基于modis數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法
【專利摘要】一種基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，包括以下步驟：獲取待測區(qū)域的土壤實(shí)測數(shù)據(jù)，將前述土壤實(shí)測數(shù)據(jù)與表征地表旱情的溫度植被干旱指數(shù)建立函數(shù)關(guān)系式，將待測區(qū)域的MODIS遙感數(shù)據(jù)帶入前述函數(shù)關(guān)系式，得到土壤重量含水量，根據(jù)土壤重量含水量得到干旱等級，獲取農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測結(jié)果。本發(fā)明利用MODIS遙感數(shù)據(jù)時間分辨率較高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田干旱監(jiān)測。本發(fā)明利用遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田干旱動態(tài)監(jiān)測，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，該方法簡便、高效、易于操作、結(jié)果準(zhǔn)確，能夠廣泛應(yīng)用于農(nóng)田干旱監(jiān)測之中。
【專利說明】基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種利用遙感技術(shù)監(jiān)測各地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱程度的方法，具體地說是一種基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，江蘇省淮北地區(qū)地處淮河下游，為南北氣候過渡帶，降雨、來水時空分布不均勻，是水旱災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。近年來，該地區(qū)春季和初夏時常爆發(fā)農(nóng)業(yè)氣象干旱；如2011年初夏，淮北地區(qū)遭遇了 60年來同期最為嚴(yán)重的氣象干旱。然而，目前江蘇省淮北地區(qū)抗旱工作存在干旱監(jiān)測手段不足、旱情掌握不及時、干旱評價很難做到全面客觀等問題。因此，急需開展干旱監(jiān)測研究，為該地區(qū)的干旱監(jiān)測預(yù)警提供技術(shù)服務(wù)。
[0003]地表干旱狀況主要與土壤重量含水量和田間持水量有關(guān)。對于一個區(qū)域，田間持水量與土壤類型有關(guān)，其值取決于土壤質(zhì)地。因此，干旱監(jiān)測研究關(guān)鍵在于土壤含水量的監(jiān)測。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有大范圍探測地表狀態(tài)的能力，可用于反演地表含水量。遙感探測土壤含水量研究始于上世紀(jì)60年代末，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，其研究方法趨于成熟，在干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)中逐步得到應(yīng)用。近年來，溫度植被干旱指數(shù)TVDI被廣泛用于干旱監(jiān)測研究；熊世為等人基于中國的環(huán)境衛(wèi)星(HJ-1B)遙感數(shù)據(jù)，利用TVDI法對江蘇宿遷市土壤水分信息進(jìn)行遙感監(jiān)測，結(jié)果表明:基于HJ-1B數(shù)據(jù)的TVDI指數(shù)法能夠較好地監(jiān)測冬小麥干旱狀況。于敏和扎西央宗等利用MODIS資料，結(jié)合TVDI指數(shù)法，實(shí)現(xiàn)了西藏、黑龍江地區(qū)夏季干旱動態(tài)監(jiān)測。齊述華等基于N0AA-AVHRR資料，以TVDI指數(shù)為旱情監(jiān)測指數(shù)，實(shí)現(xiàn)了全國區(qū)域的旱情監(jiān)測。這些研究證明了 TVDI指數(shù)在區(qū)域干旱監(jiān)測上具有較大潛力；但用于業(yè)務(wù)干旱監(jiān)測還需解決一些問題；如:(I)建立更為規(guī)范的干旱等級劃分方法，而不只是根據(jù)TVDI大小來劃分干旱等級；(2)建立時間上普適的土壤濕度反演模型；(3)為遙感干旱監(jiān)測提供及時、全面、定量的干旱監(jiān)測結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對土壤干旱監(jiān)測中存在的問題，提出一種基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一 種基于 MODIS (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer 中分辨率成像光譜儀)數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，它包括以下步驟:獲取待測區(qū)域的土壤實(shí)測數(shù)據(jù)，將前述土壤實(shí)測數(shù)據(jù)與表征地表旱情的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI, Temperature-Vegetation Dryness Index)建立函數(shù)關(guān)系式，將待測區(qū)域的 MODIS 遙感數(shù)據(jù)帶入前述函數(shù)關(guān)系式，得到該區(qū)域的土壤重量含水量，根據(jù)土壤重量含水量得到該區(qū)域干旱等級分布，獲取農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測結(jié)果。
[0007]本發(fā)明的土壤實(shí)測數(shù)據(jù)包括待測區(qū)域IOcm和20cm的土壤含水量，采用稱重法方法獲取。[0008]本發(fā)明的方法具體包括以下步驟:
[0009](I)、計算待測區(qū)域植被指數(shù)(NDVI, Normalized Difference Vegetation Index)；
(2)、基于劈窗法進(jìn)行地表溫度反演,獲取地表溫度(LST, Land Surface Temperature)；
[0010](3)、構(gòu)建地表土壤濕度反演模型，獲取溫度植被干旱指數(shù)，將前述溫度植被干旱指數(shù)與實(shí)測的IOcm 土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二次擬合，獲取待測區(qū)域IOcm的土壤重量含水量；根據(jù)IOcm 土壤含水量數(shù)據(jù)與20cm 土壤含水量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，得到待測區(qū)域20cm 土壤重量含水量結(jié)果；
[0011](4)、根據(jù)待測區(qū)域20cm的土壤重量含水量計算相對含水量，進(jìn)行干旱等級劃分，獲取農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測結(jié)果。
[0012]本發(fā)明的步驟(1)中:待測區(qū)域植被指數(shù)NDVI為歸一化植被指數(shù)，
【權(quán)利要求】
1.一種基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是它包括以下步驟:獲取待測區(qū)域的土壤實(shí)測數(shù)據(jù)，將前述土壤實(shí)測數(shù)據(jù)與表征地表旱情的溫度植被干旱指數(shù)建立函數(shù)關(guān)系式，將待測區(qū)域的MODIS遙感數(shù)據(jù)帶入前述函數(shù)關(guān)系式，得到該區(qū)域的土壤重量含水量，根據(jù)土壤重量含水量得到該區(qū)域干旱等級分布，獲取農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是土壤實(shí)測數(shù)據(jù)包括待測區(qū)域IOcm和20cm的土壤含水量，采用稱重法方法獲取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MODIS數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是該方法具體包括以下步驟: (1)、計算待測區(qū)域植被指數(shù)； (2)、基于劈窗法進(jìn)行地表溫度反演，獲取地表溫度； (3)、構(gòu)建地表土壤濕度反演模型，獲取溫度植被干旱指數(shù)，將前述溫度植被干旱指數(shù)與實(shí)測的IOcm土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二次擬合，獲取待測區(qū)域IOcm的土壤重量含水量；根據(jù)IOcm土壤含水量數(shù)據(jù)與20cm土壤含水量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，得到待測區(qū)域20cm土壤重量含水量結(jié)果； (4)、根據(jù)待測區(qū)域20cm的土壤重量含水量計算相對含水量，進(jìn)行干旱等級劃分，獲取農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是步驟(1)中:待測區(qū)域植被指數(shù)NDVI為歸一化植被指數(shù)，
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是步驟(2)中:基于劈窗法進(jìn)行地表溫度反演，獲取地表溫度Ts具體步驟如下:
Ts-Aq+A1T3^A2T32
A0=-64.6036Er68.7258E2_273.16
A^l+A+0.44081E!
