(jì)瑞鵬[11]等利用訂正后的地表溫度日較差計(jì)算熱慣量反演得到土壤濕度,對(duì)遼寧省多年的旱情進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

1,熱慣量法

隨著土層深度的增加,表觀熱慣量與土壤含水量之間的相關(guān)性逐漸降低.郭茜等利用NOAA/AVHRR衛(wèi)星資料,用表觀熱慣量法反演0～10cm、10～20cm淺層土壤水分,結(jié)果表明,在土壤深度為0～10cm時(shí)反演值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均值為11%;在10～20cm時(shí)其反演值和實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均值升高為12.8%。

1,熱慣量法-限制1

熱慣量法反演土壤含水量需要對(duì)研究區(qū)晝夜兩幅遙感圖像進(jìn)行嚴(yán)格配準(zhǔn),通過(guò)亮溫得到晝夜溫差。由于遙感圖像受到云的影響,很難得到同一研究區(qū)晝夜無(wú)云的圖像,因而計(jì)算晝夜溫差的精度很難保證。

1,熱慣量法-限制2

當(dāng)土壤植被覆蓋度高時(shí),由于受到植被蒸騰及土壤水分交換的影響,反演土壤含水量時(shí)的精度會(huì)大大降低。因此,表觀熱慣量?jī)H適用于裸土或低植被覆蓋的土壤,有植被覆蓋的干旱遙感監(jiān)測(cè),主要使用基于蒸散量的遙感監(jiān)測(cè)方法。

1,熱慣量法-限制3

土壤、植被、大氣之間能量的相互交換,表現(xiàn)為地表的蒸散,其中包括土壤蒸發(fā)和植物蒸騰。這兩部分與土壤的水分含量有著明顯的關(guān)系。因此可以通過(guò)計(jì)算農(nóng)作物的區(qū)域蒸散量來(lái)建立干旱監(jiān)測(cè)模型。

2,蒸散法

蒸散法針對(duì)不同的下墊面發(fā)展了單層、雙層和多層模型；單層模型是將土壤和植被作為一個(gè)整體的邊界層建立與大氣間熱交換模型；應(yīng)用單層模型發(fā)展了估算植被缺水狀態(tài)的作物缺水指數(shù)法。

2,蒸散法

作物缺水指數(shù)(CropWaterStressIndex,CWSI)由Jackson等研究葉片溫度、土壤水分和植被指數(shù)之間的關(guān)系,根據(jù)熱量平衡原理提出的。其公式如下：

2,蒸散法

–作物缺水指數(shù)法CWSI

2,蒸散法

–作物缺水指數(shù)法CWSI作物缺水指數(shù)根據(jù)水分平衡原理,以考慮土壤水分和農(nóng)田蒸散作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)。LE越小,CWSI就會(huì)越大,反映出供水能力越差,即土壤越干旱。限制：在有植被覆蓋的條件下，作物缺水指數(shù)法監(jiān)測(cè)土壤水分的精度高于熱慣量法，但是其計(jì)算復(fù)雜，需要較多的常規(guī)氣象和地面觀測(cè)資料的配合，實(shí)時(shí)性不能夠完全保證，對(duì)投入業(yè)務(wù)應(yīng)用有一定影響。

2,蒸散法

–作物缺水指數(shù)法CWSI3.植被指數(shù)法

作物的長(zhǎng)勢(shì)可以直接反映出干旱的情況,當(dāng)作物受旱缺水時(shí),作物的生長(zhǎng)將受到限制和影響,反映綠色植物生長(zhǎng)和分布的特征函數(shù)———植被指數(shù)將會(huì)降低,所以監(jiān)測(cè)各種植被指數(shù)的變化,也是干旱遙感監(jiān)測(cè)的基本方法之一。3.植被指數(shù)法

