摘要：本文以山东省东营市垦利县为例，采用中心波长反射率和波段平均反射率两种拟合
方法，利用室外实测高光谱窄波段反射率数据模拟LandSat8卫星宽波段反射率，通过组合，建立估测模型,模型的决定系数R2为0.701，总均方根误差RMSE为2.54，相对误差RE为9.63%。操作过程首先是对遥感影像进行一系列的处理之后，再进行波段运算，之后采用比值均值订正方法对遥感影像反射率进行订正,然后，将模型应用到经过订正的LandSat8卫星影像，以此实现对研究区土壤水分含量的遥感反演。结果表明，反演后数据基本符合研究区土壤含水量的实际状况，此研究可以为垦利县土壤水分状况的快速获取提供了科学依据。
关键词：垦利县；土壤水分；遥感；反演
1前言
1.1选题的背景
土壤水分是监测土地退化与干旱的重要指标，它关系到粮食的生产、植被的长势与作物的生长状况，同时也是水文、气候、农业、生态等领域的重要参数。水是生命之源，是国计民生与社会快速发展的命脉，同时也是农业的命脉。我国的水资源十分短缺，总体上年降水量相对较低，且年内分布也不均匀。随着工农业、生活用水的不断增长，农业用水却没有增加用水量，农田水资源也影响到了农业生产与发展。土壤含水量的监测能够准确地掌握田间土壤水分的分布及未来的发展状况，确定土壤含水量可以提高农业用水的效率、节约水资源。所以土壤含水量的确定是完善灌区配水的重要技术。对于提高农业灌溉用水效率、水土资源的可持续利用，以及旱情的监测都具有重要的意义土壤水分在地表与大气间的物质和能量交换中，起着极为重要的作用，是陆地地表参数化的一个关键变量，同时也是农作物生长发育的基本条件和产量预报模型中的重要参量。
1.2研究的目的和意义
长期以来，土壤水分都是森林、草原和农田等生态系统研究的重要内容，尤其是在占世界陆地约 1/ 3 的干旱区和半干早区。土壤水分是研究农业干早及作物干早的重要指标，是农田灌溉管理、区域水文条件研究和流域水分平衡计算的重要参量。特别是随着水源危机日益突出 , 国内外对节水农业研究都给予高度重视，土壤含水量也就成了节水农业研究中经常测定的项目。测定方法的研究主要体现在如何快捷、准确、经济地测定土壤含水量方面，这对于及时探明土壤水分状况 , 以便适时做出科学的决策或采取合理的措施等具有重要意义。本文研究不仅为垦利县土壤水分利用与规划提供了信息参考，同时也为垦利县的可持续发展奠定了基础。
2国内外遥感监测土壤含水量的研究现状
2.1国外研究现状
20 世纪 60 年代，在国外，采用遥感技术对土壤含水量进行监测的方法在已经开始了，到现在为止已有近 40 多年的历史，并且获得了大量的研究成果。随着遥感技术的快速发展，尤其是进入了 70 年代后，世界上遥感技术相对先进的国家都在不同程度上对土壤含水量进行了大量的研究。美国地理学家 Bowers 与Hanks 等人通过研究土壤发射和反射的光谱信息，结合这些光谱反射特性和热红外数据信息的方法，这种方法在研究土壤信息方面是可行的；Waston 与 Rowen等人开始使用地表温度日较差，经过推算提出了热惯量的模式，这就是热惯量方法的诞生，也是这种方法日后研究的理论基础。20 世纪 90 年代以后，国外在土壤含水量遥感技术方法研究取得的成就主要包括：逐渐加大了对气象卫星的研究；结合热惯量法与作物缺水指数两种方法也取得了很大的进展；另外，监测范围也从地球局部扩展到全世界，在研究方法上也开始采用模拟模式进行研究。
70 年代初，在被动微波遥感领域，NASA 在亚历山大的农田进行了航空微波辐射计的飞行实验，并且观测了 0-15cm 的土壤水分分布情况。Schmugge 等
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人通过对大量的实验数据进行了处理分析，获得相应的实验结果：亮温与土壤的含水量之间呈正线性相关；Njoku 等人在辐射传输方程的基础上，建立亮温和土壤湿度等参数的非线性方程，然后再通过迭代与最小二乘法对方程求解，得到土壤湿度。在主动微波遥感的领域，合成孔径雷达在国际对地观测中已成为前沿技术，受到了很大的重视。利用遥感方法反演土壤水分还在气象方面受到了关注，方法与研究也越来越完善。1986 年，Carlson 等人在气象卫星资料的基础上，估计了大范围的土壤有效水分分布状况，并对热惯量进行了计算研究。90 年代到目前为止，土壤水分的遥感探测方法也取得了新的进展。
