鞍山地區(qū)低溫期土壤水遙感反演方法的改進(jìn)與應(yīng)用

胡強(qiáng)光，付 鑫

(遼寧江河水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，沈陽(yáng) 110003)

0 前 言

土壤水遙感反演在當(dāng)前已經(jīng)逐步成為區(qū)域水循環(huán)和農(nóng)業(yè)干旱研究的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。多個(gè)研究成果表明，土壤水受到土壤溫度的影響較為明顯，尤其是縱向土壤含水量的分布受到土壤溫度影響較大。近些年來(lái)，土壤水遙感反演大都主要針對(duì)溫度較高時(shí)期土壤水的遙感反演計(jì)算。李伯祥基于Sentinel多源遙感數(shù)據(jù)對(duì)河南省景縣農(nóng)田土壤水分進(jìn)行協(xié)同反演研究，研究結(jié)果表明在溫度較高時(shí)期，多源遙感數(shù)據(jù)下的土壤水分反演精度較高，而溫度較低時(shí)期，反演的精度很難達(dá)到理想的效果。趙淑鮮基基于粗糙度參數(shù)對(duì)土壤水分微波遙感反演算法進(jìn)行適用性分析，分析結(jié)果表明粗糙度參數(shù)可一定程度的提升低溫期土壤水分的反演精度，但總體精度還不能滿足土壤墑情監(jiān)測(cè)的規(guī)定要求。王龍通過(guò)研究表明具有較強(qiáng)物理基礎(chǔ)理論的熱慣通量模型可提升區(qū)域土壤水反演精度，在低溫期也有較好的反演精度，但傳統(tǒng)熱慣通量模型并未能將高溫期和低溫期土壤水分進(jìn)行分別反演，而是對(duì)整個(gè)時(shí)期土壤水進(jìn)行遙感反演，存在均化的影響[1-3]。鞍山地區(qū)位于遼寧省，屬于東北地區(qū)，冬季和春季，土壤溫度均較低，尤其是春季，土壤水分對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)影響較為明顯，為提高區(qū)域土壤水分監(jiān)測(cè)精度，需要將土壤水遙感數(shù)據(jù)和地面墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤水分的全方位監(jiān)測(cè)，從而滿足春季旱情監(jiān)測(cè)需求[4]。為此文章針對(duì)傳統(tǒng)方法未能完全單一考慮低溫期土壤水分模擬影響，對(duì)低溫期土壤水遙感方法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合實(shí)測(cè)土壤水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)方法的探討。研究成果對(duì)于提高北方低溫期土壤水監(jiān)測(cè)具有重要的意義。

1 改進(jìn)方法

文章在傳統(tǒng)熱慣通量模型模型的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行高溫期和低溫期土壤水的反演，從而對(duì)傳統(tǒng)遙感反演方法進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方法對(duì)地表潛熱和顯熱的條件進(jìn)行了改進(jìn)計(jì)算：

(1)

方程中Tmax土壤溫度最大值，℃；a為陸面反射率；S0為參數(shù)值，一般取值為1367W·m-2；Cτ為太陽(yáng)短波輻射；ω為太陽(yáng)自轉(zhuǎn)角，°；B為土壤蒸發(fā)潛熱；A1為轉(zhuǎn)換參數(shù)；Hx和LEx分別表示為土壤顯熱通量，w/m2。

陸面溫度采用地表溫度調(diào)整曲線進(jìn)行計(jì)算，方程為：

(2)

(3)

式中：tm為陸面最大溫度出現(xiàn)的時(shí)段，h；Pn和Pd分別為夜間和白天的時(shí)段長(zhǎng)，h；Tmean為日平均溫度，℃，文章采用MODIS遙感數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)日平均溫度進(jìn)行反演；T2(t)為的遙感衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的陸面溫度，℃。

通過(guò)建立土壤含水量與含水率之間的線性方程來(lái)對(duì)土壤含水量進(jìn)行反演，線性方程為：

θ0(t)=R0(t)(θsat0-θres0)+θres0

(4)

式中：θ0(t)為對(duì)應(yīng)t時(shí)刻的土壤含水量，%；θres0為剩余土壤含水量，%；θsat0為飽和含水量，%；R0為飽和土壤含水系數(shù)。建立底層和表層含水量之間的線性方程對(duì)深層含水量進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：C為土壤水?dāng)U散系數(shù)；θ1為地表3mm以下的土壤含水量，%；θ0為地表1mm-3mm土層含水量，%。