主要有:距平植被指數(shù)、條件植被指數(shù)、植被指數(shù)差異等方法。這些植被指數(shù)可以由衛(wèi)星遙感資料的可見光和近紅外通道數(shù)據(jù)進(jìn)行線性或非線性組合得到。考慮到不同下墊面對(duì)溫度的影響,還發(fā)展了溫度與植被指數(shù)相結(jié)合的干旱監(jiān)測(cè)方法,主要有植被供水指數(shù)法、溫度植被干旱指數(shù)法等。1)距平植被指數(shù)法

為了監(jiān)測(cè)大范圍作物干旱，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)展了距平植被指數(shù)法。它是用植被指數(shù)（NDVI）多年的旬（月）平均值作為背景值，然后用作物受災(zāi)旬或月的植被指數(shù)（NDVI）減去背景值。

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(cè)全國(guó)范圍的干旱。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的工作，可以做出每旬的全國(guó)范圍具有國(guó)界省界標(biāo)志的植被態(tài)勢(shì)圖像或數(shù)字打印圖，以供植被長(zhǎng)勢(shì)—干旱狀況分析判斷。對(duì)于中國(guó)，該圖范圍可為東經(jīng)74o～135o，北緯12o～57o，圖像空間分辨率約為6km。旱情遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估

距平植被指數(shù)：

AVI=NDVIi-NDVI

式中，NDVIi為某一特定年某一時(shí)期（如旬、月等）NDVI

的值，NDVI為多年該時(shí)期NDVI的平均值。

AVI作為監(jiān)測(cè)干旱的一種方法，它以某一地點(diǎn)某一時(shí)期多年的NDVI平均值為背景值，用當(dāng)年該時(shí)期的NDVI減去背景值，即可計(jì)算出AVI的變化范圍，即NDVI的正、負(fù)距平值。正距平反映植被生長(zhǎng)較一般年份好，負(fù)距平表示植被生長(zhǎng)較一般年份差。一般而言，距平植被指數(shù)為－0.1～－0.2表示旱情出現(xiàn)，－0.3~－0.6表示旱情嚴(yán)重。對(duì)1992年河南省的旱情（大旱）研究后認(rèn)為，在山區(qū)應(yīng)用距平植被指數(shù)的效果比降水距平好，并認(rèn)為是由于山區(qū)降水容易流失所致。

2)條件植被指數(shù)

條件植被指數(shù)（VegetationConditionIndex，VCI）：

式中，NDVIi為某一特定年第i個(gè)時(shí)期的NDVI值，NDVImax和NDVImin分別代表所研究年限內(nèi)第i個(gè)時(shí)期NDVI

的最大值和最小值。

VCI=（NDVIi－NDVImin）/(NDVImax-NDVImin)*100

分母部分是在整個(gè)研究年限內(nèi)（幾年）所有第i個(gè)時(shí)期的植被指數(shù)中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(dāng)?shù)刂脖坏纳常环肿硬糠衷谝欢ㄒ饬x上表示了某一特定年（一年）第i個(gè)時(shí)期的當(dāng)?shù)貧庀笮畔?，若NDVIi和NDVImin之間差值小，表示該時(shí)段作物長(zhǎng)勢(shì)很差。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用VCI動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)干旱的范圍及其邊界比應(yīng)用其它方法如NDVI和降水量的監(jiān)測(cè)更有效、更實(shí)用。同時(shí)認(rèn)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(jí)的干旱程度。對(duì)VCI和AVI來(lái)說(shuō)，地表覆蓋類型的年際間變化可能影響到干旱監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，因而在解釋監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)應(yīng)該有可靠的最新的土地覆蓋類型圖。另外，它們僅僅考慮由于水分脅迫導(dǎo)致NDVI降低的狀況，未考慮到其它因素如氣溫導(dǎo)致NDVI降低的現(xiàn)實(shí)。如在澳大利亞新南威爾士州的南部高地，5月份通常發(fā)生水文干旱，經(jīng)過(guò)秋季降水，土壤水分得到了恢復(fù)，但草地干旱可能持續(xù)到8月份，而8月份的干旱通常是由氣溫造成的.在VCI和AVI的定義中也未考慮NDVI與降水間的時(shí)間間隔。Liu等認(rèn)為月累積降水量與月累積NDVI的時(shí)間間隔約為1月，Di等通過(guò)模擬認(rèn)為日降水量與日NDVI的時(shí)間間隔為15－23天。

