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农田土壤水分遥感反演及其时空变异特征分析

魏国栓  
【摘要】: 土壤湿度是气候、水文、生态、农业等领域的重要参数,在地表与大气界面的水分和能量交换中起重要作用。土壤湿度的变化会引起土壤热学特性的改变、地表光学特性的改变,从而影响气候的变化。区域性和大尺度的陆地土壤湿度变化信息对于陆-气交互作用平衡和陆面水文研究、改善区域及全球气候模式预报结果、水涝和干旱的监测、农作物生长态势评估、自然和生态环境问题的研究等都是十分关键的因素。遥感能够快速方便地获取大区域的地表信息,因而,使用遥感手段反演区域或大范围不同深度的土壤水分以及研究其时空变异性和影响因子具有重要意义。 本文在综述国内外土壤水分的遥感定量反演研究文献基础上,分析了各种定量反演土壤水分的遥感模型,结合仪征地区当地农田作物的根系特征,选择使用温度/植被指数(Ts/NDVI)模型来反演农田深层的土壤湿度,并且利用主成分分析的方法对仪征地区土壤水分的影响因子进行了分析。主要研究结果如下: 1.对地面实测数据进行了初步分析,使用克吕格方法对仪征地区2004年5月、2004年9月、2004年11月、2005年3月和2005年5月实测的0-20cm和20-40cm深度土壤湿度数据进行地统计插值,统计结果显示仪征地区0-20cm深度土壤湿度的基底比平均值为58.53%,20-40cm深度土壤湿度的基底比平均值为55.58%,均为中等的空间相关性。说明该区域由非区域因素引起的变异超过50%左右,非区域因素起的作用表现的比较明显,这与仪征地区实际状况相吻合,仪征紧邻长江、河网密布、灌溉比较发达,使当地的土壤含水量受人为因素影响比较大。 2.利用2004年和2005年1km空间分辨率、8天合成的MODIS地表温度产品和1km分辨率、16天合成的MODIS植被指数产品,使用Ts/NDVI法反演了仪征地区2004年5月、9月、11月和2005年3月、5月共五个月的20-40cm深度的土壤湿度,并使用与卫星同步的野外采样点数据进行验证及与使用地统计插值的结果相比较,结果显示本研究采用Ts/NDVI法反演0-20cm和20-40cm深度的土壤湿度可以达到较高的精度,有一定的应用价值。与地统计插值结果相比,使用遥感法反演的土壤湿度可以不依靠地面数据,而且更加快速、迅捷。 3.使用遥感手段反演的仪征地表土壤湿度信息反映了该地区湿度分布的整体趋势,仪征地区土壤湿度分布图表明仪征地区主要存在两个土壤湿度高值区,分别位于仪征南部的长江冲积平原和西北部的谷底平原地带;土壤湿度低值区主要分布在仪征中部的缓岗丘陵区。 4.利用遥感反演的结果对仪征地区土壤水分空间分布的各影响因子进行了分析,本研究中各影响因子主要包括地形、潜水埋深、耕层厚度、土壤容重、土壤孔隙度及土壤非毛管孔隙度。结果在中等含水量土壤水分状态下,0-20cm深度土壤水分分布的主要影响因子为潜水埋深、地形和耕层厚度,20-40cm深度土壤水分分布的主要影响因子为地形、潜水埋深和耕层厚度;高含水量和低含水量状态下,0-20cm深度土壤水分分布的主要影响因子为地形和耕层厚度,而在20-40cm土壤深度本研究所列影响因子均不是主要影响因子。


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