2 不同方法的對(duì)比探討

2.1 區(qū)域概況

文章以鞍山地區(qū)為研究實(shí)例，鞍山地區(qū)位于遼寧的中部平原地區(qū)，區(qū)域多年平均土壤水分在20%-40%之間，在冬季和春季低溫期，鞍山地區(qū)凍土層的厚度在45-50cm之間，而這一時(shí)期也是土壤水分含量較低的階段，這一階段土壤水分含量低于20%，尤其是在春季初始階段，低溫期土壤含水量很難滿足農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)需求。近些年來(lái)，隨著土壤墑情監(jiān)測(cè)力度的加大，截止到2020年，鞍山地區(qū)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)達(dá)到20余處，人工觀測(cè)墑情站點(diǎn)10余處，基本可滿足區(qū)域土壤墑情的監(jiān)測(cè)需求。當(dāng)前，隨著土壤水遙感反演技術(shù)的日趨成熟，通過(guò)土壤水遙感反演可實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤水空間分布的全覆蓋，顯著提升其在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的重要支撐作用，其這種方式時(shí)效性高且經(jīng)濟(jì)效益顯著，相比于自動(dòng)墑情站點(diǎn)、人工站點(diǎn)，這種方式的成本較低，近些年來(lái)，隨著土壤水遙感反演精度的提升，這種方法推廣應(yīng)用程度也越來(lái)越高，為探討土壤水遙感反演在遼寧地區(qū)的適用性，文章以鞍山地區(qū)為實(shí)例，并對(duì)傳統(tǒng)反演方法進(jìn)行改進(jìn)，提出適合于北方地區(qū)低溫期的土壤水反演改進(jìn)方法，并結(jié)合實(shí)測(cè)墑情數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)方法的精度進(jìn)行過(guò)探討[5-7]。

2.2 資料概況

選取由中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所開(kāi)發(fā)的基于微波數(shù)據(jù)同化的中國(guó)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集(ITP-SM)在遼寧鞍山地區(qū)開(kāi)展遙感土壤水反演研究。該產(chǎn)品覆蓋時(shí)段為2014-2018年，空間分辨率為0.25°，能夠提供每天0-5cm，5-20cm和20-100cm深度的土壤含水量狀況。

2.3 參數(shù)設(shè)置

基于微波數(shù)據(jù)同化的中國(guó)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集(ITP-SM)，模型需要針對(duì)不同土壤類型進(jìn)行對(duì)應(yīng)的土壤含水量參數(shù)設(shè)置，設(shè)置結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同土壤類型參數(shù)設(shè)置

2.4 精度對(duì)比

結(jié)合鞍山地區(qū)4個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)方法前后土壤水反演精度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土壤水反演精度分析結(jié)果

續(xù)表2 土壤水反演精度分析結(jié)果

從對(duì)比分析結(jié)果可看出，相比于改進(jìn)前，采用改進(jìn)后的方法后，各土壤水監(jiān)測(cè)點(diǎn)與反演的土壤水之間的相對(duì)誤差均可在±20%以內(nèi)，相比于改進(jìn)前，改進(jìn)后的土壤水反演相對(duì)誤差降低9.3%，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)后的土壤水遙感反演方法，可綜合考慮土壤地表潛熱和顯熱條件下對(duì)土壤水反演精度影響，可顯著提升低溫期土壤水的反演精度，而在北方地區(qū)，土壤低溫期時(shí)間一般較長(zhǎng)，而低溫期土壤水反演精度的提升，也勢(shì)必增加整個(gè)反演期土壤水的精度。均方根誤差代表土壤水反演的系統(tǒng)偏差，從分析結(jié)果可看出，采用改進(jìn)前后的土壤水反演方法的均方根誤差均低于0.1，表明改進(jìn)前后的土壤水遙感反演方法均不存在系統(tǒng)偏差，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)前后的土壤水反演方法均可實(shí)現(xiàn)土壤水分的系統(tǒng)模擬，但由于改進(jìn)后的方法實(shí)現(xiàn)了低溫期土壤水份精度的改善，使得其相對(duì)誤差減小，因此對(duì)于高溫期土壤水反演，改進(jìn)前后的土壤水反演方法均適用。此外，從分析結(jié)果還可看出，不同土壤類型對(duì)于土壤水反演精度也有影響，砂土相比于黏土，土壤水反演精度更為穩(wěn)定[8-9]。

3 結(jié) 論

1)改進(jìn)后的方法可實(shí)現(xiàn)0-5cm，5-20cm和20-100cm深度的土壤含水量反演，可為區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，并適用于北方低溫期及凍土期土壤水反演。

2)土壤溫度是土壤水遙感反演的重要影響因素，而土壤類型也對(duì)其反演精度產(chǎn)生一定程度的影響，砂土類型下土壤水反演穩(wěn)定性要好于黏土，一般情況下，隨著土壤深度的增加，土壤水遙感反演精度逐步降低。

3)改進(jìn)前后的土壤水反演均方根誤差均低于0.1，表明兩種方法均未出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，因此在高溫期土壤水反演兩種方法皆適用，但是低溫期建議采用改進(jìn)方法提高土壤水反演精度。