3)植被供水指數(shù)法

熱慣量方法只對(duì)裸露土壤適用，因?yàn)樵谟兄脖桓采w情況下，特別是在植被覆蓋度很高時(shí)，植被改變了土壤的熱傳導(dǎo)性質(zhì)，而旱災(zāi)發(fā)生的季節(jié)，植被覆蓋率年往往很高。為了對(duì)高植被覆蓋區(qū)農(nóng)作物的旱災(zāi)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)展了“植被供水指數(shù)法”。其物理意義是：

當(dāng)作物供水正常時(shí)，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)在一定的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)升高，這是由于干旱造成的作物供水不足，作物沒(méi)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(guān)閉一部分氣孔，致使植被冠層溫度升高。

3)植被供水指數(shù)法植被供水指數(shù)的定義式為：

VSWI＝NDVI／Ts

這里Ts是植被葉表溫度，可由美國(guó)NOAA衛(wèi)星或我國(guó)FY—l衛(wèi)星遙感得到的作物冠層溫度。VSWI代表植被受旱程度的相對(duì)大,VSWI值越小表明作物冠層溫度較高,植被指數(shù)較低,作物受旱程度越重。

3)植被供水指數(shù)法該方法綜合考慮了作物受到干旱影響時(shí)在紅光、近紅外、熱紅外波段上的反應(yīng)，具有較好的應(yīng)用效果。此方法適用于植物蒸騰較強(qiáng)的季節(jié)。植被供水指數(shù)被廣泛地應(yīng)用到干旱的遙感監(jiān)測(cè)中,最常用到的是NOAA/AVHRR的數(shù)據(jù)資料,其中VSWI式中的Ts為第4通道的溫度。

3)植被供水指數(shù)法張春桂

等利用NOAA/AVHRR資料采用植被供水指數(shù)法對(duì)2001～2002年福建省發(fā)生的冬春連續(xù)干旱災(zāi)害進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。鄧玉嬌等采用植被供水指數(shù)對(duì)廣東省2004年10月發(fā)生的干旱情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3)植被供水指數(shù)法

植被供水指數(shù)在應(yīng)用于MODIS數(shù)據(jù)時(shí),由于MODIS數(shù)據(jù)得到的NDVI比NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)得到的NDVI更容易飽和,所以在將VSWI應(yīng)用到高密度高生物量植被時(shí),其監(jiān)測(cè)精度就會(huì)下降。張樹譽(yù)等對(duì)VSWI進(jìn)行了改進(jìn),將模型中的NDVI改用增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI),以提高對(duì)生物量區(qū)的敏感性,并對(duì)陜西省2005年4月上旬至5月下旬的春旱進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3)植被供水指數(shù)法

Sandholt等J首先提出了溫度植被干旱指數(shù)(TemperatureVegetationDrynessIndex，TVDI)的概念。公式如下：

4)溫度植被干旱指數(shù)法

齊述華等對(duì)我國(guó)200O年3月和5月各旬的旱情進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，利用TVD1旱情指標(biāo)能夠較好地反映表層土壤水分變化趨勢(shì)，將其作為旱情評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理的；對(duì)TVDI隨NDVI和變化的敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，以陸地表面溫度為基礎(chǔ)的旱情指標(biāo)相對(duì)比以植被指數(shù)為基礎(chǔ)的旱情指標(biāo)更合理。

