迪里胡瑪爾·阿汗木江，玉素甫江·如素力,2，3，亞夏爾·艾斯克爾

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.新疆師范大學(xué) 流域信息集成與生態(tài)安全實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054；3.新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830054)

土壤濕度是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)以及旱情檢測(cè)等領(lǐng)域的主要參數(shù)[1]，是地表能量平衡和水循環(huán)系統(tǒng)的重要影響因素[2-4]。利用遙感手段可以快速、大面積、實(shí)時(shí)對(duì)土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別在復(fù)雜的地理環(huán)境，對(duì)一些常規(guī)資料較少的地區(qū)，具有多時(shí)相、多空間特點(diǎn)的遙感資料極大地豐富了土壤濕度研究，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[5-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同數(shù)據(jù)源對(duì)土壤濕度遙感反演做了大量研究。土壤濕度遙感監(jiān)測(cè)方法主要有溫度-植被干旱指數(shù)法[7]、熱慣量法[8]、微波遙感法[9]、熱紅外遙感法[10]等，其中TVDI(temperature vegetation dryness index)方法是目前可見(jiàn)光和熱紅外波段遙感監(jiān)測(cè)土壤濕度理論相對(duì)成熟，應(yīng)用比較廣泛的方法之一[11]。國(guó)外利用遙感技術(shù)進(jìn)行土壤濕度的計(jì)算開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，Sandhold等[12]對(duì)不同傳感器所獲取的遙感影像的地表溫度(Ts(temperature sensitive))和歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并對(duì)二者的關(guān)系模型進(jìn)行了改進(jìn)和簡(jiǎn)化，提出溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)的概念，用此來(lái)描述大面積連續(xù)范圍內(nèi)的土壤干旱情況；國(guó)內(nèi)開(kāi)展土壤濕度的遙感研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代中期，魏國(guó)栓等[13]利用MODIS(moderate-resolution imaging spectroradio meter)(LST(land surface temperature)、NDVI)數(shù)據(jù)構(gòu)建LST-NDVI特征空間，反演了儀征地區(qū)不同季節(jié)40 cm土壤相對(duì)濕度，并取得良好結(jié)果；宋春橋等[14]通過(guò)TVDI指數(shù)的構(gòu)建，結(jié)合土壤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了TVDI指數(shù)干旱監(jiān)測(cè)在藏北高原的可行性；本研究認(rèn)為T(mén)VDI方法能較好地適用于反演天山新疆段土壤濕度狀況；因此，本研究依據(jù)TVDI方法來(lái)揭示天山新疆段土壤濕度時(shí)空變化特征以及引起土壤濕度變化的關(guān)鍵影響因素，從而為天山新疆段生態(tài)保護(hù)提出相應(yīng)的政策建議，促進(jìn)研究區(qū)水資源的合理分配和高效利用。

天山新疆段地勢(shì)復(fù)雜、站點(diǎn)稀疏、分布不均勻，屬于溫帶大陸性氣候，冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱。目前,在有關(guān)天山新疆段所開(kāi)展的分析中,多基于水文[15]、積雪[16]、地表溫度[17]以及綠洲生態(tài)評(píng)估[18]等方面，有關(guān)土壤濕度時(shí)空分布變化特征的分析并不常見(jiàn)?；诖?，如何應(yīng)用先進(jìn)遙感技術(shù)對(duì)該區(qū)域土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)具有十分重要的理論意義以及應(yīng)用前景。文中采用2020年4月至10月天山新疆段的MODIS地表溫度(Ts)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，構(gòu)建Ts-NVDI特征空間,利用TVDI模型反演研究區(qū)土壤濕度狀況，同時(shí)結(jié)合(0～10 cm)土壤相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，進(jìn)一步探討天山新疆段時(shí)空分布狀況和土壤濕度與土地利用、地形的關(guān)系。通過(guò)土壤濕度的研究，可以更好地了解天山新疆段土壤水資源方面的問(wèn)題，為更有效地改善水資源保護(hù)以及綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量方面的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

