高时间分辨率遥感在土壤质地空间变化识别中的应用

推测的困难。 L ev ine等 ( 1994) [ 11 ] 在美国缅因州中 部的一个区域进行研究时发现, 虽然该区域地形非 常平坦, 但是, 由于地质历史时期复杂 的冰川活动 和冲积沉积作用, 土壤属性具有很大的空间变 化。 地形条件不能体现土壤的空间差异。M cK enzie 和 Ryan( 1999) 指出 [ 12 ] , 在澳大利亚东南部地区, 存在 许多土壤的空间变化与地形、植被和土地覆被等易 于观测 的 成 土 环 境 因 素 没 有 明 显 关 系的 情 形。 O deh和 M cB ratney( 2000) 认为 [ 13] , 在地形梯度比较 大的区 域, 数字 高程 模型 ( d ig ital e levation m ode,l DEM ) 及其派生的地形属性, 可以有效地推测土壤 的空间变化, 而 在地形梯度比较小的平坦区域, 这 种推测能力显然比较低。 Dobos等 ( 2000) [ 14] 在采 用地形属性没有能够有效识别匈牙利 北部冲积平
5期
刘 峰 等: 高时间分辨率遥感在土壤质地空间变化识别中的应用
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日, 研究区域有一个 25. 2 mm 的降雨事件发生。之 前, 该区域经历了 1 个月以上仅有少量降水的干旱 期, 其特征是 气温上升较快和蒸发较大, 区域内地 表处于比较缺水的状态。另外, 庄稼还没有生长出 地面, 区域内 土壤大多处于裸露状态, 有限的稀疏 植被仅分布在河流附近和区域的西北部分。因此, 选择从 5月 12 日到 21日这段时间为遥感观测时 段, 见图 3所示。
本文方法可以分为三个步骤 ( 见图 1): ( 1) 利 用降雨事件产生地表反馈, 在降雨之后紧接的较短 时段内地表对降雨输入产生反馈; ( 2) 采用高时间 分辨率传感器捕捉地表动态反馈, 得到多时相多光 谱数据集; ( 3) 对光谱数据集进行表征, 定量计算地 表动态反馈之间的差异, 将反馈差异和土壤质地差 异关联起来。
Reso lut ion Im ag ing Spetrorad iom eter) 传感器 捕捉 地 表反馈。该传感器在白天至少可以 两次对同一地 区进行重复观测, 获取反射和发射辐射数据。在具 有相同时间分辨率的同类卫星中, 其空间分辨率和 光谱分辨率都相对较高 [ 19] 。它可提供电磁波谱范 围 0. 4~ 14. 5 m 之间 36个波段的影像。用于进行 陆面观测与研究的 7个波段是: 蓝波段 ( b lue, 459~ 479 nm ) 、绿 波段 ( green, 545 ~ 565 nm )、红 波 段 ( red, 620 ~ 670 nm )、近 红 外 1 ( N IR1, 841 ~ 875 nm )、近红外 2( N IR2, 1230~ 1250 nm ) 、短波红外 1 ( SW IR1, 1628 ~ 1652 nm ) 、短 波 红外 2 ( SW IR2, 2105~ 2155 nm )。其中, 红波段和近红外 1波段数 据的空间分辨率是 250 m, 其他 5个波段数据的空 间 分辨 率 是 500 m。根 据 研究 区 域 所在 像 幅 号 ( H 11V 04) , 收集了观测时段内 MOD IS传感器上述 7个波 段 的 逐日 地 表 反 射 率 数据 ( MOD09GA 和 MOD09GQ, v005)用于本文的研究。该数据来源于 美国 宇 航 局 ( NASA ) 开 发 的 W arehouse Inventory Search T oo l ( W IST, http: / /w is,t echo. nasa. gov / ap i/ ) 。选取数据质量较好的影像组成本文使用的
时间序列: 133、134、138、139、140 和 141( DOY, day of year) 。此外, 为了利用红和近红外波段分辨率较 高的数据, 将其他 5个波段数据重采样成 250 m # 250 m 的像元大小。
2. 3 表征地表动态反馈 在研究区域内, 每个像元的地表动态反馈都包