4)溫度植被干旱指數(shù)法

干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論遙感干旱監(jiān)測(cè)方法經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，取得了非常重要的研究成果，有些研究成果已經(jīng)進(jìn)入推廣應(yīng)用，獲得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但由于干旱是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，它的發(fā)生具有隨機(jī)性、地域性、隱蔽性和不易覺(jué)察等特點(diǎn)，給遙感干旱監(jiān)測(cè)帶來(lái)許多不確定性的問(wèn)題。這些問(wèn)題涉及到遙感參數(shù)反演的精確性、監(jiān)測(cè)模型的可操作性、干旱指數(shù)的可評(píng)價(jià)性等方面。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(1)歸一化植被指數(shù)可以間接地反映旱情，但在時(shí)間上有一定的滯后性，在干旱初期，很難通過(guò)植被指數(shù)監(jiān)測(cè)出來(lái)。大多數(shù)基于植被指數(shù)的模型一般情況下只適合植被覆蓋度比較高的地區(qū)；對(duì)于稀疏植被或裸地，監(jiān)測(cè)結(jié)果存在較大的偏差。得到的NDVI時(shí)間序列越長(zhǎng)，就越能更好地反映土壤供水狀況及干旱程度。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(2)地表植被較多時(shí)，采用距平植被指數(shù)法監(jiān)測(cè)干旱效果較好，該方法簡(jiǎn)單易用，也比較直觀，操作性強(qiáng)，但需要一定的資料積累，而且無(wú)法和干旱之間建立定量的關(guān)系，只適用于大尺度或全球范圍的干旱和氣候變化的監(jiān)測(cè)，而不太適用于小尺度或區(qū)域級(jí)干旱監(jiān)測(cè)。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(3)條件植被指數(shù)不僅能定量地描述植被干旱的空間變化，還能反映長(zhǎng)期氣候?qū)ζ淦鸬降恼醋饔茫堑乇砀采w類型的年際變化會(huì)影響干旱監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，因而在解釋監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)最好使用最新土地覆蓋類型圖；計(jì)算過(guò)程中最大和最小NDVI值確定比較困難，需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)數(shù)據(jù)，工作量大；只能用于植被生長(zhǎng)的中后期，播種期和成熟期無(wú)法用該方法確定地表旱情。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(4)植被供水指數(shù)法計(jì)算簡(jiǎn)單，受限制少，只需要14：00左右的一次晴空衛(wèi)星觀測(cè)資料，即可進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)，物理意義明確。但在定量監(jiān)測(cè)中效果不佳，當(dāng)下墊面差異較大時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差較大，給出的只是相對(duì)的干旱等級(jí)，無(wú)法針對(duì)不同的地物類型確定不同的干旱指標(biāo)。該方法適用于植被蒸騰較強(qiáng)的季節(jié)。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(5)作物缺水指數(shù)法物理意義明確，精度高、可靠性強(qiáng)，但因涉及到農(nóng)學(xué)和氣象參數(shù)較多，計(jì)算量大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，有些參數(shù)只能取參考值。遙感反演地表參數(shù)的精度目前還很難達(dá)到模型定量化計(jì)算的要求，在一定程度上阻礙了該模型的推廣應(yīng)用。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(6)溫度植被干旱指數(shù)較好地改變了單純基于植被指數(shù)或單純基于陸面溫度進(jìn)行土壤水分狀態(tài)監(jiān)測(cè)的不足，有效地減小了植被覆蓋度對(duì)干旱監(jiān)測(cè)的影響，提高了旱情遙感監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度和實(shí)用性。