基于TVDI的大范围干旱区土壤水分遥感反演模型研究_赵杰鹏

情况在诸如新疆地 区 面 积 大 、 垂直分带明显的地区 尤为明显 ； Ｄ Ｉ模型对干边的模拟过于简 ③ 通常 ＴＶ
［９］ 单， 虽然 Ｓ 在 地 表 蒸 散 反 演 中， 对干边的 ｔ ｉ ｓ ｅ ｎ等 ２
但用于土壤水分反演的 估算进 行 了 初 步 的 改 进 ， 这 也 使 得 ＴＶ ＴＶ Ｄ Ｉ模型中的 研 究 还 很 少 ， Ｄ Ｉ模 型 在反演地表土壤水分时存在不足 。
第 ６ 期 赵杰鹏等 ： 基于 ＴＶ Ｄ Ｉ的大范围干旱区土壤水分遥感反演模型研究 ７ ４ ３ ） ） 了植被指数 （ 与地表温度 （ 进行干旱监测 Ｎ Ｄ Ｖ Ｉ Ｔ ｓ ） 、 比如温度植被指数 （ 植被供水指 的综合模型 ， ＴＶ Ｉ
［ ］ ［ １ ９ ２ ０ ２ １］ － ） 、 ） 、 数（ 水分亏缺指数 （ 条件植被 Ｖ ＳＷ Ｉ ＷＤ Ｉ ［ ２ ２］ ） 温度指 数 （ 和温度植被干旱指数（ ＶＴ Ｃ Ｉ ＴＶ － ［ ４， ２ ３］ ） 等 。 这些方法在反演植被生长状况 、 地表土 Ｄ Ｉ
［ ］ ２， １ ２ １ ３ －
。 植被指数
是研究土壤湿度与遥感植被信息相互关系的重要手 ） 、 段， 研究表明 ， 标准的植被光谱指数（ 植被状 Ｓ Ｖ Ｉ ） 等都与土壤湿度有一定关 系 。 当 作 物 况指数 （ Ｖ Ｃ Ｉ 缺水 ， 受水分胁迫作物的生长将受到影响 ， 植被指数
］ １ ４ １ ５ － 。国内学者也利用 Ｖ 将会降低 ［ Ｃ Ｉ研究了土壤 湿度状况 ， 应用 Ｖ 对干 Ｃ Ｉ 结 合 常 规 资 料 综 合 分 析， ］ １ ６ １ ８ － 。 旱状况进行宏观动态监测 ［
第２ ６卷 第６期 ２ ０ １ １年１ ２月
遥 感 技 术 与 应 用 ＲＥＭＯＴＥ Ｓ ＥＮ Ｓ Ｉ ＮＧ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＡＰ Ｐ Ｌ Ｉ ＣＡＴ Ｉ ＯＮ
Ｖ ｏ ｌ． ２ ６ Ｎ ｏ． ６ Ｄ ｅ ｃ． ２ ０ １ １
基于 Ｔ Ｖ Ｄ Ｉ的大范围干旱区土壤水分 遥感反演模型研究
其 中 ＴＶ 壤水分等方面都有 所 应 用 ， Ｄ Ｉ方 法 应 用 最 广泛
［ ］ ２ ４ ２ ９ －
。 但是 ， ＴＶ Ｄ Ｉ模 型 在 估 算 较 大 区 域 的 土
壤水分时 ， 由于统计 特 征 空 间 区 域 内 太 阳 总 辐 射 不 主 均和大气背景条件 不 一 致 而 导 致 反 演 精 度 降 低 ， 要问题有 ： ① 遥感云掩膜产品通常对云的去除不彻 底， 导致边 缘 像 元 的 土 壤 水 分 反 演 结 果 误 差 较 大 ； 南 北 纬 度 跨 距 较 大 时， 如沙 ② 研究区内地形 起 伏 、 漠与山地毗邻 ， 垂直分带明显 ， 会因为各像元接受的 太阳总辐射和大气背景的差异带来 ＴＶ Ｄ Ｉ计算的误
赵杰鹏 ， 张显峰 ， 廖春华 ， 包慧漪