含来自多个波段和多个时相的光谱响应, 可以采用 线的形式来组织这些光谱响应, 如图 4所示。首先, 用时相的前后来组织光谱响应, 然后, 对于每个时相, 根据波长来组织光谱响应 (地表反射率 )。光谱响应 的这种线形表达, 称之为 光谱 - 时间响应线 。
1 引言
土壤空间信息是分布式水文模拟和现 代农业 管理的迫切需求 [ 1] 。在中度到强度地形梯度地区, 土壤空间信息往往可以根据一些易 于观测的地形 和植被条件推 测得到 [ 2- 4] 。其基础 是土壤景 观关 系理论, 它将难以获取的土壤信息与易于观测的成 土环境 因素 联系起 来, 使 这种推 测成为 可能。然 而, 在平原等地形平缓的地区, 环境梯度较小, 易于 观测获取的地形和植被等成土环境 因素与土壤的 空间协同程度通常比较低, 不能或只能部分地反映 土壤空间变 化, 难 以利用 它们有 效地推 测土壤 信 息 [ 5- 9] 。丁应祥 等 ( 1989 ) 指 出 [ 10] , 平原地区 的地 形梯度较小, 不能有效地反映土壤的空间差异, 同 时这些地区大部分都已经被开垦为农区, 自然植被 遭受破坏, 甚 至完全被人工植被所替代, 这在一定 程度上破坏了植被与土壤的相关性, 造成土壤信息
第 12卷 第 5期 2010年 10月
地 球信 息 科学 学 报
JOURNAL OF GEO INFORM AT ION SC IENCE
V ol 12, No 5 O ct , 2010
高时间分辨率遥感在土壤质地空间 变化识别中的应用
刘 峰1, 2, 朱阿兴 1, 3, 裴 韬 1, 秦承志 1, 李宝林 1
( 1. 中国科学院地理科学与资源研究所资 源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100049; 3. D epartm ent of G eography, U n ive rs ity o f
W isconsin M adison, M adison, W I 53706, U SA )
原地区土壤空间变化的情况下, 尝试利用遥感数据 获取匈牙利 北部平 原地区 的土壤 空间变 化信 息。 但是, 土壤识别效果仍然较差, 其原因在于, 易于观
收稿日期: 2010- 02- 24; 修回日期: 2010- 06- 12. 基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 40971236); 国家重点 基础研究发展计划 973 项 目 ( 2007CB407207); 国家科技攻关
摘要: 在土壤信息推测研究中, 遥 感技术通常被作为辅助手 段, 用 来提供 地形和 植被数 据, 并 利用它 们与土 壤之间 的关系推导土壤 空间信息。然而, 在平原等地形平缓的农业 区, 易 于观测的地 形和植被 等环境 因素, 通常与 土壤的 协同程度较低, 不能有效用于推测土壤质地等属性的空 间变化。对于这 类地区, 如何寻 找新的 易于获取 的变量, 以 准确地揭示土壤 属性的空间变化, 是需要解决的问题。本文 提出了利用 高时间分辨 率遥感捕 捉这类 地区土 壤质地 空间变化的方法 。采用光 谱 - 时间响应线对多时相的光谱数据进 行组织表 达, 使用 光谱信息 散度定 量刻画 不同光 谱 - 时间响应线 之间的差异。结果显示, 在相同的地形和植 被条件下, 土壤质 地相同的 区域, 其地表 动态反 馈模式 明显相似; 土壤质地不同的区域, 其反馈模式也明显不同; 土壤质地越 相似, 反馈模式 也呈相 似趋势。这 表明, 高时 间分辨率遥感获 取的地表动态反馈能够有效地指示土壤质地的空间差异。本文的工作表明了高时间分辨 率遥感在 土壤空间变化识 别方面的应用潜力。 关键词: 高时间分辨率; 遥感; 土壤质地; 空间变化
本文提出了一种利用降雨之后较短时 段内的 高时间分辨率遥感观测来识别土壤 质地空间变化 的方法, 并以加拿大马尼托巴省中南部的一个研究 区为例, 进行了分析和讨论。
2 数据和方法
