第七章 土壤遙感【知識(shí)發(fā)現(xiàn)】

1、第七章 土壤遙感,城市與環(huán)境學(xué)院 王細(xì)元 xiyuan80_ http:/ 遙感地學(xué)分析，黃家柱教授,遙感地學(xué)分析,土壤遙感是應(yīng)用遙感手段研究土壤科學(xué)的技術(shù)。 土壤遙感能對(duì)某些土壤性狀、水分含量、養(yǎng)分供應(yīng)狀況，以及對(duì)土壤鹽漬化、沼澤化、風(fēng)沙化、水土流失、土壤污染等變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為合理開發(fā)、利用與管理土壤資源及時(shí)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。,內(nèi)容提要,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律 7.1.1 土壤的反射光譜特征 7.1.2 土壤的熱紅外輻射特征 7.1.3 土壤的的微波輻射與散射特征 7.3 土壤遙感分析 7.3.1 土壤類型的遙感分析 7.3.2 土壤侵蝕調(diào)查與監(jiān)測(cè) 7.3.3 土壤水分監(jiān)測(cè)與干旱災(zāi)

2、害預(yù)測(cè) 7.3.4 土壤鹽分監(jiān)測(cè),7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,7.1.1 土壤的反射光譜特征 土壤的波譜特性主要包括土壤反射光譜特性、土壤熱紅外與微波的輻射散射特性等，但應(yīng)用最多的是土壤反射光譜特征 。總的來說，土壤的主要物質(zhì)組成與巖礦一脈相承，因而土壤和巖礦的光譜反射特性在整體上基本一致，即反射率從可見光的短波段起隨波長(zhǎng)的增加而逐漸抬升。,自然狀況的土壤表面的反射率沒有明顯的峰值和谷值，一般來說土質(zhì)越細(xì)，反射率越高，有機(jī)質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低。此外土壤的肥力也會(huì)對(duì)反射率產(chǎn)生影響。,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,土壤類別是多種多樣的，其光譜

3、反射特性也必然相應(yīng)地發(fā)生許多變化但就其光譜曲線在可見光至近紅外區(qū)的整體形態(tài)與斜率變化情況看，均可歸納為平直型、緩斜型、陡坎型和波浪型四大類 。,總的來說，土壤光譜反射特性的差異與變化都取決于土壤的組成與表面狀態(tài)，其中最為重要的是腐殖質(zhì)含量。含量愈高，反射率愈低，光譜的曲線愈趨低平，這是總的規(guī)律。但應(yīng)注意腐殖質(zhì)的組分如胡敏酸、富里酸等之間的光譜特性差異頗大，對(duì)土壤光譜特性的影響也就有所不同。 此外，土壤濕度對(duì)反射特性的巨大影響絕對(duì)不能忽視。 土壤的機(jī)械組成即質(zhì)地與表面狀況對(duì)光譜反射率也有明顯影響。,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,7.1.2 土壤的熱紅外輻射特征 土壤的熱紅外和微波輻射、散射特

4、性與巖礦有許多類似之處，但由于土壤是疏松的有機(jī)和無機(jī)復(fù)合體，固、液、氣三相共存，成分多樣，且處于相互消長(zhǎng)、快速多變之中，故更為復(fù)雜。 其中土壤含水量是造成土壤表面溫度差異，乃至熱紅外輻射變化的主要因素。,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,7.1.3 土壤的的微波輻射 關(guān)于土壤的微波輻射特性，根據(jù)肖金凱的初步研究，不論何種土壤類型，在105烘干狀態(tài)下，其介電常數(shù)均在5左右，加水之后，介電常數(shù)近線性上升，不同類型土壤，上升幅度稍有差異，表明土壤的介電常數(shù)主要由土壤含水量決定，與土壤成分和性質(zhì)有一定關(guān)系但不是很大。,7.1 土壤波譜特征及其變化規(guī)律,7.3.2 土壤侵蝕調(diào)查與監(jiān)測(cè) 土壤侵蝕是指地表缺

5、乏植被保護(hù)時(shí)，表土或土體在外營(yíng)力作用下被沖刷、剝蝕、遷移和堆積的現(xiàn)象。 外營(yíng)力通?？煞譃樗g（溶蝕、濺蝕、沖蝕）；風(fēng)蝕（滑動(dòng)、跳躍、吹揚(yáng)；重力侵蝕（滑坍、崩坍、瀉溜）等類型。 土壤侵蝕不僅使土壤結(jié)構(gòu)破壞，土層減薄，土壤退化、沙化，肥力降低，甚至使地面破碎，溝壑縱橫，土壤資源質(zhì)量嚴(yán)重下降。 土壤侵蝕的發(fā)生雖有其自然原因但不合理地利用土壤資源，如濫伐林木、過度放牧、陡坡開墾則是加速土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展的重要原因。,7.3 土壤遙感分析,遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，為區(qū)域土壤侵蝕監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供了有力的手段。 遙感能夠提供實(shí)時(shí)、同步、大范圍的地表信息，遙感圖像可清楚地反映土壤侵蝕的環(huán)境條件、侵蝕的程度和類