（ ） 北京大学遥感与地理信息系统研究所 ， 北京 １ ０ ０ ８ ７ １ （ 摘要 ： 温度植被干旱指数 ＴＶ 是一种基于光学与热红 Ｄ Ｉ Ｔ ｅ ｍ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｖ ｅ ｅ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｄ ｒ ｎ ｅ ｓ ｓ Ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ） ｐ ｇ ｙ 外遥感通道数据进行植被覆盖区域表层土壤水分反演的方 法 。 当 研 究 区 域 较 大 、 地表覆盖格局差 异显著时 ， 利用 ＴＶ 精 度 通 常 较 低。对 Ｓ Ｄ Ｉ模型来反 演 陆 表 土 壤 水 分 ， ａ ｎ ｄ ｈ ｏ ｌ ｔ的 ＴＶ Ｄ Ｉ土 壤 水 分 反演模型进行了改进 ： 利用云掩膜校正和多天平均温度合成来减少云的影响 ； 同时对研究区域地形 覆盖类型差异的影响进行了消除 ； 对 ＴＶ 使用铝 起伏 、 Ｄ Ｉ模型干边的模 拟 方 法 进 行 了 改 进 。 最 后 ， 盒采样等方法利用新疆地区观测得到的地面数据来拟合改进后的模型参数 ， 并对 ２ ０ ０ ９ 年 ５ 月和 ８ 月的土壤水分进行了反演实验 。 与实测数据的比较分析表明 ， 该模型能基本满足大区域土壤水分 反演的要求 ， 改进后的模型对新疆地区的土壤水分估算精度有较显著的提高 。 ； 关 键 词： 土壤水分 ； 植被覆盖 ； 干边模型 ； 云掩膜 ＴＶ Ｄ Ｉ （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ７ ９ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ ０ ３ ２ ３ ２ ０ １ １ ０ ６ ０ ７ ４ ２ ０ ９ － － －
术监测土壤水分的 主 要 方 法 包 括 ： 基于光学遥感的 热惯量法
［ ］ ２ ３ －
、 ） 基于光 学 遥 感 的 植 被 指 数 （ 与 Ｎ Ｄ Ｖ Ｉ
［ ４］
） 地表温度 （ 法 Ｔ ｓ
及基于微波的反演方法
［ ］ ５ ６ －
。目
［ ］ 前微波遥感反演 地 表 含 水 量 的 方 法 有 Ｎ ｏ ｋ ｕ 等 ５－７ ｊ 建立的基于 ＡＭＳ Ｒ－ Ｅ 传感器的迭代算法和回归算 ］ ８ ９ － 法及其改进 。 在国内 ， 毛克彪等 ［ 也通过对被动微
） 的原理 ２ 温度植被干旱指数 （ ＴＶ Ｄ Ｉ
温度 植 被 干 旱 指 数 是 利 用 Ｔ ｓ Ｄ Ｖ Ｉ特 征 空 间 －Ｎ 提取的水分胁迫指标来估算陆面表层土壤水分的一
但是 ， 单纯利用植被指数或冠层温度法监测土 壤水分状况 ， 都存在局限性 。 将二者集成起来 ， 建立
波传感器多通道双 极 化 的 分 析 研 究 ， 提出了土壤水
； 收稿日期 ： 修订日期 ： ２ ０ １ ０ １ ２ ０ ８ ２ ０ １ １ ０ ８ ０ ２ － － － － （ ） ， 基金项目 ： 国家 ８ 基于 ＭＯ 国家自然科学 ６ ３ 计划项目 “ Ｄ Ｉ Ｓ 与 ＡＭ Ｓ Ｒ－Ｅ 遥感数据的土壤水分协同反演与同化技术研究 ” ２ ０ ０ ８ ＡＡ １ ２ Ｚ １ １ ２ ） ， ） 基金项目 （ 国家科技支撑计划项目 （ 资助 。 ４ １ ０ ７ １ ２ ５ ７ ２ ０ ０ ７ Ｂ ＡＨ １ ２ Ｂ ０ ５ ， ： 。 作者简介 ： 赵杰鹏 （ 男， 陕西汉中人 ， 硕士研究生 ， 主要从事地表参数遥感反演研究 。