高 攀，王紀(jì)軍，宋 軒*

(1.中國氣象局/河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南鄭州 450003;2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450000)

鄭州市作為河南省省會，面積廣闊，而土壤水分觀測站點稀少，全區(qū)目前有觀測數(shù)據(jù)的土壤水分站點16個，因此常規(guī)觀測手段很難全面了解土壤水分以及旱情分布情況，通過遙感手段開展相關(guān)觀測是目前較為有效的解決方法。開展遙感土壤水分監(jiān)測，關(guān)鍵是要選擇合適的反演模型，提高反演精度。因此，筆者基于MODIS數(shù)據(jù)，在植被覆蓋度較高的時期，采用植被干旱指數(shù)法來反演土壤水分，在植被覆蓋度較低的時期，采用表觀熱慣量法進(jìn)行鄭州市土壤水分反演，保證土壤水分遙感監(jiān)測的連續(xù)性，旨在為研究鄭州市土壤水分的空間分布提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況鄭州市位于河南省中部，地理位置界于112°42′～114°13′E、34°16′～34°58′N，總面積7 446 km2(圖1)。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。鄭州總的地勢為西南高、東北低，呈階梯狀下降。主要土壤類型有褐土、潮褐土、棕壤土、紅黏土和潮土等。

1.2遙感數(shù)據(jù)來源使用的MODIS數(shù)據(jù)來源于美國USGS站點16 d合成的1 km分辨率的MOD13A2數(shù)據(jù)和8 d合成的1 km分辨率的MOD11A2數(shù)據(jù)。由于USGS 2016年1、7、8、10月數(shù)據(jù)異常，研究使用2016年2、3、4、5、6、9、11、12共8個時期的影像。

2 基于溫度植被干旱指數(shù)模型的土壤水分反演

2.1溫度植被干旱指數(shù)溫度植被干旱指數(shù)(temperature-vegetation dryness index，TVDI)是基于地表溫度(TS)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)用于土壤水分監(jiān)測的表征相對干旱程度的指數(shù)，該指數(shù)由Sandholt等[5]提出。TVDI越大，土壤水分越低，TVDI越小，土壤水分越高[6]。TVDI計算公式：

(1)

式中，Tsmin表示最小地表溫度，對應(yīng)的是濕邊；TS是任意像元的地表溫度；Tsmax=a+bNDVI為某一NDVI對應(yīng)的最高溫度，即干邊，a、b是干邊擬合方程的系數(shù)。

2.2關(guān)鍵參數(shù)的獲取

2.2.1植被指數(shù)。植被指數(shù)表征綠色植被覆蓋度，最常用的是歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，其計算公式：

圖1 鄭州市地理位置Fig.1 Geographical location of Zhengzhou City

(2)

其中，NDVI為歸一化植被指數(shù)；CH1、CH2分別為MODIS的紅光和近紅外波段的反射率。

平臺在剛剛投入使用時，煤礦企業(yè)需重視對員工情緒的安撫工作，消除員工對共享平臺存在的反感情緒，讓他們能夠接受并使用共享平臺，同時領(lǐng)導(dǎo)層也需要支持與鼓勵對平臺的建設(shè)與使用，讓企業(yè)從上至下均能夠積極配合對共享平臺的使用。

2.2.2地表溫度。地表溫度是用來反映地表物理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，由于遙感反演無法得到精確的地表溫度，一般情況下，使用反演的冠層溫度近似地代替地表溫度。該研究采用針對MODIS探測儀特性而設(shè)計的白天/夜間MODIS地表溫度獲取方法[7]，即：

TS=1.034 6T31+2.577 9(T31-T32)

(3)

式中，TS為冠層溫度；T31、T32分別為MODIS的31、32波段的亮溫。

2.2.3地表溫度與植被指數(shù)的關(guān)系。植被指數(shù)能夠反映綠色植被的覆蓋度狀況，地表溫度能夠反映土壤的水分信息，將二者的信息進(jìn)行結(jié)合，能夠為一定區(qū)域內(nèi)的土壤水分監(jiān)測提供依據(jù)。研究表明，地表溫度(TS)和植被指數(shù)(NDVI)之間存在密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系[8]。提取鄭州市區(qū)域內(nèi)相同NDVI下的所有不同像元對應(yīng)的所有地表溫度中的最大和最小溫度，獲得2016年4、5、9、11、12月的地表溫度與植被指數(shù)的關(guān)系，即TS/NDVI的特征空間。

