本發(fā)明涉及土壤檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

土壤濕度是連接陸面水資源的一個(gè)重要環(huán)境因素，并作為一個(gè)重要參數(shù)參與水文、氣象及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等過程。土壤濕度的變化對地表能量平衡、地區(qū)徑流和植被產(chǎn)量等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，土壤濕度遙感監(jiān)測已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。遙感監(jiān)測土壤濕度的方法有熱慣量法、植被指數(shù)法、溫度植被干旱指數(shù)法、微波法、光譜特征空間法等，其中基于近紅外(nir)-紅光(red)的光譜特征空間法因其簡單易操作而得到了進(jìn)一步的拓展和應(yīng)用。

國內(nèi)外利用nir-red的光譜特征空間建立相應(yīng)土壤濕度監(jiān)測指數(shù)主要有兩種：一是根據(jù)特征空間中任意一點(diǎn)到過原點(diǎn)的直線(該直線垂直于土壤基線)的垂直距離大小來表征研究區(qū)土壤濕度狀況，如垂直植被干旱指數(shù)(perpendiculardroughtindex，pdi)、改進(jìn)型垂直植被干旱指數(shù)(modifiedperpendiculardroughtindex，mpdi)等；二是為了減小或者消除土壤背景線的變化而引起監(jiān)測精度的不確定性問題，相關(guān)學(xué)者直接利用特征空間中任意點(diǎn)到原點(diǎn)距離的大小來表征研究區(qū)土壤濕度狀況，如短波紅外土壤濕度指數(shù)(shortwaveinfraredsoilmoistureindex，simi)、土壤濕度監(jiān)測指數(shù)(soilmoisturemonitoringindex，smmi)，這兩種指數(shù)不依賴于土壤背景線，減小了土壤濕度監(jiān)測的不確定性。

pdi、mpdi基本上都基于一條固定的土壤背景線，但土壤背景線隨土壤類型、有機(jī)質(zhì)、礦物組成、植被覆蓋等的變化而變化，造成了監(jiān)測精度的不確定性；simi、smmi雖然不依賴于土壤背景線，但其在構(gòu)建過程中沒有考慮植被覆蓋對土壤濕度的影響，在植被覆蓋度較高的地區(qū)由于植被對可見光、近紅外波段有較強(qiáng)的散射作用，會對simi、smmi產(chǎn)生較大的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，以克服上述不足。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1)獲取研究地區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)；

2)對步驟1)的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正及幾何校正預(yù)處理，得到研究地區(qū)紅光和近紅外波段反射率數(shù)據(jù)；

3)根據(jù)步驟2)的紅光和近紅外波段反射率數(shù)據(jù)，獲取研究地區(qū)歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，歸一化植被指數(shù)表達(dá)式為：

其中，ndvi表示歸一化植被指數(shù)，ρnir表示近紅外波段反射率，ρred表示紅光波段反射率；

4)根據(jù)研究地區(qū)ndvi數(shù)據(jù)，獲取研究地區(qū)植被覆蓋度影像圖，植被覆蓋度表達(dá)式為：

其中，fv表示植被覆蓋度，ndvimax為植被完全覆蓋fv＝1時(shí)的ndvi值；ndvimin為裸地fv＝0時(shí)的ndvi值；

5)將公式(1)和公式(2)代入修正型土壤濕度監(jiān)測指數(shù)msmmi計(jì)算公式，得到研究地區(qū)每個(gè)像元的msmmi值；msmmi的計(jì)算公式為：

其中，ρs，nir、ρs，red分別為裸地近紅外波段地表反射率、紅光波段地表反射率；ρv，nir、ρv，red分別為植被在紅光波段、近紅外波段的地表反射率；

6)根據(jù)步驟5)中msmmi值的大小，得到待監(jiān)測地區(qū)的的土壤濕度分布狀況。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：本發(fā)明提供了一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，適用于植被覆蓋條件下土壤濕度的監(jiān)測，該方法不隨著土壤背景線變化的發(fā)生變化，同時(shí)考慮了植被覆蓋對土壤濕度的影響，完善了以往研究中pdi、mpdi隨著土壤背景線變化而造成監(jiān)測精度不確定性及simi、smmi監(jiān)測土壤濕度時(shí)未考慮植被覆蓋影響的情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法流程圖；

圖2為msmmi在nir-red二維光譜特征空間中的定義圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施案例中msmmi空間分布圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施案例中smmi空間分布圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施案例中pdi空間分布圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施案例中mpdi空間分布圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施案例中0-5cm深度土壤濕度與msmmi、smmi、pdi、mpdi的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