Ｅ－ｍ １ ９ ８ ６－ ） ａ ｉ ｌ ｂ ａ ｎ ｚ ｈ ｕ ０ ２ ７＠ｙ ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ ， ： 。 通讯作者 ： 张显峰 （ 男， 北京市人 ， 副教授 ， 主要从事生态与环境参数遥感反演与陆面数据同化研究 。Ｅ １ ９ ６ ７－ ） ａ ｉ ｌ ｘ ｆ ｚ ｈ ａ ｎ ｋ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ －ｍ ＠ｐ ｇ
３ ０］ ， 差［ 从而导致 ＴＶ 这种 Ｄ Ｉ模 型 反 演 精 度 的 下 降 ，
３ ＴＶ Ｄ Ｉ模型的改进
首先对 ＭＯ Ｄ Ｉ Ｓ 地表温度产 品 进 行 云 掩 膜 拓 展 利 用 连 续 两 期 ＭＯ 和１ ６ｄ 平均 值 合 成 （ Ｄ Ｉ Ｓ 的 ８ｄ 平均值陆面温度产 品 进 行 均 值 合 成 得 到 ） 来降低云 然 后， 对 于 由 地 势 起 伏、 经向太阳辐 对反演的影响 ， 射和大气背景条件差异以及干边拟合问题所引起的 以提高 ＴＶ 误差进行了消除 ， Ｄ Ｉ模型的反演精度 。 ３． １ 降低云对反演结果的影响 ３． １． １ 对 ＭＯ Ｄ Ｉ Ｓ 云掩膜产品加以扩展 对于可见光 、 热红外通道获取 的 大 范 围 遥 感 数 据来说 ， 云的 影 响 往 往 是 不 可 避 免 的 ， 对 ＴＶ Ｄ Ｉ模 云的存在使得到达地 面 各 个 像 元 的 型的影响包括 ： 太阳总辐射不 均 衡 ， 大气背 景 条 件 存 在 差 异； 云的 并 最 终 影 响 ＴＶ 存在影响地表温 度 的 反 演 精 度 ， Ｄ Ｉ 模型的精度 。 对云的影响大致有两 种 处 理 ： 一种是 去云处理 ， 把一些受到稀薄 云 层 影 响 的 数 据 恢 复， 消除云的影响 ； 另一种是检 测 云 的 存 在， 并用掩膜 处理掉 ， 不参 与 计 算 。 大 部 分 情 况 ， 为了保证反演 需要把有云的地方掩 膜 处 理 ， 比 如 ＭＯ 的精度 ， Ｄ Ｉ Ｓ 陆面温度产 品 。 但 在 很 多 情 况 下 云 的 面 积 大 小 会 被低估 ， 利用 ＴＶ Ｄ Ｉ反演土壤含水量 的 精 度 在 某 些 边缘区域 ， 精度 会 因 为 Ｔ ｓ的 反 演 误 差 而 降 低。 本 文的解决办法是对云掩膜产品向外 扩 展 几 个 像 元 。 ， 图１ 为 ２ 其 中， ０ ０ ９年５月１ ２ 日 计 算 的 ＴＶ Ｄ Ｉ （ ） 、 （ ， 图１ 分别为校正前后的 ＴＶ 其中空白区 ａ ｂ） Ｄ Ｉ 域为受 云 影 响 而 做 的 掩 膜 ， 对 于 ＭＯ Ｄ Ｉ Ｓ产品而 言， 如果不进行 云 掩 膜 的 扩 展 ， 在云掩膜周围的区 域会产生错 误 的 低 值 ， 如 图 １（ 中白色区域外围 ａ） 去 除 这 些 区 域 后 再 进 行 ＴＶ 的绿 色 区 域， Ｄ Ｉ的 计 算， 可以提高 Ｔ ｓ 的反演精度 。