6、型。 GIS則能夠在空間范圍內(nèi)對(duì)多源、多時(shí)相的信息進(jìn)行組合、集成、提取等拓?fù)浞治觥?利用遙感信息源，輔以其它相關(guān)的專題信息(包括專題圖件、統(tǒng)計(jì)資料)、野外實(shí)況調(diào)查以及樣方測(cè)量方法，即可有效地進(jìn)行土壤侵蝕分區(qū)、分類、分級(jí)判別和制圖，定量分析不同程度侵蝕的分布和面積，從而為水土保持規(guī)劃與決策、生態(tài)建設(shè)等提供信息支持服務(wù)。,7.3 土壤遙感分析,土壤侵蝕分類分級(jí)遙感定量方法，包括兩方面內(nèi)容：第一是通過遙感信息和非遙感信息的綜合分析，確定侵蝕類型；第二是根據(jù)不同侵蝕類型，按照各類侵蝕強(qiáng)度模型的因子匹配關(guān)系，通過RS和GIS技術(shù)相結(jié)合提取侵蝕量因子值。 侵蝕成因類型的解譯，可以從兩方面分析：一方面是通過

7、對(duì)侵蝕類型區(qū)的解譯確定侵蝕類型的分布區(qū)域，另一方面是通過判別不同侵蝕類型過渡處圖斑的侵蝕類型確定不同侵蝕類型的界線。,7.3 土壤遙感分析,（1）土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)及遙感數(shù)據(jù)處理 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)根據(jù)全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查規(guī)程，按下表進(jìn)行分級(jí)。,7.3 土壤遙感分析,不同水力侵蝕類型強(qiáng)度分級(jí)參考指標(biāo),7.3 土壤遙感分析,不同水力侵蝕類型強(qiáng)度分級(jí)參考指標(biāo),（2）土壤侵蝕遙感技術(shù)調(diào)查監(jiān)測(cè)的信息源選擇 我國(guó)應(yīng)用遙感技術(shù)編制了1:50萬、1:20萬、1:10萬、1:5萬、在局部地區(qū)編制了1:2.5萬至1:1萬的各種比例尺的土壤侵蝕圖，其中早期應(yīng)用了MSS、TM，后來也應(yīng)用了SPOT4以及各地區(qū)攝影的全色及彩

8、紅外航空像片(在山西、寧夏大量應(yīng)用了彩紅外航片)、近期在有些地區(qū)開始應(yīng)用中巴資源1號(hào)星，SPOT5號(hào)星以及IKONOS等遙感信息源進(jìn)行土壤侵蝕調(diào)查和監(jiān)測(cè)。,7.3 土壤遙感分析,不同信息源在土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)中的性能比較,7.3 土壤遙感分析,（3）3S技術(shù)在土壤侵蝕調(diào)查監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 遙感與GIS和GPS的結(jié)合集成，在水土流失、土壤侵蝕等自動(dòng)制圖方面有很好的應(yīng)用潛力。將遙感圖像與DEM疊合后可以編制土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)圖，應(yīng)用GIS管理的大量空間數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、或根據(jù)需要進(jìn)行相關(guān)空間分析，而GPS可對(duì)不同時(shí)期、大小面積的滑坡、塌陷進(jìn)行定位和面積測(cè)定，對(duì)溝塹切割深度及深度進(jìn)展速度進(jìn)行測(cè)定

9、，也可作為遙感圖像進(jìn)行土壤侵蝕相關(guān)因子的地面補(bǔ)充測(cè)定，訓(xùn)練樣地選擇和地面檢驗(yàn)。,7.3 土壤遙感分析,西安市水土流失動(dòng)態(tài)變化及對(duì)策研究馮曉剛,2 研究方法 2. 1 地形因子提取：利用DEM提取坡度坡向 2. 2 植被蓋度提?。豪肗DVI提取植被蓋度 F= ( N D V I - N DV Im in ) / ( N DV Imax - N DV Imin ) 2. 3 土地利用類型的提取：監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類 建設(shè)和居民用地、耕地、林地、水域、牧草地、為開發(fā)地 2. 4 基于R S 的土壤侵蝕判讀指標(biāo),土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果,分級(jí)指標(biāo),張家界市水土流失遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)黃樹春,數(shù)據(jù)源： 遙

