[发明专利]基于归一化温度构建的干旱指数反演表层土壤水分方法

说明书

基于归一化温度构建的干旱指数反演表层土壤水分方法，属于测绘、地理信息技术类领域。本发明所述方法利用归一化温度和归一化植被指数构建特征空间，以归一化温度为横坐标，归一化植被指数为纵坐标，将TVDI内温度/植被指数特征空间与PDI内近红外/红外波段特征空间相结合，构建出归一化温度/归一化植被指数特征空间。该特征空间描述出从全植被覆盖、部分植被覆盖及裸土覆盖三种地表覆盖类型，通过特征空间内散点的分布确定土壤线分布，该土壤线描述出土壤水分从干到湿的变化过程，从而构建新的干旱指数NTDI，提高植被覆盖区地表土壤水分的反演精度，为大尺度复杂地表覆盖土壤水分估算提供支撑。

技术领域

本发明属于测绘、地理信息技术类领域，具体涉及一种基于归一化温度构建的干旱指数反演表层土壤水分方法。

背景技术

土壤水分参与陆地与大气能量交换，是陆地表面蒸散、水分运移以及碳循环过程中的重要因子，是水文、气象和农业研究中的重要参数，对水文过程以及气候变化有着重要的调节作用。利用遥感手段反演地表土壤水分主要包括微波遥感和光学遥感方法，微波遥感又分为主动微波和被动微波，它们都是利用干燥土壤和水分在介电特性上的巨大差异来反演土壤水分，虽然该类方法不受天气影响，但是数据难获得、成本高、反演机理复杂，受地表粗糙度等几何结构影响较大。而光学遥感数据获取方便，波段信息丰富，成像质量好，时空分辨率高，与植被和地表土壤水分有着较高的敏感度，因此非常适合于地表土壤水分的反演研究。

目前光学遥感反演地表土壤水分方法主要包括基于植被指数方法、基于地表温度方法以及基于特征空间方法。基于植被指数方法简单直接，但是对短暂的水分胁迫不敏感，应用范围受到极大限制；基于地表温度方法物理意义明确，结果可靠，但是受外在因素影响较大，模型较复杂。基于特征空间的方法应用最广泛，包括地表温度植被指数特征空间、近红外/红外波段特征空间等。温度植被干旱指数(Temperature Vegetation DrynessIndex,TVDI)是基于地表温度和植被指数构成的三角形特征空间并由Sandholt等^[1]提出，该指数不仅可以表示出地表植被的覆盖状况，同时能够估计得到水分胁迫的瞬时状态，将植被与土壤的物理特性与地表土壤水分估计之间建立紧密联系，但是该指数对大气条件及其地表起伏有着较高的要求，需要包含从裸土、部分植被覆盖到全植被覆盖所有地表覆盖类型的足够大区域，以确保特征空间内包含完全湿润和完全干燥的边缘，但在土壤水分研究中，研究区的覆盖情况往往不能同时包含所有地表覆盖类型，由这些“不完全符合条件”的散点得到的干边和湿边本质上只是特征空间内部存在的边，而不是理论上的干湿边。Ghulam等在近红外/红外波段特征空间的基础上提出垂直干旱指数(PerpendicularDrought Index,PDI)^[2]和改进的垂直干旱指数(Modified Perpendicular DroughtIndex,MPDI)^[3]。PDI计算简单，可以有效地监测裸土地表的干湿状况，但在茂密植被覆盖及不同土壤类型的非平坦地形下表现不佳，土壤线的计算容易受到土壤类型、施肥条件等因素的影响，受植被在红光、近红外的多次反射作用影响，仅适合裸地或植被覆盖低的区域。MPDI是在PDI基础上引入植被覆盖度及混合像元信息，纠正PDI在不同植被覆盖类型下反演土壤水分的不足，其适合于高植被覆盖下地表干湿状况的监测，但是其过于依赖观测数据，近红外波段和红外波段的植被反射率由经验获得，适用性受到极大的限制。对于不同的植被生长，MPDI容易受到植被活动、植被绿度以及植被应激水平等因素影响。(参考文献：[1]Sandholt,I.；Rasmussen,K.；Andersen,J.A simple interpretation of the surfacetemperature/vegetation index space for assessment of surface moisturestatus.Remote Sens.Environ.2002,79,213-224.；[2]Ghulam,A.；Qin,Q.；Zhan,Z.Designing of the perpendicular drought index.Environmental Geology 2007,52,1045-1052.；[3]Ghulam,A.；Qin,Q.；Teyip,T.；Li,Z.-L.Modified perpendiculardrought index(MPDI):a real-time drought monitoring method.ISPRSJ.Photogramm.Remote Sens.2007,62,150-164.)