论文部分内容阅读
干旱区属于生态脆弱区，水资源匮乏、生态环境日益恶化。土壤水分是干旱区植物和作物赖以生存的主要源泉，决定着植物或作物根系的发育，对保护荒漠植被、大尺度精准农业的水分调节及节水灌溉具有重要意义。定量遥感方法反演土壤水分是研究土壤含水量在时空尺度分布规律的最有效手段之一。开展干旱区土壤水分定量遥感反演研究，将有助于系统地揭示干旱区生态与环境的变化规律，优化配置区域内的水土资源，减缓干旱区生态资源短缺与环境持续恶化。
本论文针对我国西部干旱区的生态、环境和气候等特点，探讨有效反演地表土壤水分的遥感模拟方法。在土壤水分时空尺度表达的实用性与精确度分析的基础上，以遥感数据(特别是MODIS遥感数据)和野外实验数据为信息源，在新疆选择实验样区，分析实验数据与模型应用的尺度问题，建立干旱区不同植被覆盖状况下土壤水分遥感组合反演模型，模拟了干旱区地表土壤水分分布状况，实现区域尺度的水分动态变化的遥感监测，并进行野外验证。
论文进行了如下几方面的研究工作：
(1)针对干旱区土壤水分计算关系密切的实验方法、遥感信息空间尺度分析和土壤水分遥感反演方法等问题，分析现有土壤水分遥感反演方法，探讨了建立适合裸地、稀疏植被和密闭植被不同状况下的遥感组合反演模型的方法。
(2)分析了地表水热过程参数化和遥感对地观测能力随时间和空间尺度变化的响应关系，建立野外的实验方法及实验规模，采用“尺度曲线”分析地表水热过程参数化难度与地表因子遥感可测性的尺度权衡关系，定量地分析地表覆被类型多尺度一致性，通过对研究区的遥感数据在时间和空间尺度的分析，结合实验点数据量化空间信息，检验了尺度转换结果的精度，表明研究区土壤水分的空间尺度在200～600 m米级为最佳，时间尺度以天为周期的变化可以控制研究的精度。
(3)分析适合裸地、稀疏植被和密闭植被不同状况下的土壤水分遥感反演方法，初步建立了不同植被覆盖状况下土壤水分遥感反演模型，其中，裸地区域的土壤水分反演确定为热惯量法，稀疏植被覆盖区域用热惯量/NDVI(或EVI)与土壤水分关系法，密闭植被覆盖区域的为温度植被干旱指数(TVDI)与土壤水分关系法。确定三段划分的合理NDVI阈值范围，在整个区域综合三种方法完成干旱区区域土壤水分遥感反演模型的构建，进行了分区域分布计算模拟。同时根据研究中主要数据来源是地面实验观测和相关遥感数据，确定了野外实验方法的选择方案，对MODIS数据及其产品的处理方法及处理效果进行对比，对遥感卫星数据及野外实验数据进行后期处理进行。
(4)选择研究区2005～2007年间的MODIS数据和对应的气象观测数据进行计算，同利用野外观测数据进行了比较验证，对研究区土壤水分的时空分布格局进行分析。利用地表空间属性邻域相似法和热增强法，将MODIS1000米或500米的数据产品增强到250米，结合土地覆盖信息和遥感植被指数动态估算信息，构建由MODIS产品和野外实验观测数据集；通过对遥感反演所得植被指数、表观热惯量、地表温度及观测土壤水分进行相关分析，建立了多维反演矩阵，分析土壤水分遥感的关键参数方案，率定了不同模型的参数，模型的结构和思路专为遥感像元面上计算的特点而设计，得出250米空间精度的土壤水分数据，并通过野外观测数据验证这些数据的准确性和可靠性。
(5)讨论了遥感土壤水分模型的基本结构和特点，采用ENVI的IDL语言和.NET混合编程实现了遥感信息模型的应用。选择多年的MODIS数据和相应的野外实验观测数据输入模型进行模拟，利用实验站点的数据对模拟结果进行了验证，分析了误差产生的原因。结果表明，地面观测值与遥感信息数据在反演模拟中具有互补性，通过对土壤水分反演模型的校正，把实验点的分析结果应用到干旱区区域土壤水分计算中，提高了分析的精度，取得了较好的效果。
综上所述，本研究在干旱区资料少或无资料情况下，建立了一套区域土壤水分遥感组合反演方法与技术路线，可供干旱区生态环境保护与水土资源管理决策提供参考，也为今后类似研究提供借鉴。