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論(7)VCI監(jiān)測(cè)干旱、降水動(dòng)態(tài)變化的效果比AVI更有效、更實(shí)用，尤其在地形起伏大的區(qū)域，VCI的估算精度遠(yuǎn)比NDVI好；NDVI或從NDVI得到干旱指數(shù)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(jí)的干旱程度；植被生長(zhǎng)茂盛的階段，利用AVI和VCI來(lái)監(jiān)測(cè)作物的缺水狀況，效果較好，但需要有較長(zhǎng)年代的資料積累。干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)討論近年來(lái)，人們更加清晰地認(rèn)識(shí)到?jīng)]有一種單獨(dú)的干旱指數(shù)完全適合于區(qū)域尺度干旱監(jiān)測(cè)。因此，隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，綜合不同干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)并結(jié)合水文模型、作物模型，建立適合于多種不同地表類型的干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)也許是可行的。隨著干旱遙感監(jiān)測(cè)研究的深入,MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用日益成為干旱遙感監(jiān)測(cè)的重要手段。MODIS數(shù)據(jù)在干旱旱情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用需要進(jìn)一步的深入,隨著獲得的MODIS數(shù)據(jù)時(shí)間序列的增加,MODIS數(shù)據(jù)的干旱旱情監(jiān)測(cè)模型可以進(jìn)行更多的完善。三、干旱遙感監(jiān)測(cè)實(shí)例-以陜西省為例1、數(shù)據(jù)源2、監(jiān)測(cè)方法3、實(shí)現(xiàn)流程1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理：陜西省氣象局2004年建立EOS-MDOIS衛(wèi)星資料地面接收系統(tǒng)，在陜西省境內(nèi)地方時(shí)12:00左右，夜間22:00左右熱慣量模型選用2005-2006年2-3月MODIS白天和夜晚晴空資料；植被供水指數(shù)法選用2004-2006年4-6月MODIS白天晴空資料1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)-BOW-TIE處理MODIS數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輻射校正之后生成的LIB產(chǎn)品存在著獨(dú)特的“雙眼皮”現(xiàn)象，使得MODIS的邊緣數(shù)據(jù)無(wú)法使用，影響了數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用，幾何校正也無(wú)法去除“雙眼皮”現(xiàn)象，因此必須在幾何校正之前就加以去除?！半p眼皮”現(xiàn)象表現(xiàn)為相鄰兩個(gè)掃描行之間有部分的數(shù)據(jù)相同，越向邊緣重復(fù)數(shù)據(jù)越多，在線狀地物附近表現(xiàn)尤為明顯，河流不僅左右錯(cuò)開，而且上下有部分重疊(見圖3一l)。MODIS250m數(shù)據(jù)的BOW-tieEffect1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)-BOW-TIE處理原因MODIS橫向掃描帶寬為1354km，同時(shí)沿航向?qū)?yīng)10km，這10km就對(duì)應(yīng)著1km分辨率的10各像素，500m分辨率的20個(gè)像素，250m分辨率的40個(gè)像素。由于MODIS探測(cè)器對(duì)地球觀測(cè)的視野幾何特性、地球表面的曲率、地形起伏和MODIS探測(cè)器運(yùn)動(dòng)中的抖動(dòng)等因素的共同影響，MODIS一IB數(shù)據(jù)存在幾何畸變，特別是MODIS一lB數(shù)據(jù)的掃描帶之間的錯(cuò)位現(xiàn)象十分嚴(yán)重。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)-BOW-TIE處理原因雙眼皮”現(xiàn)象隨著觀測(cè)角度的增大而趨嚴(yán)重，計(jì)算表明，在視角為24度時(shí)，條帶的重疊度為10%，而在條帶的兩端重疊度達(dá)50%。