參照圖1至圖7，一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法，包括以下步驟：

1)獲取研究地區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)；

2)對步驟1)的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射校正、大氣校正及幾何校正預(yù)處理，得到研究地區(qū)紅光和近紅外波段反射率數(shù)據(jù)；

3)根據(jù)步驟2)的紅光和近紅外波段反射率數(shù)據(jù)，獲取研究地區(qū)歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，歸一化植被指數(shù)表達(dá)式為：

其中，ndvi表示歸一化植被指數(shù)，ρnir表示近紅外波段反射率，ρred表示紅光波段反射率；

4)根據(jù)研究地區(qū)ndvi數(shù)據(jù)，獲取研究地區(qū)植被覆蓋度影像圖，植被覆蓋度表達(dá)式為：

其中，fv表示植被覆蓋度，ndvimax為植被完全覆蓋fv＝1時(shí)的ndvi值；ndvimin為裸地fv＝0時(shí)的ndvi值；

5)將公式(1)和公式(2)代入修正型土壤濕度監(jiān)測指數(shù)msmmi計(jì)算公式，得到研究地區(qū)每個(gè)像元的msmmi值；msmmi的計(jì)算公式為：

其中，ρs，nir、ρs，red分別為裸地近紅外波段地表反射率、紅光波段地表反射率；ρv，nir、ρv，red分別為植被在紅光波段、近紅外波段的地表反射率。

實(shí)際中，其獲取方式主要有三種：一是利用地物光譜儀實(shí)測植被在紅光和近紅外波段上的反射率；二是通過研究區(qū)高分辨率影像求取植被像元在紅光和近紅外波段上的反射率均值；三是結(jié)合前人研究，ρv，vir和ρv，red取值為0.5和0.05。

參照圖2，msmmi監(jiān)測土壤濕度的原理為：nir--red光譜特征空間可以反映植被、地物覆蓋類型及土壤濕度的分布狀況，且在特征空間中存在一條土壤背景線bc，所有的植被像素都落在a點(diǎn)和土壤背景線bc之間，即a點(diǎn)為半濕潤全植被覆蓋區(qū)，b點(diǎn)為濕潤裸土區(qū)，c點(diǎn)為干燥裸土區(qū)，距離坐標(biāo)原點(diǎn)o越近，越濕潤。在該特征空間中，黑體正好位于坐標(biāo)原點(diǎn)o，任何具有一定反射能力的物體越干旱越遠(yuǎn)離o點(diǎn)，也就是說最接近o點(diǎn)的空間是水體或較濕潤的區(qū)域，|oe|距離的變化在一定程度上能夠反映土壤濕度的大小，如圖2。當(dāng)點(diǎn)e位于b點(diǎn)時(shí)，|oe|最小，土壤濕度最高；當(dāng)點(diǎn)e位于c點(diǎn)時(shí)，|oe|最大，土壤濕度最小。因而，可以利用特征空間中任意地物點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)o之間距離來表征土壤濕度大小。

