黃河三角洲土壤含水量狀況的高光譜估測與遙感反演

引言

土壤含水量是陸地和大氣能量交換過程中的重要因子，對陸地表面蒸散、水的運(yùn)移、碳循環(huán)具有很強(qiáng)的控制作用，是氣候、生態(tài)、水文、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域衡量土壤干旱水平的重要指標(biāo)。土壤水分也是研究植物水分脅迫、監(jiān)測作物旱情的最基本因子。為了提高土壤水分利用率，減少無效蒸發(fā)，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，因此需要對土壤水分進(jìn)行監(jiān)測。黃河三角洲是我國高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)，對該區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地遙感土壤水分監(jiān)測，對于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。

傳統(tǒng)的土壤水分測定方法，如取土烘干法、中子水分儀法、張力計(jì)法等均是以點(diǎn)測量為基礎(chǔ)，雖然精度高，但范圍有限，工作量大，已經(jīng)難以滿足區(qū)域性土壤含水量監(jiān)測的實(shí)際需要。土壤水分模型方法通過建立水分平衡方程求解土壤水分，可提供適時(shí)的土壤水分信息，但實(shí)驗(yàn)需要大量相關(guān)參數(shù)，估測誤差較大。用遙感反演手段獲取土壤含水量，具有范圍大、時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法上的不足。高光譜遙感技術(shù)憑借其極高的光譜分辨率，快速獲取地面土壤的反射光譜信息，為土壤水分監(jiān)測提供了一種新的技術(shù)手段。因此，地面實(shí)測高光譜與多光譜遙感影像相結(jié)合，為土壤水分狀況的定量反演和遙感監(jiān)測提供了新的思路。

目前國內(nèi)外學(xué)者在高光譜與土壤含水量的關(guān)系，光譜數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)開展了大量的研究。但利用高光譜窄波段結(jié)合寬波段多光譜衛(wèi)星影像，對區(qū)域尺度土壤含水量監(jiān)測的研究尚不多見。

本研究以黃河三角洲為研究區(qū)，從室外高光譜以及土壤含水量實(shí)測數(shù)據(jù)入手，采用波譜組合和多元逐步線性回歸分析方法，建立基于高光譜的土壤含水量估測模型，并將其應(yīng)用到LandSat8遙感影像，反演區(qū)域土壤含水量狀況，為土壤含水量的遙感定量反演提供技術(shù)參考。

材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲北臨渤海灣，東靠萊州灣，具有獨(dú)特的地理位置和氣候特征。氣候變化、黃河水沙變化、陸海相互作用以及人類活動構(gòu)成區(qū)域自然環(huán)境演變的主要驅(qū)動因素，區(qū)域環(huán)境生態(tài)表現(xiàn)出極強(qiáng)的動態(tài)性、脆弱性和典型性。

本研究選擇黃河三角洲典型區(qū)墾利縣，該縣地處黃河最末端，是現(xiàn)代黃河三角洲的重要組成部分，黃河自該縣西南向東北貫穿入海。地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季干冷，夏季濕熱，四季分明。降水量分布極不均勻，具有春旱、秋澇、晚稻收割又旱的特點(diǎn)。黃河為該縣主要淡水來源，也是地下水的主要補(bǔ)給源。但地下水埋深淺，礦化度高，難以利用。墾利縣位于黃河三角洲的扇形區(qū)邊緣，具有典型的三角洲地貌特征，整個(gè)地勢西南高，東北低，形成了崗、坡、洼相間的復(fù)雜的地貌類型及砂、壤、黏相間的多種土體構(gòu)型。土壤為潮土和鹽土兩大類型，質(zhì)地輕，養(yǎng)分貧乏，鹽化程度較高。自然植被多為耐鹽堿的草本植物和灌木，農(nóng)田作物以小麥、玉米、水稻和棉花為主。

2.2 實(shí)地調(diào)查與采樣

本研究在墾利縣進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與采樣。在全縣均勻布設(shè)61個(gè)樣本點(diǎn)（不含灘涂區(qū)域），見圖1。選取約900m2的平整地塊，其土壤類型、地表覆蓋狀況接近，每個(gè)地塊采集3個(gè)表層土樣。土樣裝入密封袋進(jìn)行編號，同時(shí)記錄采樣點(diǎn)的土地利用類型、植被類型、植被覆蓋度、土壤類型等情況，并記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)。