10、感數(shù)據(jù)分別是 1975 年 MSS、2000 年前后的TM /ETM 和 2007 年 SPOT 5 共 3 個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星數(shù)據(jù), 輔助數(shù)據(jù)還包括 1 !10萬土地利用圖、1 !1萬土地利用圖、1 !5萬 DRG、1 !5 萬 DEM、1 !5萬地質(zhì)圖、1 !5萬水文地質(zhì)圖、降水量和植被覆蓋等資料。,方法： 數(shù)據(jù)預(yù)處理：正射糾正、直方圖均衡化、線性拉伸、色譜平衡、對(duì)比度擴(kuò)展等 水土流失信息提取： 用1：5萬地形圖生成DEM，做坡向分析 用NDVI，計(jì)算植被覆蓋度。,結(jié)果,http:/ 國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)臺(tái) /data/ http:/glovis.u

11、/【美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 速度很慢30KB/S以下，比CSDB多】,SRTM地形數(shù)據(jù)按精度可以分為SRTM1和SRTM3，分別對(duì)應(yīng)的分辨率精度為30米和90米數(shù)據(jù)（目前公開數(shù)據(jù)為90米分辨率的數(shù)據(jù)）。 全球30米分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品 經(jīng)度：1度 維度：北為正，南為負(fù) 分辨率：30m,圖像拼接,數(shù)據(jù)預(yù)處理,鑲嵌圖像,鑲嵌工具,增加圖像,輸入圖像顏色糾正,設(shè)置插入模型,設(shè)置重疊部分函數(shù),設(shè)置輸出,運(yùn)行，并輸出,淮安 洪澤湖,ERDAS中坡度、坡向,解譯,地形分析,坡度分析,坡向分析,水土流失是不利的自然條件與人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)互相交織作用產(chǎn)生的。 不利的自然條件主要是：地面坡度陡峭，土

12、體的性質(zhì)松軟易蝕，高強(qiáng)度暴雨，地面沒有林草等植被覆蓋。 水土流失對(duì)當(dāng)?shù)睾秃恿飨掠蔚纳鷳B(tài)環(huán)境、生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都造成極大的危害。 水土流失破壞地面完整，降低土壤肥力，造成土地硬石化、沙化，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅城鎮(zhèn)安全，加劇干旱等自然災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展，導(dǎo)致群眾生活貧困、生產(chǎn)條件惡化，阻礙經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。,水土流失是在濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，由于植被破壞嚴(yán)重導(dǎo)致的。如果是在干旱地區(qū)的植被破壞，會(huì)導(dǎo)致沙塵暴或者土地荒漠化，而不是水土流失。 因?yàn)橹脖黄茐膰?yán)重，再加上雨水和地表水的沖刷，導(dǎo)致水土流失。 加大植被的覆蓋率，可以保持水土，也就是防止水土流失的發(fā)生。,7.3.3 土壤水分監(jiān)測(cè)與干旱災(zāi)害預(yù)測(cè)

13、（1）土壤水分遙感的原理與方法 土壤水分（即土壤濕度、土壤含水量），作為陸面水資源形成、轉(zhuǎn)化、消耗過程研究中的基本系數(shù)，是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，也是研究地表能量交換的基本要素，并對(duì)氣候變化起著非常重要的作用。 土壤水分的變化能影響其本身的水熱過程，使地表參數(shù)發(fā)生變化，如地表反照率、土壤熱容量、地表蒸發(fā)和植被生長(zhǎng)狀況等。,7.3 土壤遙感分析,遙感數(shù)據(jù)中的土壤含水量信息 根據(jù)地物波譜的測(cè)定，在可見光部分干燥土壤的反射光譜比潮溫土壤的反射光譜平行抬高一段反射率。隨著含水量的多寡，抬高的距離大小不同。因此，早期遙感研究中有用可見光波段測(cè)定土壤含水量的嘗試。 近紅外波段對(duì)水的反映靈敏，水對(duì)近紅外光