天山是亞洲巨大山系之一，地處歐亞大陸中部，屬于溫帶大陸性干旱氣候，平均海拔為4 000 m。研究區(qū)范圍為39.46°～44.64°N,76.55°～91.69°E，面積約為362 702 km2。天山東西橫跨中國(guó)、哈薩克斯坦、吉爾吉斯坦和烏茲別克斯坦4國(guó)，全長(zhǎng)約2 500 km，呈東西走向，約占新疆全區(qū)面積1/3。中國(guó)境內(nèi)的天山山脈將新疆分割為南北兩大部分：南邊是塔里木盆地，北邊是準(zhǔn)噶爾盆地[19]。由于天山平均海拔較高,攔截了到達(dá)新疆上空的大西洋和北冰洋等濕潤(rùn)的大氣環(huán)流，又由于天山中段由一系列山脈、山間盆地、谷地及山前平原等地貌單元組成，因此造成不同區(qū)域氣溫存在很大的差異，山區(qū)降水量豐富，孕育了眾多河流和湖泊，全疆65%的河流源于此[20]，是天山南北水資源的主要來(lái)源。文中研究區(qū)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)

本研究主要選用2020年4月至10月的MODIS遙感數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)均來(lái)自NASA數(shù)據(jù)中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，包括植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13A2)和地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)，植被指數(shù)產(chǎn)品每期為16 d合成，空間分辨率為250 km，地表溫度產(chǎn)品每期為8 d合成，空間分辨率為500 km，進(jìn)行圖像剪裁、幾何校正，并經(jīng)重采樣后分辨率為地表溫度與植被指數(shù)產(chǎn)品空間分辨率一致。

研究區(qū)2020年的土地利用分類(lèi)數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)提供，解釋精度達(dá)到90%以上，該系列數(shù)據(jù)將土地利用類(lèi)型劃分一級(jí)分類(lèi)和二級(jí)分類(lèi)。本研究根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、含義、焉耆盆地土地利用類(lèi)型特點(diǎn)以及研究需要將其重新分為9類(lèi)。

2.1.2 氣象數(shù)據(jù)

文中所用2020年10月的土壤濕度精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)“中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(CLDAS(clinical laboratory data acquisition system))土壤相對(duì)濕度分析產(chǎn)品V2.0”。土層深度為0～10 cm、0～20 cm；空間分辨率為0.062 5°×0.062 5°。

2.2 研究方法

溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)是通過(guò)Ts-NDVI特征空間進(jìn)行獲取的水分脅迫指數(shù),該方法能夠用來(lái)對(duì)地表土壤濕度進(jìn)行估測(cè)。對(duì)于TVDI來(lái)說(shuō),其建立依據(jù)了NDVI以及地表溫度,在一個(gè)區(qū)域中,地表裸露,土壤濕度較低,而植被茂盛,則濕度較高。Sandholt等人進(jìn)行有關(guān)土壤濕度的分析得出[12],在Ts-NDVI的特征空間中等直線較多,因而對(duì)溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)這一概念進(jìn)行了提出，如圖2所示,其算式為:

圖2 Ts-NDVI 特征空間

(1)

式中:地表溫度用TS表示;最小、最大地表溫度對(duì)應(yīng)為T(mén)Smin以及TSmax。分別對(duì)應(yīng)濕邊方程以及干邊方程,算式為:

TSmax=a+b×NDVI，

(2)

TSmin=c+d×NDVI.

(3)

式中:a，b，c，d是干邊濕邊方程的系數(shù)。TVDI作為土壤濕度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將土壤濕度分為5個(gè)層次，如表1所示。

表1 TVDI土壤濕度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 分析與結(jié)果

3.1 Ts-NDVI特征空間及干濕邊方程

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，天山新疆段的植被指數(shù)、相應(yīng)的最大、最小地表溫度,對(duì)應(yīng)為T(mén)Smax以及TSmin,橫坐標(biāo)代表植被指數(shù),地表溫度值為縱坐標(biāo),獲取2020年4月至10月的每16 d的Ts-NDVI特征空間，NDVI<0的區(qū)域主要為水體、云或雪，可認(rèn)為土壤濕度為100%，故分析時(shí)僅考慮NDVI>0的像元，并擬合出多個(gè)時(shí)相的干濕邊方程，散點(diǎn)主要集中于所在區(qū)域，以保證所計(jì)算的TVDI的適宜性及精確性，如圖3所示。

根據(jù)圖3,在Ts-NDVI特征空間中的干邊和濕邊均為三角形。在植被指數(shù)高于0的情況下,植被的指數(shù)越大,地表溫度最大值變小,最小值變大,以上三者為近似線性關(guān)系。從時(shí)間上看，從4月至10月，特征空間的干邊和濕邊形狀都發(fā)生了變化，隨著植被指數(shù)的增大，研究區(qū)地表溫度的最大值呈先增大后減小趨勢(shì)，地表溫度的最小值呈緩慢增大趨勢(shì)。