2.2.4干濕邊的確定。利用TS/NDVI特征空間關(guān)系中相應(yīng)的最大和最小陸地表面溫度，通過回歸擬合分別得到2016年4、5、9、11、12月5個月的干濕邊方程(表1)。

2.2.5鄭州市溫度植被干旱指數(shù)分布。根據(jù)式(3)，分別得到5個時期鄭州市的TVDI分布，并以溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)值對土壤水分含量進(jìn)行分級(圖2)。

表1 TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程

3 基于熱貫量模型的土壤水分反演

3.1土壤熱慣量土壤熱慣量反映了土壤的熱特性，與土壤水分關(guān)系密切。同一類型的土壤土壤水分越高，熱慣量越大，二者之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[9]。由于真實的熱慣量不易獲得，通常用能反映真實熱慣量相對大小的表觀熱慣量(ATI)來表征。根據(jù)作物生長規(guī)律可知，2、3、6月植被覆蓋度較低，此時期采用熱慣量模型反演土壤水分較為適合。該研究采用Cosh等[10]的方法計算表觀熱慣量，即

(4)

式中，ATI為表觀熱慣量；C為太陽輻射校正系數(shù)；α0為寬波段反照率；ΔLST0為午間地表溫度與午夜地表溫度的溫差，K。其中，C的計算公式：

C=sinθcosφ(1-tanθ2tanφ2)+cosθcosφcos-1(-tanθtanφ)

(5)

式中,θ為地理緯度；φ為太陽赤緯。

3.2關(guān)鍵參數(shù)的獲取寬波段反照率α0采用Liang[11]的方法，計算公式：

α0=0.16α1+0.291α2+0.243α3+0.116α4+0.112α5+0.081α7-0.001 5

(6)

式中，αi(i= 1，2，3，4，5，7)為MODIS各波段的反射率。

午間地表溫度與午夜地表溫度的溫差ΔLST0的計算公式：

ΔLST0=ΔLST0,d-ΔLST0,n

(7)

式中，ΔLST0,d為午間地表溫度，ΔLST0,n為午夜地表溫度，K0。

圖2 2016年4、5、9、11、12月鄭州市TVDI分布Fig.2 Distribution of TVDI in Zhengzhou in April，May，September，November and December of 2016

3.3鄭州市表觀熱慣量分布基于式(5)、(6)和(7)，反演得到了鄭州市2016年2、3和6月3個月的表觀熱慣量ATI分布，并以ATI值對土壤水分含量進(jìn)行分級，結(jié)果見圖3。

4 結(jié)論

該研究利用MODIS影像反演2016年8個月鄭州市地表土壤水分，結(jié)果表明，根據(jù)遙感獲取的信息分析鄭州市土壤水分的空間分布與氣象資料、年降水量分布規(guī)律和年平均相對水分分布規(guī)律相吻合，可以用來分析鄭州市土壤水分的空間分布。在作物生長的不同時期，選擇使用植被干旱指數(shù)法和熱慣量法來反演土壤水分，可以保證土壤水分連續(xù)的不間斷的有效監(jiān)測。MODIS數(shù)據(jù)的空間分辨率為1 000 m，遙感反演圖像較為精細(xì)，能夠滿足地市級一般業(yè)務(wù)服務(wù)需求，且具有高時間分辨率和高光譜分辨率的優(yōu)勢，可以進(jìn)一步加入實測數(shù)據(jù)對反演結(jié)果進(jìn)行訂正之后，只需要在晴空條件下，獲取一景白日過境的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對地表土壤水分的快速判別，方便土壤水分遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行。

圖3 2016年2、3和6月鄭州市ATI分布Fig.3 ATI distribution in zhengzhou in February，March and June of 2016