在降雨之后, 地表开始逐渐 变干, 即地 表干化 过程。把地表干化过程的特征视为 地表对降雨输 入的动态反馈, 称为地表动态反馈。地表干化过程 不仅取决于土壤, 而且还受到降雨、地形、植被的影 响。假定降雨在空间上是均匀发生的, 对于平缓地 区, 在地形和 植被条件相同的情况下, 地表干化过 程将主要取决于土壤, 地表干化过程的空间 差异, 可以反映土壤的空间差异。因此, 通过地表动态反 馈可识别土壤空间变化。
图 1 土壤质地空间变化的识别与提取流程 F ig. 1 F low chart for obtain ing spatia l variation of so il texture
研究区位于加拿大马尼托巴省中南部 平原地 区 ( 图 2) , 地理范围介于北纬 49. 46~ 49. 71!N 和 西经 97. 80~ 98. 15!W 之间, 面积大约 740 km 2。根 据 Graysv ille气象站的气候数据, 区域内年 平均气
V ert iso,l G leysolic H um ic Vertiso,l O rth ic H um ic Verti so l( 相当 于变 性土土 类 ); and Rego H um ic G leyso l (相当于潜育土土类 ) [ 17 - 18 ] 。区域内具有从砂土到 粘粒的各种土壤质地, 空间变化较大。土地利用方 式主要是农业用地, 农作物主要是小麦、亚麻、向日 葵和油菜。选择该区域进行研究的主 要原因是该 研究区土壤质地具有较大的空间变化, 而地形和植 被条件的空间差异较小, 不能有效体现土壤质地变 化。
图 3 获取地表动 态反馈的遥感观测时段 F ig. 3 O bservation per iod for the acquirem ent of land
su rface dynam ic feedbacks
2. 2 捕捉地表动态反馈 采用 T erra 卫 星 上 搭 载 的 MOD IS ( M oderate
温大约 2. 7∀ , 年平均降水约 538 mm。土壤母质主 要是冰川湖 Agassiz的湖相沉积物。区域自然地理 概貌和表层沉积物是更新世末期大陆 冰盖运动的 产物 [ 16] 。区域内地势低平, 海拔高度介于 240 m 和 290 m 之间, 坡 度大多小 于 1. 5% , 平均坡 度为 0. 6% 。土 壤 亚 类 主 要 有 G leyed B lack Chernozem, G leyed Rego B lack Chernozem, Orthic B lack Cherno zem (相当于中国土壤系统分类 ( 1999) 中的均腐土 土类 ); G leyed Cumu lic Regoso,l G leyed Regoso,l O r th ic Regoso l ( 相 当于 新 成 土土 类 ) ; G leyed H um ic
图 2 研究区的地理位置和选取的 M OD IS像元的 分布位置
F ig. 2 Lo ca tion o f the study area and the se lected M OD IS p ixe ls w ith a relief map backg round
2. 1 遥感观测时段的选取 根据逐 日气象资料, 在 2002 年 5月 8日 - 11
支撑计划 ( 2007BA C15B01)。 作者简介: 刘 峰 ( 1979- ), 男, 河南新野人, 博士, 研究方向是 环境遥感与预测性数字土壤制图。
E m a i:l liu@f lre is. ac. cn
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地球 信息 科学 学报
2 010ຫໍສະໝຸດ Baidu年
测的植被条件与土壤的相关性比较差, 影响该区域 土壤空间变化的主导因素是母质和地下水, 而遥感 影像没能有 效地捕 捉到这 两个环 境因 素的信 息。 Z iadat等 ( 2003) [ 15] 在利用从航拍立体像对解译得 到的地形属性对约旦北部进行土壤制图时发现, 在 比较平坦的地区, 地形属性不能有效地指示土壤的 空间变化。因此, 对于这类区域, 如何准确 地揭示 土壤的空间变化是一个需要解决的问题。