圖1 野外實(shí)測樣點(diǎn)分布圖

2.3 高光譜數(shù)據(jù)采集與處理

土壤高光譜測定可采用萊森光學(xué)iSpecField光譜儀。將野外采回的土樣保持原狀，在室外自然光照條件下對純土壤進(jìn)行光譜測定，測量期間選擇晴朗無風(fēng)的天氣，盡量避免環(huán)境變化過大。將盛樣皿內(nèi)土壤刮平，使其表面盡量平整。將裝滿土樣的盛樣皿放在反射率近似為0的黑色橡膠墊上，每次采集目標(biāo)光譜前后均進(jìn)行參考板校正，在視場范圍內(nèi)重復(fù)測量10次，取平均土壤光譜反射率。

2.4 土壤含水量測定

土壤含水量采用質(zhì)量含水量表示，待光譜測定完畢之后以烘干法進(jìn)行測定。過程如下：取鋁盒在105℃烘箱中放置2h后，稱重W，按需取約10g表層土樣放入鋁盒中，加蓋后稱重（鋁盒加土壤重量），記為W1，去蓋放入烘箱中，在105℃條件下烘8h，至恒重，取出加蓋后稱重（鋁盒加干土的重量），記為W2。計(jì)算公式為：

取三次重復(fù)，求其平均值即為該土壤質(zhì)量含水量。

2.5 遙感數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

研究使用LandSat8遙感影像，選取OIL傳感器的前7個(gè)波段影像，采用ENVI下的FLAASH模塊對LandSat8影像進(jìn)行大氣輻射校正。以經(jīng)過幾何精校正的2011年的墾利縣遙感影像為參考，利用二次多項(xiàng)式糾正模型和最鄰近像元重采樣方法進(jìn)行影像幾何精校正，誤差控制在一個(gè)像元以內(nèi)。由于采樣時(shí)未涉及到沿海灘涂，為了保證最后遙感反演結(jié)果的準(zhǔn)確性，以墾利縣2012年不包括灘涂的行政區(qū)劃作為邊界，對遙感影像進(jìn)行裁剪，得到研究區(qū)去除灘涂后的遙感影像。

2.6 光譜數(shù)據(jù)擬合與波段組合

地物光譜儀測得的光譜數(shù)據(jù)波段為350～2500nm，有2000多個(gè)波段，而LandSat8只有7個(gè)波段，為便于反演模型的應(yīng)用，本研究采用兩種方法將實(shí)測的高光譜窄波段反射率擬合為LandSat8寬波段反射率。

一是選用LandSat8影像波段中心波長反射率，采用高光譜相對應(yīng)的波長反射率進(jìn)行擬合；二是選用LandSat8各波段范圍對應(yīng)的高光譜的平均反射率進(jìn)行擬合。具體見表1。

表1 波段擬合方法

波段組合是地物參數(shù)遙感反演常用的方法，通過波段組合形成包含多波段信息的新的光譜參量。有研究表明，特定的波段組合可以消除背景噪聲的影響，提高模型反演地物參數(shù)的精度。比值、差值、上加下減和上減下加波段組合方式因運(yùn)算簡單而使用廣泛，本研究就是采用這4種波段組合方式，分別對兩兩波段反射率進(jìn)行4種運(yùn)算，生成光譜參量反演地表土壤含水量。

2.7 遙感反演與分析

利用野外記錄的采樣點(diǎn)GPS坐標(biāo)得到采樣點(diǎn)在遙感影像上的位置，進(jìn)而在遙感影像上獲取各個(gè)采樣點(diǎn)的遙感地表真實(shí)反射率。對于衛(wèi)星遙感影像而言，往往植被與土壤同時(shí)存在于像元中，土壤含水量的反演不可避免地會受到植被光譜信息的影響，而土壤含水量高光譜估測模型是基于純土壤建立的估測模型，因此剔除遙感影像上植被光譜信息對土壤水分的干擾，是實(shí)現(xiàn)土壤含水量準(zhǔn)確反演的有效途徑。本研究采用線性混合像元分解的方法從原始影像混合光譜中將植被光譜剔除，進(jìn)而獲取土壤反射率光譜信息，采用的像元二分模型。由此，剔除植被光譜后的土壤光譜信息。首先計(jì)算研究區(qū)遙感影像的NDVI，將NDVI小于0的水體（或云）去除，統(tǒng)計(jì)剩余影像的NDVImax和NDVImin。挑選NDVI大于0.78的多個(gè)像元，統(tǒng)計(jì)光譜特征，取各個(gè)波段平均值作為研究區(qū)植被光譜特征信息，進(jìn)而利用土壤光譜信息模型得到每個(gè)像元的土壤光譜信息，得到只包含土壤信息的遙感影像。通過對遙感影像進(jìn)行線性混合像元分解處理，厘清植被信息，得到遙感影像土壤信息；進(jìn)而將其與高光譜反射率比較，利用比值均值法對遙感影像反射率進(jìn)行訂正，將土壤含水量高光譜估測模型應(yīng)用到經(jīng)過訂正的遙感反射率數(shù)據(jù)，建立土壤含水量的遙感反演模型；之后借助ENVI將遙感反演模型應(yīng)用到LandSat8影像，得到研究區(qū)土壤含水量分布圖，與實(shí)測點(diǎn)位水分?jǐn)?shù)據(jù)插值得到實(shí)測樣點(diǎn)含水量插值圖比較，分析遙感反演模型精度。