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)-BOW-TIE處理以250m的MODIS數(shù)據(jù)為例說(shuō)明數(shù)據(jù)處理思路。250m的數(shù)據(jù)每條掃描帶包含5416列40行數(shù)據(jù)，每相鄰的兩條掃描帶之間存在著“雙眼皮”現(xiàn)象。首先計(jì)算相鄰的兩個(gè)掃描帶之間存在著多少行重復(fù)數(shù)據(jù)。以第1列為例:①第1列到第3列、第38行到第40行數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)3x3矩陣A，以第1列到第3列、第41行到第43行數(shù)據(jù)產(chǎn)生矩陣B，計(jì)算A和B的相關(guān)系數(shù)。②將矩陣B下移1行，重新計(jì)算相關(guān)系數(shù)。③重復(fù)步驟②，直到第80行，這樣就得到40個(gè)相關(guān)系數(shù)。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)-BOW-TIE處理④取40個(gè)相關(guān)系數(shù)最大的一個(gè)，他所對(duì)應(yīng)的行數(shù)減去40，再加上3，即復(fù)行數(shù)。最后算出對(duì)于第1一3列數(shù)據(jù)每掃描行有20行是重復(fù)的。⑤兩條掃描帶有20行重疊，即第21一40行和第41一60行數(shù)據(jù)是相同的，去除21一40行，數(shù)據(jù)變?yōu)?一20，41一60，61一80，這樣地物是連貫的，即去除了“雙眼皮”現(xiàn)象。將矩陣A向圖像中心移動(dòng)，計(jì)算每列上的重復(fù)，結(jié)果應(yīng)該是逐漸減小，利用這一規(guī)律可以對(duì)某些異常值進(jìn)行取舍。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)條紋去除輻射定標(biāo)對(duì)于反射通道，定標(biāo)結(jié)果為象素點(diǎn)的反射率值；太陽(yáng)天頂角訂正，即把不同太陽(yáng)天頂角下的探測(cè)數(shù)據(jù)換算成相當(dāng)于太陽(yáng)處于天頂時(shí)的探測(cè)值。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)條紋去除輻射定標(biāo)對(duì)于熱紅外通道，定標(biāo)結(jié)果為象素點(diǎn)的亮溫值。定標(biāo)后需將輻射率轉(zhuǎn)換為亮溫，由普朗克公式計(jì)算，計(jì)算出的亮溫值需經(jīng)過(guò)訂正:1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)大氣校正大氣校正的目的是消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響，獲得地表的真實(shí)物理模型參數(shù)。用于大氣校正的輻射傳輸模型包括6S、LOWTRAN、MORTRAN等，這些模型雖然精度高，但要求的參數(shù)很多，難以滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要。采用ENVI軟件的內(nèi)部平均相對(duì)反射率法(IARR)對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)大氣校正IARR校正處理將計(jì)算整個(gè)影像場(chǎng)景的平均波譜曲線，并將其作為參考波譜曲線，然后用影像中每一個(gè)像素的波譜曲線值除以該參考波譜曲線值，計(jì)算得到表觀反射率。方法適用于沒(méi)有地面測(cè)量值，對(duì)整個(gè)場(chǎng)景不太了解時(shí)，能有效地將成像光譜儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對(duì)反射率。1、數(shù)據(jù)源遙感數(shù)據(jù)幾何校正投影變換不同分辨率圖像融合MODIS數(shù)據(jù)，有36個(gè)波段，空間辨率有250m、500m和1000m，涉及到不同分辨率數(shù)據(jù)之間的融合問(wèn)題。采用雙線性內(nèi)插法將500m和1000m分辨率的數(shù)據(jù)插值到250m分辨率的數(shù)據(jù)格點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分辨率的融合。選擇雙線性內(nèi)插法的原因是該方法得到的像素值只與該點(diǎn)周圍4個(gè)鄰近點(diǎn)的像素值有關(guān)，所以其光譜特征改變小，插值后的圖像更平滑，避免了最鄰近法等出現(xiàn)的“臺(tái)階”現(xiàn)象。融合得到的MODIS數(shù)據(jù)每個(gè)像元都有36個(gè)通道的信息。