2.2国内研究现状
我国开展土壤水分遥感监测的研究起步较晚，开始于 80 年代中期的“七五”期间。国内的起始研究方向与国外最初的研究是一致的，都是先从土壤表面的光谱反射特性方面进行研究，在进行计算土壤参数时大都使用热惯量法或者是作物缺水指数法。张仁华提出一个改进的热惯量模型，该模型综合概括了地表显热通量和潜热能量等影响因素，并利用改进模型来反演土壤含水量。1984年，张向前等人在航空摄影数据资料的基础上首次制作了国内的热惯量图。进入 90 年代，国内开始了深入钻研土壤水分遥感探测方面的理论知识在，同时进行了各种实验工作，利用 NOAA/AVHRR 遥感卫星资料，与国外相比，大大缩小了在进行土壤水分或者是干旱宏观探测研究等方面的差距。进入 21 世纪，国内许多学者对遥感反演土壤含水量监测理论的应用方法进行进一步的拓展。2001 年，王鹏新等人研究了条件植被指数在遥感干旱监测中的适用条件与特点。姚春生通过对各种遥感定量反演土壤含水量的模型进行了综合比较分析，提出对于裸地或作物的生长初期应该运用表观热惯量模型，对于稍高植被覆盖度选择 TVDI 或 Ts/TVDI 模型，以此来反演全国土壤含水量的分布情况。2011年，张显峰、赵杰鹏运用遥感反演与同化模拟方法来估算大范围的陆表土壤水分，构建了适用于干旱区区域的土壤水分的计算模型。董小曼在能量平衡理论的基础上，利用 MODIS 数据反演了辐射亮度温度与反照率等模型需要的关键的参数，然后再利用模型反演获得的表观热惯量的数据，结合土壤水分方面的实测数据资料，通过经验线性模型进行拟合，最终实现了章丘市的大范围土壤水分的提取。
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3 研究区域概况
3.1垦利县位置境域
垦利县位于山东省东北部黄河三角洲地区的黄河最下游入海口处。其位置为北纬37°24′～38°10′，东经118°15′～119°19'。县域呈西南、东北走向，南北纵距55.5公里，东西横距96.2公里。东濒渤海，西北与利津县隔黄河相望，南接东营市东营区，东北部与东营市河口区毗邻。
3.2垦利县地理环境
垦利县地处温带季风气候区，虽濒临渤海，但大陆性季风影响明显，冬季干冷，夏季湿热，四季分明。年日照总时数2479.7小时，较常年偏少285.7小时。夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，春季多东北风，秋季多西风。全年气温偏高，冬季出现阶段性寒冷，夏季出现阶段性酷热，冬季少大风严寒，春季温暖湿润，温度回升快；降水时空分布不均。
3.3垦利县自然资源
垦利县境内可利用地表水资源有两部分：自然降水（自产径流）、客水水源（入境黄河水）。地下水由于矿化度较高，尚不可利用。2009年，降水量571.4毫米，多集中在夏季，大部分流入渤海。黄河水是境内的唯一客水来源，垦利县工农业和生活用水全部来自黄河水。
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4遥感影像数据来源及处理
4.1数据来源
研究垦利县土壤含水量的遥感反演，可靠的资料来源与精确的分析过程是获取正确结论的重要前提与保障。本文所采用的数据为2014年5月1日02:41:41获取的垦利县Landsat_8遥感影像数据。影像质量良好，研究区无云覆被，影像层次丰富，稍有物候差异。
图4-1 landsat_8影像
Figure 4-1 landsat_8 Image
图4-2 landsat_8各波段基本数据
Figure 4-2 landsat_8 Basic data of each band
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