結(jié)果

3.1 不同含水量土壤的光譜特征

圖2為不同含水量土壤的光譜特征曲線，其中波段1350nm～1450nm和1800nm～1950nm因受大氣水汽吸收強(qiáng)烈而剔除?？梢钥闯觯?/p>

（1）隨著含水量的增加，土壤反射率總體呈下降趨勢，這一結(jié)論與以往文獻(xiàn)中提到的一般變化規(guī)律相同。

（2）不同土壤含水量光譜曲線總體變化比較平緩，形態(tài)上相似，基本平行。

（3）不同含水量的土壤光譜反射率表現(xiàn)為強(qiáng)度上的差異，在波長較短的部分，反射率隨土壤水分增加變化迅速，而在波長較長的部分，反射率變化相對平緩。

圖2 不同含水量的土壤光譜曲線

（4）結(jié)合LandSat8OIL的7個(gè)波段分析：433～453nm曲線斜率較陡，且隨含水量的升高，曲線斜率在變小，且在450附近有微小的凸起；450～515nm間，曲線斜率先減小，后增大；525～600nm間斜率一直上升，在600nm附近，曲線斜率開始下降；630～680nm間曲線呈緩慢上升趨勢；845～885nm曲線斜率接近于0，到達(dá)1700nm左右反射率緩慢下降，且不同含水量反射率差異較明顯；1560～1660nm曲線緩慢上升，不同含水量的反射率差距也較大；2100～2200nm之間光譜反射率先上升后下降，在2150nm附近有明顯的反射峰，并且具有2200nm處的特征吸收帶?？梢?，土壤含水量與LandSat8OIL的7個(gè)波段之間均有一定的相關(guān)性。

3.2 基于中心波長反射率的土壤含水量估測模型

通過比值、差值、上加下減和上減下加波段組合各形成42、21、21、21個(gè)光譜參量，共計(jì)105個(gè)。通過相關(guān)性分析，選取相關(guān)性較大的光譜參量共計(jì)31個(gè)，作為敏感光譜參量參與模型的構(gòu)建。分別以4種波譜組合的敏感光譜參量為自變量，以土壤含水量為因變量，利用多元逐步線性回歸，建立基于波段單一組合形式光譜參量的土壤含水量高光譜估測模型。結(jié)果表明4種波段組合方式光譜參量建立的模型sig=0.000＜0.05，模型均達(dá)到了顯著水平。其中以差值組合方式的光譜參量建立的估測模型決定系數(shù)R2最大，為0.473（表2）。

表2 基于中心波長反射率的土壤含水量估測模型

由分析結(jié)果可見，以一種波段組合的敏感光譜參量建立的回歸模型效果均不理想。因此本研究嘗試綜合應(yīng)用4種波段組合的31個(gè)敏感光譜參量，以土壤含水量為因變量，建立基于波段多種組合形式光譜參量的土壤含水量估測模型。模型決定系數(shù)R2=0.635，明顯優(yōu)于基于波段單一組合形式光譜參量建立的模型（表2）。

圖3 基于中心波長反射率（a）和波段平均反射率（b）最優(yōu)模型土壤含水量預(yù)測值與實(shí)際值的擬合圖

3.3 土壤含水量的遙感反演

將所有采樣點(diǎn)各波段的波段平均反射率進(jìn)行平均，作為室外實(shí)測各波段平均反射率；在LandSat8經(jīng)過線性混合像元分解的土壤遙感影像上，根據(jù)野外采樣記錄的GPS坐標(biāo)，找到各個(gè)采樣點(diǎn)在遙感影像上的對應(yīng)點(diǎn)，同樣求取所有樣點(diǎn)各波段反射率的均值，作為遙感影像反射率（圖4）。

由圖4中可見，室外實(shí)測波段平均反射率均低于遙感影像反射率，主要是由于實(shí)測為純土壤樣品，而遙感影像則反映地表信息，雖剔除植被影響但反射率可能仍包含少量植被信息，使其平均值較高；此外考慮到時(shí)相的差別，由于采樣時(shí)間和LandSat8影像時(shí)間相差1～4d，由于水分蒸發(fā)，遙感地表反射率也會較高。但兩者變化趨勢一致，相關(guān)性達(dá)到0.989。因此，將室外實(shí)測土壤含水量高光譜估測模型應(yīng)用于遙感影像反演，具有切實(shí)可行性。