征空间呈梯形的基 础 上 ， 从理论上计算梯形４个顶 结果表明 ， 在不同的植被覆盖度条件下 ， 点坐标 ， Ｔ ｓ － 随植被覆盖度而 Ｎ Ｄ Ｖ Ｉ特征空间的最低温度 （ Ｔ ｓ ｍ ｉ ｎ） 我们将 Ｔ 不同 。 在此 ， ｓ Ｄ Ｖ Ｉ特 征 空 间 简 化 处 理 －Ｎ 为三角形 的 同 时 ， 对Ｔ ｓ ｓ ｍ ａ ｘ和 Ｔ ｍ ｉ ｎ同 时 进 行 线 性 拟 ） ， 合， 如式 （ １ ａ、 ｂ 可以从 Ｔ ｓ Ｄ Ｖ Ｉ特征 空 间 的 干 边 －Ｎ ， 拟合 得 到 Ｔ ｓ ａ ｂ Ｄ Ｖ Ｉ Ｔ ｓ ｍ ａ ｘ＝ １＋ １ ·Ｎ ｍ ａ ｘ相 当 于 相 同 ， Ｎ Ｄ Ｖ Ｉ像 元 下 的 最 高 温 度 ； Ｔ ｓ ａ ｂ Ｄ Ｖ Ｉ ｍ ｉ ｎ＝ ２＋ ２ ·Ｎ Ｔ ｓ Ｄ Ｖ Ｉ像 元 下 的 最 低 温 度 。 像 元 ｍ ｉ ｎ相 当 于 相 同 来自百度文库 点的 ＴＶ 之 间， 湿 边 的 ＴＶ Ｄ Ｉ取值在 ［ ０， １］ Ｄ Ｉ最 小 ， 为 ０， 土壤含水量接近田间持水量 ； 干 边 的 ＴＶ Ｄ Ｉ最 大， 为 １， 土壤含水量接近萎蔫系数 。
， ， ， 引 用 格 式： Ｚ ｈ ａ ｏ Ｊ ｉ ｅ ｅ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ Ｘ ｉ ａ ｎ ｆ ｅ ｎ Ｌ ｉ ａ ｏ Ｃ ｈ ｕ ｎ ｈ ｕ ａ ｅ ｔ ａ ｌ． ＴＶ Ｄ Ｉ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ Ｓ ｏ ｉ ｌ Ｍ ｏ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｒ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｖ ａ ｌ ｆ ｒ ｏ ｍ Ｒ ｅ － ｐ ｇ ｇ ｇ ［ ］ ， ： ｍ ｏ ｔ ｅ ｌ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｅ ｄ Ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｖ ｅ ｒ Ｌ ａ ｒ ｅ Ａ ｒ ｉ ｄ Ａ ｒ ｅ ａ ｓ Ｊ ． Ｒ ｅ ｍ ｏ ｔ ｅ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｎ ｄ Ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ １ １， ２ ６（ ６） ７ ４ ２ ７ ５ ０． － ｙ ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｐ
［ ］ 赵杰鹏 ， 张显峰 ， 廖春华 ， 等． 基于 ＴＶ 遥感技 Ｄ Ｉ的大范围干 旱 区 土 壤 水 分 遥 感 反 演 模 型 研 究 ［ Ｊ ． （ ） ： ］ 术与应用 ， ２ ０ １ １， ２ ６ ６ ７ ４ ２ ７ ５ ０． －
１ 引 言
在地 球 系 统 中 ， 土壤水分是陆地和大气能量交 换过程中的重要因子 ， 并对陆表蒸散 、 水的运移和碳 循环有控制作用 ， 也是大气 、 水文 、 生态 、 农业等领域
１］ 。 国内外用遥感技 衡量土壤干旱程度的重要指标 ［
分反演的 算 法 。 热 惯 量 法 反 演 土 壤 水 分 的 模 型 研
１ ０］ ， 究， 从土壤热 惯 量 的 解 析 式 计 算 ［ 到热量平衡与 １ １］ ， 热传导方程的化简与计算 ［ 建立 了 许 多 热 惯 量 模
式用于土壤水分的遥感反演模型