14、完全吸收。因此含水量高的土壤在近紅外波段上呈暗色調(diào)，地物波譜曲線不是平行降低，而是陡坡降低。因此早期與可見光波段同時(shí)使用推測(cè)土壤含水量。,7.3 土壤遙感分析,中紅外波段對(duì)高溫反應(yīng)靈敏，是林火的探測(cè)波段。反之，土壤十分干燥時(shí)溫度較高，在中紅外遙感影像上有反映。也就是說，如果求土壤的干燥度時(shí)，用中紅外波段效果較好。 熱紅外波段對(duì)常溫反映靈敏，土壤溫度與濕度關(guān)系密切，因此熱紅外遙感數(shù)據(jù)中也包含了土壤含水量的信息。 微波波段對(duì)水的反映極其靈敏，很薄的水層就可以屏蔽微波輻射。因此許多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都認(rèn)為微波是探測(cè)土壤含水量最佳的波段。,7.3 土壤遙感分析,目前，人們多從熱紅外與微波遙感入手監(jiān)測(cè)土壤水分

15、，依據(jù)土壤水分平衡及熱量平衡的原理，通過地表熱通量方程及地表能量平衡邊界條件，從遙感成像機(jī)理出發(fā)，運(yùn)用熱紅外遙感的土壤熱慣量、植物蒸散、作物缺水指數(shù)等方法，以及微波遙感的土壤輻射亮溫、土壤介電常數(shù)與土壤水分的關(guān)系等，建立遙感數(shù)據(jù)與地面測(cè)量值間的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)回歸模型、數(shù)值模擬方程（如水熱耦合傳輸方程）等，并借助GIS的支持、通過引入輔助參數(shù)，以提高遙感土壤水分、旱情監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)效。,7.3 土壤遙感分析,7.3 土壤遙感分析,（2）干旱遙感監(jiān)測(cè) 通常干旱是指某地團(tuán)長(zhǎng)期沒有降水或降水顯著偏少造成空氣干燥、土壤缺水甚至干涸的現(xiàn)象。 干旱沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，可以從各個(gè)方面去定義，但都離不開水和植被。遙

16、感監(jiān)測(cè)干旱也基于土壤水分和植被狀況。 對(duì)于裸地，衛(wèi)星遙感的重點(diǎn)是土壤含水量；對(duì)于有植被覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星遙感的重點(diǎn)是植被指數(shù)的變化及植被冠層蒸騰狀況的變化。,1、熱慣量法,熱慣量法主要用于裸露土壤。它是用熱紅外方法遙感濕度。,其中P為熱慣量，即衛(wèi)星間接遙感量，T0為每日最高溫度和最低溫度之差，A為全波段反照率，B為常數(shù)。,由于系統(tǒng)本身有一定的熱容量，系統(tǒng)傳熱介質(zhì)具有一定的導(dǎo)熱能力，所以當(dāng)系統(tǒng)被加熱或冷卻時(shí)，系統(tǒng)溫度上升或下降往往需要經(jīng)過一定的時(shí)間，這種性質(zhì)成為系統(tǒng)的熱慣量(Thermal inertia)。系統(tǒng)的熱容量與材料的比熱容和體積有關(guān)，傳熱介質(zhì)的傳熱能力用熱阻表示。系統(tǒng)的熱容量越大，它的

17、熱慣量越大；介質(zhì)的熱阻越大，系統(tǒng)的熱慣量也越大。,通常用統(tǒng)計(jì)方法建立土壤水分遙感模型，但目前國(guó)內(nèi)建立的多是線性模型，而冪函數(shù)模型比線性模型好，因此它的物理意義與上述公式的數(shù)字表達(dá)式相一致，試驗(yàn)結(jié)果表明擬合精度也比其它函數(shù)形式的擬合精度高，冪函數(shù)形式為：,式中，為土壤水分，是擬合系數(shù)（最小二乘法擬合），P是熱慣量。,2、植被供水指數(shù)法,熱慣量方法只對(duì)裸露土壤適用，因?yàn)樵谟兄脖桓采w情況下，特別是在植被覆蓋度很高時(shí)，植被改變了土壤的熱傳導(dǎo)性質(zhì)，而旱災(zāi)發(fā)生的季節(jié)，植被覆蓋率年往往很高。為了對(duì)高植被覆蓋區(qū)農(nóng)作物的旱災(zāi)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心發(fā)展了“植被供水指數(shù)法”。,其物理意義是：,當(dāng)作

18、物供水正常時(shí)，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)在一定的生長(zhǎng)期內(nèi)保持在一定的范圍，而衛(wèi)星遙感的作物冠層溫度也保持在一定的范圍內(nèi)；,如果遇到干旱，作物供水不足，一方面作物的生長(zhǎng)受到影響，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)將降低，另一方面作物的冠層溫度將會(huì)升高，這是由于干旱造成的作物供水不足，作物沒有足夠的水供給葉子表面的蒸發(fā)（蒸發(fā)帶走熱量），被迫關(guān)閉一部分氣孔，致使植被冠層溫度升高。,植被供水指數(shù)的定義式為： VSWINDVIT5 這里T5是美國(guó)NOAA衛(wèi)星或我國(guó)FYl衛(wèi)星遙感到的作物冠層溫度。 VSWI越低表示干旱越嚴(yán)重。,3、植被指數(shù)法,植被長(zhǎng)勢(shì)受到許多因素的影響。在干旱年份，水對(duì)植被長(zhǎng)勢(shì)起關(guān)鍵作用。水分虧缺，植被長(zhǎng)勢(shì)不好