圖4 波段平均反射率與遙感影像反射率的對比

在以上分析基礎(chǔ)上，根據(jù)兩者關(guān)系，對遙感影像反射率做適當(dāng)訂正，以便提高反演結(jié)果?？紤]比值處理可以消除部分時(shí)相誤差，相對精度較高，因此，本文采用比值均值訂正方法。首先計(jì)算遙感影像與實(shí)測相應(yīng)點(diǎn)位各個(gè)波段反射率的比值，然后取所有點(diǎn)位各波段比值的均值，作為訂正系數(shù)。遙感影像各個(gè)波段反射率除以各波段的比值均值，得到訂正后的遙感影像。

借助ENVI基于專家知識的決策樹分類方法，結(jié)合ArcGIS進(jìn)行分類后處理，得到反演后的墾利縣土壤含水量分布圖（圖5a），同時(shí)，利用實(shí)測點(diǎn)位土壤含水量插值得到實(shí)測樣點(diǎn)含水量分布圖（圖5b）。由于采樣時(shí)未涉及到黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)，為了確保插值和反演結(jié)果的可比性，因此將遙感反演土壤含水量分布圖與實(shí)測樣點(diǎn)含水量預(yù)測分布圖中的黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)部分去除，然后分別統(tǒng)計(jì)兩圖各等級土壤含水量的面積比例（表4），對反演結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

從圖5看出，研究區(qū)中部含水量較低，而黃河、水庫、養(yǎng)魚養(yǎng)蝦池附近土壤含水量較高，呈現(xiàn)出以其為中心，向四周擴(kuò)散含水量遞減的趨勢；含水量大多集中在15%～25%，含水量在30%以上分布較少，從表4可知兩者各含水量區(qū)間百分比變化趨勢一致，15%～20%區(qū)間面積百分比差距大，分析原因可能是由于含水量在此區(qū)間的采樣點(diǎn)較多導(dǎo)致插值時(shí)分布在此區(qū)間的面積比例較大；其余區(qū)間百分比數(shù)值大體一致。對比圖5與表4，土壤含水量遙感反演結(jié)果與插值結(jié)果在空間分布與數(shù)值統(tǒng)計(jì)上均具有一致性和統(tǒng)一性，因此，土壤含水量的遙感反演結(jié)果符合研究區(qū)實(shí)際，有較好的可信度和真實(shí)性。

圖5 遙感反演土壤含水量分布圖（a）與實(shí)測樣點(diǎn)含水量預(yù)測分布圖（b）

4、結(jié)論

本研究采用中心波長反射率和波段平均反射率兩種擬合方法，利用室外實(shí)測高光譜窄波段反射率數(shù)據(jù)模擬LandSat8衛(wèi)星寬波段反射率，進(jìn)而通過波段組合，選取敏感光譜參量，應(yīng)用多元逐步線性回歸方法分別建立土壤含水量高光譜單一形式波段組合與多形式波段組合估測模型，最佳估測模型為基于波段平均反射率和多形式波段組合方式敏感光譜參量的回歸模型。室外實(shí)測反射率和遙感影像反射率的相關(guān)性極顯著，證明基于室外實(shí)測高光譜數(shù)據(jù)建立的土壤含水量估測模型可以應(yīng)用于遙感影像的反演，經(jīng)訂正可取得較好的效果。由于驗(yàn)證的地面數(shù)據(jù)和遙感影像存在1～4d的時(shí)相差，因此定量反演的直接驗(yàn)證尚有一定誤差，但作為趨勢分析是可行的。此外由于研究區(qū)域較小，且土壤質(zhì)地均為壤質(zhì)，本次研究采用土壤質(zhì)量含水量反演土壤水分空間變化，今后研究應(yīng)盡量采用土壤體積含水量，因?yàn)樵谳^大區(qū)域應(yīng)用中，土壤體積含水量對土壤水分的定量反演和空間分布趨勢的比較更加重要。

表4 土壤含水量遙感反演分布圖與實(shí)測樣點(diǎn)含水量插值圖面積比例比較

本研究初步嘗試了利用線性混合象元分解方法剔除遙感影像中的植被信息，反演效果有所提高，今后的研究應(yīng)著重于對多因素復(fù)合作用下的土壤反射光譜特征進(jìn)行深入的探索。

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審核編輯黃宇