6)根據(jù)步驟5)中msmmi值的大小，得到待監(jiān)測地區(qū)的的土壤濕度分布狀況。

示例性的，本發(fā)明實(shí)施案例中，以神東礦區(qū)2010年10月7日土壤濕度遙感監(jiān)測為對象，利用landsattm影像的紅光和近紅外波段反射率數(shù)據(jù)，在構(gòu)建nir-red光譜特征空間的基礎(chǔ)上，分析msmmi在土壤濕度遙感監(jiān)測中的應(yīng)用，與相關(guān)學(xué)者建立的smmi、pdi、mpdi進(jìn)行對比分析，并分別分析四種指數(shù)與實(shí)測土壤濕度的相關(guān)性，參照圖3至圖6，結(jié)果表明：(1)從四種監(jiān)測指數(shù)所得的土壤濕度空間分布圖，smmi與pdi土壤濕度監(jiān)測結(jié)果非常接近。而msmmi、mpdi與smmi、pdi監(jiān)測的結(jié)果有一定差異，主要體現(xiàn)在神東礦區(qū)的中間及東部區(qū)域，主要因?yàn)榈V區(qū)東部為黃土丘陵區(qū)，植被覆蓋度較高，而pdi、smmi均未考慮植被覆蓋對土壤濕度的影響，而mpdi、msmmi引入植被覆蓋度，其使其在植被覆蓋區(qū)也可監(jiān)測土壤中的水分含量。此外，從旱情較為嚴(yán)重的礦區(qū)西南地區(qū)來看，由于該區(qū)靠近毛烏素沙漠的邊緣，土壤含水量相對較少，四種監(jiān)測指數(shù)在該區(qū)域監(jiān)測效果大致相同，但也有一些區(qū)別，用mpdi、msmmi監(jiān)測出的干旱面積比例要略小于用pdi、smmi監(jiān)測的面積比例。(2)msmmi、smmi、pdi、mpdi均可用來監(jiān)測地表土壤濕度狀況，且在監(jiān)測地表0-5cm土壤濕度方面優(yōu)于10cm深土壤濕度。(3)pdi是中在特征空間中用任一點(diǎn)對原點(diǎn)做垂線，與原點(diǎn)的垂直距離|ef|大小作為監(jiān)測指數(shù)，而smmi則是利用特征空間的任一點(diǎn)與原點(diǎn)連線長度|oe|大小作為監(jiān)測指數(shù)。兩者的本質(zhì)意義是指在一個(gè)三角形中，用斜邊的長度作為smmi，用直角邊的長度作為pdi，如圖2，所以兩者的本質(zhì)意義是相同的。二者之間的局限性都沒有考慮植被覆蓋對土壤濕度的影響，其次在植被覆蓋較大的區(qū)域二者的監(jiān)測效果可能會有明顯下降，受植被覆蓋的影像較為嚴(yán)重。相關(guān)學(xué)者在考慮植被覆蓋的影響下，提出了mpdi；本發(fā)明在考慮考慮植被覆蓋的影響下，提出了msmmi；(4)雖然msmmi、smmi、pdi、mpdi均可用來監(jiān)測地表土壤濕度狀況，但pdi、mpdi均需要計(jì)算過原點(diǎn)o的處置與土壤背景線bc的垂線l的斜率，計(jì)算過程比較復(fù)雜，而msmmi直接基于紅光和近紅外波段的反射率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程較為簡單，易于操作。

具體驗(yàn)證過為：

篩選出影像單元均一、面積約900m²的代表性樣方16個(gè)，并在神東礦區(qū)進(jìn)行與衛(wèi)星同步的土壤樣點(diǎn)采樣，并根據(jù)編號分類保存，現(xiàn)場測定土壤濕重，精確記錄。在各樣地按0-5cm、10cm深度分別取樣，每個(gè)樣點(diǎn)分別取樣2-3次。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室采用烘干稱重法進(jìn)行含水量測試，烘干溫度為105℃，烘干時(shí)間約為12h，取平均值得到土壤濕度數(shù)據(jù)。

利用神東礦區(qū)實(shí)測0-5cm、10cm深度土壤濕度數(shù)據(jù)對msmmi、smmi、pdi、mpdi進(jìn)行驗(yàn)證。以0-5cm土壤濕度(soilmoisture，sm)為橫坐標(biāo)，以msmmi為橫坐標(biāo)，構(gòu)建sm-msmmi散點(diǎn)圖，如圖7所示，并與三角形smmi、pdi、mpdi進(jìn)行對比，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)，如表1所示。

由圖7和表1可得，msmmi、smmi、pdi、mpdi與土壤濕度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，四種指數(shù)與0～5cm、10cm土壤濕度之間的相關(guān)性均通過了95％顯著性檢驗(yàn)，表明四種指數(shù)均可用來監(jiān)測地表土壤濕度，且在監(jiān)測0-5cm土壤濕度方面優(yōu)于10cm深土壤濕度監(jiān)測。

表1神東礦區(qū)msmmi、smmi、pdi、mpdi與土壤濕度線性相關(guān)系數(shù)(r²)

注：***，**分別表示通過99％、95％顯著性檢驗(yàn)。

雖然msmmi、smmi、pdi、mpdi均可用來監(jiān)測地表土壤濕度狀況，但pdi、mpdi均需要計(jì)算過原點(diǎn)o的處置與土壤背景線bc的垂線l的斜率，計(jì)算過程比較復(fù)雜，smmi未考慮植被覆蓋對土壤濕度的影響，而本發(fā)明提供一種土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測方法——修正型土壤濕度監(jiān)測指數(shù)msmmi在考慮植被覆蓋對土壤濕度影響的基礎(chǔ)上，直接基于紅光和近紅外波段的反射率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程較為簡單，易于操作。