19、，葉面積指數(shù)下降，葉子內(nèi)的葉綠素減少，它對(duì)太陽的近紅外光的反射能力降低，衛(wèi)星遙感得到的植被指數(shù)會(huì)明顯降低。以此來表明干旱程度，就是監(jiān)測(cè)干旱的植被指數(shù)法。,4、距平植被指數(shù)法,為了監(jiān)測(cè)大范圍作物干旱，中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心還發(fā)展了距平植被指數(shù)法。它是用植被指數(shù)（NDVI）多年的旬（月）平均值作為背景值，然后用作物受災(zāi)旬或月的植被指數(shù)（NDVI）減去背景值。,求旬、月植被指數(shù)，每旬需30多條軌道衛(wèi)星資料，每月需90多條軌道衛(wèi)星資料，才能消去云的影響，監(jiān)測(cè)全國(guó)范圍的干旱。經(jīng)過進(jìn)一步的工作，可以做出每旬的全國(guó)范圍具有國(guó)界省界標(biāo)志的植被態(tài)勢(shì)圖像或數(shù)字打印圖，以供植被長(zhǎng)勢(shì)干旱狀況分析判斷。對(duì)于中國(guó)，該

20、圖范圍可為東經(jīng)74135，北緯1257，圖像空間分辨率約為6km。,旱情遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估,距平植被指數(shù) ： AVI=NDVIi-NDVI 式中，NDVIi為某一特定年某一時(shí)期（ 如旬、月等）NDVI 的值， NDVI為多年該時(shí)期NDVI的平均值。 一般而言，距平植被指數(shù)為0.10.2表示旱情出現(xiàn)，0.30.6 表示旱情嚴(yán)重。對(duì)1992年河南省的旱情（大旱）研究后認(rèn)為，在山區(qū)應(yīng)用距平植被指數(shù)的效果比降水距平好，并認(rèn)為是由于山區(qū)降水容易流失所致。,5、條件植被指數(shù),條件植被指數(shù)（Vegetation Condition Index，VCI）：,式中， NDVIi為某一特定年第i 個(gè)時(shí)期的NDVI值，N

21、DVImax和NDVImin分別代表所研究年限內(nèi)第i 個(gè)時(shí)期NDVI 的最大值和最小值。,VCI=（NDVIiNDVImax）/(NDVImax-NDVImin)*100,分母部分是在研究年限內(nèi)第i 個(gè)時(shí)期植被指數(shù)的最大值和最小值之差，它在一定意義上代表了NDVI 的最大變化范圍，反映了當(dāng)?shù)刂脖坏纳常?分子部分在一定意義上表示了某一特定年第i個(gè)時(shí)期的當(dāng)?shù)貧庀笮畔ⅲ鬘DVImax和NDVImin之間差值小，表示該時(shí)段作物長(zhǎng)勢(shì)很差。,VCI=（NDVIiNDVImax）/(NDVImax-NDVImin)*100,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)應(yīng)用VCI 動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)干旱的范圍及其邊界比應(yīng)用其它方法如NDVI 和降水量的監(jiān)測(cè)更有效、更實(shí)用。同時(shí)認(rèn)為NDVI 適用于研究大尺度范圍的氣候變異，而VCI 適用于估算區(qū)域級(jí)的干旱程度。 對(duì)VCI 和AVI 來說，地表覆蓋類型的年際間變化可能影響到干旱監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，因而在解釋監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)應(yīng)該有可靠的最新的土地覆蓋類型圖。另外，它們僅僅考慮由于水分脅迫導(dǎo)致NDVI 降低的狀況，未考慮到其它因素如氣溫導(dǎo)致NDVI 降低的現(xiàn)實(shí)。,10cm土壤水分圖,20cm土壤水分圖,50cm土壤水分圖,黑龍江省旱情監(jiān)測(cè)圖 （2002年7月8日）,氣象衛(wèi)星干旱監(jiān)測(cè)圖,1999年2月28日,干旱監(jiān)測(cè),其他方法還有： 6, 條件植被溫度指數(shù)法,7, 植被指數(shù)日較差校正法,8，植被指