1、數(shù)據(jù)源非遙感數(shù)據(jù)源-地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)土壤相對(duì)濕度值數(shù)據(jù)為2004一2007年陜西省33個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站所獲得的數(shù)據(jù)，包括每旬逢8日的10cm、20cm、50cm土壤相對(duì)濕度值。這些站點(diǎn)的測(cè)量值是土壤濕度占田間持水量的百分率，即土壤的相對(duì)含水量。2、監(jiān)測(cè)方法熱慣量法熱慣量法是裸地或低植被覆蓋區(qū)干旱遙感監(jiān)測(cè)的主要定量表達(dá)方法，通常用表觀熱慣量替代真實(shí)熱慣量。表觀熱慣量ATI表達(dá)式為:MODIS求全波段反射率ABE的公式為：2、監(jiān)測(cè)方法熱慣量法熱慣量法監(jiān)測(cè)土壤含水量涉及到兩個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星資料，并且要求:第一，白天和夜間衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，用光學(xué)遙感儀器監(jiān)測(cè)，必須是晴空無(wú)云，以獲得土壤的最高溫度和最低溫度。第二，白天和夜間衛(wèi)星經(jīng)過(guò)時(shí)，被監(jiān)測(cè)地區(qū)都要處于兩條軌道基本重合的范圍。第三，被測(cè)土壤基本是裸露的或植被覆蓋度很低。2、監(jiān)測(cè)方法及處理流程熱慣量法熱慣量與土壤相對(duì)濕度間通常建立有線性模型、對(duì)數(shù)模型、指數(shù)模型。用實(shí)際的地面實(shí)測(cè)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)與建立與表觀熱慣量法的模型，發(fā)現(xiàn)三種模型中指數(shù)模型的相關(guān)性最好，線性模型次之，對(duì)數(shù)模型的相關(guān)性略差，但三種模型均達(dá)到了顯著相關(guān)水平。線性模型的相關(guān)雖然不是最好但計(jì)算方便，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)中通常使用線性模型：2、監(jiān)測(cè)方法熱慣量法得到用熱慣量模型反演的土壤表層濕度后，根據(jù)中國(guó)氣象局提供的旱情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可給出土壤干旱的絕對(duì)等級(jí)。2、監(jiān)測(cè)方法及處理流程熱慣量法-處理流程基于MODIS資料的熱慣量干旱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法如下:以衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面采樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，首先得到監(jiān)測(cè)區(qū)各像元的亮度溫度，然后通過(guò)白天和夜間兩次資料的亮溫差值計(jì)算獲得地表溫度日較差(通過(guò)地表溫度求取晝夜溫差的方式比較復(fù)雜，因此常采用晝夜輻射溫度差代替地表溫差，研究表明，亮溫差與實(shí)際溫度差不超過(guò)1K）。2、監(jiān)測(cè)方法及處理流程熱慣量法-處理流程基于MODIS資料的熱慣量干旱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法如下:在MODIS可用于大氣訂正和探測(cè)表面發(fā)射率和溫度的多個(gè)熱紅外通道中，通過(guò)對(duì)各通道輻射溫度直方圖的數(shù)據(jù)分布特征和圖象質(zhì)量的比較，最后選用白天和夜間的CH31通道輻射溫度差作為地物晝夜溫差求出△T。2、監(jiān)測(cè)方法及處理流程熱慣量法-處理流程基于MODIS資料的熱慣量干旱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法如下:因?yàn)闊釕T量方法監(jiān)測(cè)干早涉及到晝夜兩個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星資料，但實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)計(jì)算一天的晝夜資料就能較好地反映全省整體情況的機(jī)率較小，所以我們需要對(duì)一旬內(nèi)的晴空資料都計(jì)算各像元的晝夜溫差，從而彌補(bǔ)云造成的影響。進(jìn)而可以獲得一旬各點(diǎn)的最大晝夜溫差進(jìn)一步應(yīng)用表觀熱慣量模型獲得旬內(nèi)最大熱慣量。2、監(jiān)測(cè)方法及處理流程熱慣量法-處理流程基于MODIS資料的熱慣量干旱監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)