圖3 Ts-NDVI特征空間

通過(guò)擬合得到各時(shí)相的干、濕邊方程，如表2所示。其中干邊的斜率均小于0，大多數(shù)濕邊斜率大于0，這也間接反映了地表溫度隨著NDVI值變化的趨勢(shì)情況。表2中干邊方程的比例系數(shù)的絕對(duì)值均大于濕邊方程的比例系數(shù)的絕對(duì)值，說(shuō)明對(duì)天山中段而言，干邊所擬合的地表溫度對(duì)植被指數(shù)的變化更加敏感。干邊濕邊的擬合效果總體較好，干邊R2的均值大于0.72，濕邊的R2的均值大于0.40。

表2 干邊和濕邊擬合方程

3.2 精度驗(yàn)證

隨機(jī)提取中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)( CLDAS )土壤相對(duì)濕度分析產(chǎn)品V2.0提供的研究區(qū)相應(yīng)日期的 0～10 cm 、0～20 cm土壤相對(duì)濕度(relative soil moisture,RSM)數(shù)據(jù)，提取 193個(gè)點(diǎn)，分別建立了TVDI與0～10 cm土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的線性回歸模型，并計(jì)算了相關(guān)系數(shù)，如圖4所示。根據(jù)回歸結(jié)果，TVDI與0～10 cm土壤相對(duì)濕度回歸分析的決定系數(shù)R2=0.257 9，相關(guān)系數(shù)R=0.507 8；0～20 cm土壤相對(duì)濕度回歸分析的決定系數(shù)R2=0.282 8,相關(guān)系數(shù)R=0.531 7。采用0～10 cm的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)TVDI進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，他們之間的相關(guān)性普遍較低，其主要原因是土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)之間的空間分辨率較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確對(duì)應(yīng)驗(yàn)證，難免會(huì)出現(xiàn)決定系數(shù)較低的情況[21-22]。結(jié)果表明，TVDI與土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)相關(guān)性隨著TVDI值的上升，土壤濕度呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，TVDI值與土壤濕度呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，TVDI值越高，土壤濕度值越低。

圖4 TVDI與0～10 cm、0～20 cm土壤濕度的擬合

3.3 天山新疆段土壤濕度時(shí)空分布特征

3.3.1 天山新疆段土壤濕度時(shí)間分布特征

天山新疆段植被生長(zhǎng)季土壤濕度總體表現(xiàn)為干旱(0.6

表3 不同時(shí)期土壤濕度面積統(tǒng)計(jì)

圖5為2020年4月至10月月份TVDI變化，從整個(gè)天山新疆段月變化來(lái)看，其2020年各月變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出先降后升，TVDI值在4月份最低0.502，10月份最高0.611，5月、6月、9月的變化基本相似，總體上波動(dòng)趨勢(shì)并不明顯，說(shuō)明4月至10月的月變化相對(duì)較穩(wěn)定。

圖5 天山中段土壤濕度不同月份變化

3.3.2 天山新疆段土壤濕度空間分布特征

利用NDVI和Ts計(jì)算的TVDI，并繪制土壤濕度等級(jí)，分析天山新疆段的土壤濕度空間分布狀況。以TVDI為土壤濕度分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將土壤濕度可分為5個(gè)層次：極干旱(0.8正常>濕潤(rùn)>極濕潤(rùn)。湖盆地區(qū),由湖面向四周土壤濕度逐漸降低,表現(xiàn)為由濕潤(rùn)到干旱。在天山新疆段的中部，土壤濕度較為穩(wěn)定，而在天山新疆段的邊緣地區(qū)綠洲與荒漠的交錯(cuò)地帶，土壤濕度變化劇烈，呈現(xiàn)明顯的差異性。

圖6 天山中段土壤濕度空間分布特征

圖7 平均TVDI空間分布特征

3.4 天山新疆段土壤濕度的影響因素分析

3.4.1 高程與TVDI之間的變化特征

天山新疆段特殊的自然地理環(huán)境，是我國(guó)巨大的山堤，地形地貌過(guò)程主要從山頂?shù)缴铰匆来味纬?。海拔最低?170 m，海拔最高為6 998 m，相差7 168 m。結(jié)合TVDI均值時(shí)空分布圖，如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在天山新疆段內(nèi)，TVDI與高程呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，大致高程高的區(qū)域TVDI值小，土壤濕度高。從高程與TVDI的關(guān)系可以看出，如圖8所示，TVDI介于0.6

