荒漠化矿区土壤湿度多分辨率时空演变机理研究

At present, scholars put forward different soil moisture retrieval methods for different remote sensing data at home and abroad. A general soil moisture monitoring model has not been constructed and rare studies are carried on monitoring desert mining area land surface soil moisture and analyzing coal mining impacts on soil moisture. Based on GeoEye, MODIS, SPOT, Landsat and HJ-CCD remote sensing data, the main works of the project are as follows: 1) Study on spatial-temporal evolution and mechanism of land surface soil moisture will be carried on. The spatial-temporal evolution laws and mechanism of land surface soil moisture and coal mining impacts will be obtained. It can provide basic data for the vegetation construction and environmental restoration. 2) In order to make the comparison of different results, the integration and verification scale effect of monitoring results, based on different resolution remote sensing data, will be analyzed. It can provide a reference to select an appropriate remote sensing data from the different scales. 3) Based on band reflectance, a soil moisture monitoring model will be constructed. The model is applied to the research which is basing on multi-spectral remote sensing data. And this model makes the results, coming from different retrieval methods, have comparability. The model is equally applicable to other similar types of mines and is universal.

目前，国内外遥感数据种类繁多，相关学者针对不同遥感数据形成了不同的土壤湿度反演算法，未能形成一套普适性的地表土壤湿度遥感监测方法，对荒漠化矿区地表土壤湿度及煤炭开采对其产生影响的相关研究并不多见。本项目以荒漠化矿区为研究对象，以多分辨率GeoEye、MODIS、Landsat和HJ-CCD为数据源，主要开展三个方面的研究：1）荒漠化矿区浅层土壤湿度时空演变规律及机理研究，得到矿区地表土壤湿度的时空演变迁移规律、机理及采矿活动对其产生的影响，为矿区植被建设及环境修复提供基础资料；2）对不同分辨率遥感数据监测结果融合及验证的尺度效应进行分析，使得监测结果具有可比性，为不同研究尺度选取相应的遥感数据提供参考；3）构建地表土壤湿度遥感监测模型，该模型基于波段反射率，适用于利用多光谱遥感数据展开的研究，避免了由于反演算法的不同导致结果缺乏可比性，该模型同样适用于其他同类型的矿区，具有普适性。

本项目以荒漠化矿区——神东矿区为研究对象，以多分辨率Worldview-2、SPOT5/6、MODIS、Landsat和HJ-CCD为数据源，对荒漠化矿区地表土壤湿度及煤炭开采对其产生的影响展开研究。主要工作分为三个方面：1）顾及NDVI<0.15的情况，提出了双抛物线型NDVI-Ts特征空间，基于该特征空间的TVDI比三角形NDVI-Ts特征空间计算的TVDI在监测浅层土壤湿度方面更有优势。基于双抛物线型NDVI-Ts特征空间，结合2000~2015年神东矿区250m分辨率MODIS产品NDVI和Ts数据，监测了16a间矿区尺度上土壤湿度变化情况，结果表明16a间矿区土壤湿度平均值总体上呈增加趋势，在空间上表现为从西北部向东南部土壤湿度逐渐增加的趋势，地下采矿活动并未导致矿区浅层土壤湿度出现明显的干化现象。TVDI的GSSIM值在空间上的变化受地貌类型和下垫面覆盖变化影响较大，地表植被增加会导致土壤湿度增大，地表露天采矿区增加会导致土壤湿度减小。2）基于红光-近红外光谱特征空间，提出普适性土壤湿度监测模型SMMI和引进植被覆盖度的改进型土壤湿度监测指数MSMMI，该模型只用到了波段反射率，计算简单、便于操作，避免了参数反演的复杂性和不准确性。利用矿区SPOT5/6、Landsat和HJ-CCD等中高分辨数据，从矿井尺度分析地下采矿对地表土壤湿度的影响，得出地下采矿扰动对大柳塔、榆家梁等矿井地表土壤湿度产生了负面影响，使得采区土壤湿度小于非采区，但植被建设、矿井水循环利用等活动能够部分削弱这种负面影响。3）利用局部方差和变异函数法，基于大柳塔矿井Worldwide-2影像，得到大柳塔矿井土壤湿度分析的最优尺度，表明86m~93m的空间分辨率数据能够体现本区域土壤湿度空间异质性，因此项目利用30 m Landsat与HJ-CCD数据、16 m GF-1及6 m SPOT6数据研究矿井尺度土壤湿度是可行的。. 项目提出的双抛物线型NDVI-Ts特征空间的TVDI是对传统基于三角形或梯形NDVI-Ts特征空间的TVDI有益补充。多光谱数据均包含红光Red和近红外NIR波段，因而项目提出的基于Red——NIR特征空间的SMMI和MSMMI，具有普适性，且拓展了土壤湿度监测方法。本项目得出的相关结论可为煤炭合理开采提供理论依据并为建设和谐、绿色矿区服务。