[发明专利]一种农田土壤水分遥感反演方法

说明书

本发明公开了一种农田土壤水分遥感反演方法，该方法基于能量平衡方程和TVDI，提出了定量干湿边确定方法和改进的TVQI模型—定量温度植被指数(Temperature Vegetation Quantitative Index，TVQI)。该方法包括(A)基于遥感影像观测值构成的植被指数‑地表温度特征空间，根据地表能量平衡方程，获取定量干边，所述定量干边由T_ds、T_dv两点确定；(B)获取定量湿边，所述定量湿边由T_ws、T_wv两点确定；(C)根据本发明提出的TVQI模型，计算土壤水分估算值。该方法克服了VI‑Ts特征空间计算中对植被覆盖类型的限制，提高了土壤水分遥感反演的精度。

技术领域

本发明涉及一种农田土壤水分遥感反演方法，特别是涉及一种基于改进温度植被干旱指数的农田土壤水分遥感反演方法。

背景技术

水分是地球系统中的重要组成部分，在各种自然地理研究区域中扮演综合性的角色，农田土壤水分对农作物的生长和作物产量具有重要的意义。利用遥感手段监测地表土壤水分的方法具有范围广、效率高、时间连续等优势。目前基于可见光-近红外以及热红外波段的土壤水分遥感监测方法主要有植被指数法、地表温度法、特征空间法等。植被指数法，通过植被在敏感波段的反应而间接体现土壤的供水状况，对于短时间内的土壤水分变化不敏感，依赖历史数据。地表温度法分为热惯量法和作物缺水指数法。其理论基础是土壤水分与土壤温度变化的关系，受植被覆盖的限制，裸土与植被覆盖高的区域不能同时估算土壤水分。特征空间法，将植被指数和地表温度两种因子相结合，达到优势互补的效果。

当研究区植被覆盖度和土壤湿度变化均较大时，地表温度Ts和植被指数VI构成的二维散点图呈梯形，如图1所示：图中横坐标为植被指数NDVI，纵坐标为地表温度Ts；对于裸土，地表温度变化与表层土壤湿度变化密切相关，因此A代表干燥的裸土(低NDVI，高Ts)，B代表湿润的裸土(低NDVI，低Ts)；一般情况下，随着植被覆盖度的增加，地表温度降低，因此D代表干燥的密闭植被冠层(高NDVI，高Ts)，C代表湿润的密闭植被冠层(高NDVI，低Ts)；ABCD四个点构成VI-Ts理论特征空间，其中，AD表示干边(低蒸散、干旱状态)，BC表示湿边(潜在蒸散、湿润状态)，特征空间可以看做由一组土壤等值线组成(AD与 BC交于O点，OA与OB间的实线称为土壤湿度等值线)，每条等值线都可以表示为：

Ts＝a+b×NDVI (式1)

其中，a，b分别为土壤湿度等值线的截距和斜率。

基于遥感影像观测值构成的VI-Ts特征空间(图2)，Sandholt提出了TVDI模型(SANDHOLT I.,RASMUSSEN K.,ANDERSEN J.A simple interpretation of the surfacetemperature/vegetation index space for assessment of surface moisture status[J].Remote Sensing of Environment.2002.79(2):213-224)，定义为：

其中，Ts为像元的地表温度估测值；Ts_max＝a₁+b₁×NDVI，为NDVI对应的观测干边温度(由最大值方法提取的NDVI对应的最高温度像元线性拟合得到)，a₁、b₁为观测干边拟合系数；Ts_min为像元NDVI对应的湿边温度。结合图1、图2和式2，可知在干边上TVDI＝1，在湿边上TVDI＝0，且Ts越接近干边，TVDI越接近1，土壤湿度越低，反之则土壤湿度越高。