A2=- (A+0.473453E2)
Ei=D31 (1-C31-D31)/E0
E2=D3I (1-C32-D32) /E0
A=D31/E0
f =n y -π r
j^O ^32^31 ^31^32
Ci= ε i τ i
Di= ( 1- τ j) (1+(1- ε D Ti) 其中，Ts為地表溫度，單位K，T31和T32為MODIS的31和32波段的亮溫溫度；ε為地表比輻射率；τ為大氣透過率；i對應(yīng)的MODIS影像的第31和32波段，即:i=31或i=32 ；對于地表比輻射率ε i的計算，要分為路面像元和水體像元兩種情況: 對于水體像元直接取ε31=0.99683，ε 32=0.99254， 對于路面像元地表比輻射率由植被覆蓋度Pv計算得出，公式如下:
Pv= (NDV1-NDVIs) / (NDVIv-NDVIs)其中，NDVIv和NDVIs分別是茂密植被覆蓋和完全裸土像元的NDVI值，NDVIv=0.9，NDVIs=0.15 ； 計算路面像元的地表比輻射率Si，計算公式如下:
ε 3i_Pyε 3iv+(1-Pv) Rs ε 3is+d ε、ε 32-PvRv ε 32ν+ (1-Py) ε 32s+d ε 式中，ε31和ε 32是MODIS數(shù)據(jù)第31、32波段的地表比輻射率，ε 31V和ε 31S分別為植被和裸土在第31波段的地表比輻射率，分別取ε 31V=0.98672，ε 31S=0.96767 ； ε 32V和ε 32S分別為植被和裸土在第32波段的地表比輻射率，分別取ε 32V=0.98990，ε 32S=0.97790 ；Pv像元為植被覆蓋率；RV和Rs分別為植被和裸土的輻射比例，Rv=0.92762+0.07003PV,Rs=0.98782+0.08362PV ；d ε是由植被和裸土之間熱輻射相互作用而產(chǎn)生的熱輻射相互校正值，其公式為，
d ε =0.003796min[Pv, (1-Pv)] 式中:min[Pv，(1-Pv)]表示取Pv和(1-Pv)的最小值； 大氣透過率τ i由大氣含水量W計算得到，公式如下: 當(dāng)水汽含量在0.4-2.0g/cm2時: τ 31=0.99513-0.0808w τ 32=0.99376-0.11369w 當(dāng)水汽含量在2-4.0g/cm2時: τ 31=1.08692-0.12759w τ 32=1.07900-0.15925w 當(dāng)水汽含量在4-6.0g/cm2時: τ 31=1.07268-0.12571w τ 32=0.93821-0.12613w 計算大氣水汽含量的公式為: w=[(a -1nTw) / β ]2 其中w為是被監(jiān)測農(nóng)田地塊所對應(yīng)的各像元點(diǎn)的大氣水汽含量；TW是MODIS的第19波段與第2波段的比值，a和β是參數(shù)，分別取a =0.02，β =0.651。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是步驟(3)具體為:構(gòu)建地表土壤濕度反演模型，計算溫度植被干旱指數(shù)TVDI，
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是濕邊、干邊模型的公式如下:
Tsmax^l+b^NDVI
TSmin=a2+b2*NDVI 式中，(al，bl)、(a2，b2)分別為濕邊、干邊模型的系數(shù)，具體設(shè)置步驟如下: 選擇NDVI圖像中0.2≤NDVI≤0.8的像元，并在這些像元中找到最大值和最小值；以0.01為步長，NDVI圖像中0.2~0.8區(qū)間內(nèi)找到的NDVI最小值至最大值的范圍，并劃分為η個區(qū)間； 獲取每個小區(qū)間的NDVI最大值和最小值，以及對應(yīng)在NDVI圖像中的行列號，獲取同時期地表溫度圖像LST對應(yīng)的溫度值； 對獲取的數(shù)據(jù)組，分別利用最小二次擬合出濕、干邊方程，最終得到干、濕邊方程擬合系數(shù)(&1，131)、(&2^2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是步驟(4)具體為:根據(jù)待測區(qū)域20cm的土壤重量含水量計算相對含水量；
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測方法，其特征是基于計算的相對含水量，在江蘇地區(qū)，根據(jù)江蘇省農(nóng)委的干旱等級墑情評價標(biāo)準(zhǔn)，對研究區(qū)的干旱等級進(jìn)行劃分，Rel_SM ≥ 65%為適宜，60% ( Rel_SM < 65%為輕旱，50% ( Rel_SM < 60%為中旱，45% ( Rel_SM < 50%為重旱，45% < Rel_SM為特旱。
【文檔編號】G01N21/25GK103994976SQ201310624476
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】王冬梅, 黃俊友, 鮑艷松, 謝義林, 梁文廣, 王春美 申請人:江蘇省水利科學(xué)研究院