圖8 不同高程等級(jí)的TVDI值

3.4.2 土地類(lèi)型與TVDI之間的變化特征

地表溫度與歸一化植被指數(shù)構(gòu)建的特征空間受到很多種因素的影響，其中一個(gè)重要的因素是土地利用類(lèi)型。利用2020年天山中段土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)，文中提取了耕地、林地、草地、水體、永久性冰川雪地、沙地、裸巖、鹽堿地、建設(shè)用地等9種不同類(lèi)型。從圖9中可以看出，除了有水體外的永久性冰川雪地的TVDI值最低，土壤濕度值最高，其次耕地、林地、草地屬于正常狀態(tài)；沙地、鹽堿地、裸巖、建設(shè)用地的TVDI值高，土壤濕度處于干旱狀態(tài)。

圖9 不同土地類(lèi)型的TVDI值

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 討 論

本研究在前人研究基礎(chǔ)上以MODIS為數(shù)據(jù)源，利用TVDI模型對(duì)天山新疆段進(jìn)行土壤濕度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，利用土地利用類(lèi)型和高程數(shù)據(jù)與該指標(biāo)的關(guān)系，研究結(jié)果表明以TVDI模型反演監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤濕度是切實(shí)可行的，這與已有相關(guān)研究結(jié)果一致[23-25]。采用0～10 cm、10～20 cm土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)TVDI進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，它們之間R2普遍較低，主要原因是利用的MODIS數(shù)據(jù)反演的TVDI和土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)空間分辨率不一致，其次土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)本身存在10%的偏差，所以難免出現(xiàn)R2較低情況。本研究主要利用NVDI指數(shù)來(lái)反演土壤濕度，由于NDVI在低值區(qū)易受到土壤背景因素的影響，在高值區(qū)對(duì)高覆蓋植被反應(yīng)不敏感，故導(dǎo)致TVDI的計(jì)算存在一定的誤差[26],今后可以考慮利用EVI，MSAVI，SAVI等指數(shù)代替NDVI來(lái)構(gòu)建特征空間。此外，本研究?jī)H對(duì)2020年4月至10月的土壤濕度進(jìn)行反演，因此今后應(yīng)采用空間分辨率更高的遙感數(shù)據(jù)，并加強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間序列的研究，另外文中分析了兩種因素與土壤濕度的關(guān)系，今后應(yīng)進(jìn)一步探討降水量、氣溫、地表溫度等多種因素與土壤濕度的相關(guān)關(guān)系，由于需要?dú)庀髷?shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行精度驗(yàn)證，今后應(yīng)加強(qiáng)其他類(lèi)型土壤濕度數(shù)據(jù)與野外采樣數(shù)據(jù)結(jié)合及精度驗(yàn)證，并進(jìn)行更大范圍的深入分析。

4.2 結(jié) 論

利用MOD11A2和MOD13A2數(shù)據(jù)反演TVDI，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)時(shí)空分布特征及地形、土地利用類(lèi)型對(duì)其的影響，主要結(jié)論如下：

1)在歸一化植被指數(shù)和地表溫度構(gòu)建的特征空間中最高地表溫度和最低地表溫度最終趨于一點(diǎn),散點(diǎn)圖為三角形；從Ts-NDVI空間構(gòu)建的干邊、濕邊方程擬合具有較好的擬合效果,干邊R2的均值大于0.72，濕邊的R2的均值大于0.40。

2)反演出的TVDI與土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)回歸分析后得到?jīng)Q定系數(shù)R2，TVDI與0～10 cm土層相關(guān)性為R2=0.257 9、TVDI與0～20 cm土層相關(guān)性為R2=0.282 8。土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)與TVDI呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，TVDI越高，土壤濕度越低，NDVI指數(shù)能夠較好的反演天山新疆段土壤濕度。

3)天山新疆段植被生長(zhǎng)季土壤濕度總體表現(xiàn)為干旱(0.6

4)土地利用類(lèi)型和高程是影響土壤濕度空間變化的重要因素，不同植被覆蓋類(lèi)型的土壤濕度具有較大差異，對(duì)于該地區(qū)，除了有水體地區(qū)外永久性冰川雪地的土壤濕度最高；TVDI與高程呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨海拔高度的增高，TVDI降低，土壤濕度增高。