土壤鹽漬化遙感模型及其在疏勒河流域的應(yīng)用

土壤鹽漬化遙感模型及其在疏勒河流域的應(yīng)用

1遙感信息模型的主要成果遠(yuǎn)程信息模型集成了地形模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型。利用遠(yuǎn)程信息信息和信息系統(tǒng)的成像方法，包括幾何相似性率、物理相似性率和數(shù)學(xué)方程。根據(jù)獨(dú)立變量資源圖和信息系統(tǒng)成像變量的計(jì)算，使用圖像作為單元進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。遠(yuǎn)程信息模型的核心是將干分解、矩陣?yán)碚摵偷匦谓y(tǒng)計(jì)方法結(jié)合起來(lái)的。這是解決復(fù)雜地理現(xiàn)象和地理過(guò)程中地理過(guò)程問題的地方模型。表1顯示了目前遠(yuǎn)程信息模型的主要研究成果。自然界中各物理量之間存在著必然的聯(lián)系,各物理量都是由一些統(tǒng)一、和諧的基本量組成或表示的.在分析地理、物理現(xiàn)象和研究其規(guī)律時(shí),可以用物理學(xué)中基本和本質(zhì)的量綱分析理論去探索.量綱分析理論可以用來(lái)研究復(fù)雜的現(xiàn)象,它提供了一種事先的定性理論分析,根據(jù)合理的觀測(cè)數(shù)據(jù)找出內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式,從而達(dá)到認(rèn)識(shí)所研究的物理現(xiàn)象的本質(zhì).量綱分析理論在流體動(dòng)力學(xué)、航空、爆炸技術(shù)、天體物理等問題中應(yīng)用十分廣泛,極大地推動(dòng)了這些學(xué)科理論和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展.為了定量研究有關(guān)的物理現(xiàn)象及其規(guī)律,可以選擇幾個(gè)最為基本的量(基本量),并在此基礎(chǔ)上引出導(dǎo)出量.經(jīng)過(guò)量綱分析將基本量與導(dǎo)出量通過(guò)描述自然規(guī)律的方程式或定義新物理量的方程式相互聯(lián)系起來(lái).2a,b土壤物理問題的解決方法—量綱分析理論凡是正確反映客觀規(guī)律的物理方程,其各項(xiàng)的量綱都必須一致,量綱不和諧的公式將逐漸被淘汰,即通過(guò)量綱分析達(dá)到量綱和諧.量綱分析法通常采用Π定理(量綱為1的數(shù)是用Π來(lái)表示的,故稱為Π定理),由白金漢(Buckingham)在1914年提出,要求方程中各項(xiàng)的量綱是一致的.設(shè)某研究問題中涉及n個(gè)物理量(包括物理常量)P1,P2,…,Pn,其中有m個(gè)基本量(n>m),m個(gè)基本量量綱獨(dú)立,它們量綱的矢量彼此線性無(wú)關(guān).假如它們的量綱為X1,X2,…,Xm,用P代表導(dǎo)出量P的量綱,則有Ρ=Xa11Xa22?Xamm(1)式(1)兩邊取對(duì)數(shù),得lnΡ=a1lnX1+a2lnX2+?+amlnXm(2)式(2)中l(wèi)nX1,lnX2,…,lnXm可以看作是m維空間的“正交基矢”,則(a1,a2,…,am)就是“矢量”lnP在基矢上的投影,是它的“分量”.為了簡(jiǎn)便,把量綱式寫成(a1,a2,…,am),(a1i,a2i,…,ami)T(i=1,2,…,m),它們組成的行列式不等于0:[a11?a1m??am1?amm]≠0(3)由此則可組成n-m個(gè)量綱為1的量Π1,Π2,…,Πn-m,在P1,P2,…,Pn之間存在的函數(shù)關(guān)系式f(P1,P2,…,Pn)=0,寫成相應(yīng)的無(wú)量綱形式:F(Π1?Π2???Πn-m)=0(4)在解決物理問題時(shí),按如下的步驟和方法進(jìn)行.a.提煉物理問題涉及的物理量的量綱式:n∏i=1xαii=πxi=m∏j=1Xjβij(5)b.構(gòu)造量綱矩陣,寫出量綱矩陣方程:m∏j=1Xjn∑i=1βijai=m∏j=1X0j(6)c.求解量綱矩陣方程的基礎(chǔ)解系:n∑i=1βijai=0如果方程組的秩為r,則有n-r個(gè)基本解a(s)=(a(s)1?a(s)2???a(s)n)Τ(s=1?2???n-r)(7)d.按Π定理寫出物理量的關(guān)系式;n∏i=1Xia(s)i=πs(s=1?2???n-r)(8)根據(jù)以上分析,建立和應(yīng)用遙感信息模型首先應(yīng)根據(jù)所研究問題的性質(zhì),選擇相應(yīng)的獨(dú)立變量,然后在物理量綱分析理論的指導(dǎo)下,應(yīng)用Π定理進(jìn)行物理量之間的量綱分析,即進(jìn)行無(wú)量綱化處理,由此得到一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)、半理論的公式.根據(jù)實(shí)測(cè)資料,在像元基礎(chǔ)上,進(jìn)行非線性的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,求出地理系數(shù)和地理指數(shù),最后根據(jù)建立的模型進(jìn)行地學(xué)評(píng)價(jià)和預(yù)報(bào).3鹽漬化遙感信息模型目前對(duì)鹽漬化預(yù)測(cè)方面的研究多是定性的,涉及的影響因子不夠全面.在缺乏充分理論指導(dǎo)的情況下,定性的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且越?jīng)驗(yàn)的判斷和分析提出函數(shù)和簡(jiǎn)單方程來(lái)表達(dá)現(xiàn)象之間的規(guī)律.它對(duì)過(guò)程或現(xiàn)象缺乏機(jī)理的認(rèn)識(shí),模型建立僅依據(jù)有限范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)和過(guò)程數(shù)據(jù),放大和外延使用有一定的風(fēng)險(xiǎn).導(dǎo)致次生鹽漬化的發(fā)生因素很多,彼此之間具有不同的量綱.建立基于物理理論基礎(chǔ)的遙感信息模型是解決這個(gè)問題的有效途徑.根據(jù)通用遙感信息模型理論,土壤鹽漬化遙感信息模型的建立分為3個(gè)步驟.首先分析致漬因素,選擇獨(dú)立變量后進(jìn)行量綱分析,得到相應(yīng)的相似準(zhǔn)則,在此基礎(chǔ)上得到鹽漬化遙感信息模型經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算參數(shù),運(yùn)行模型(圖1).研究表明,土壤鹽漬化受氣候因素、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)因素及植被、土壤因素的影響,且這些因素之間相互依存,影響因子多而復(fù)雜.氣候因素包括降水強(qiáng)度P、蒸發(fā)量E;地質(zhì)因素表現(xiàn)為包氣帶中黏性土頂板埋深Cd;地貌因素表現(xiàn)為鹽漬土地形變化,可量化為坡度Sa和坡角Sd;水文地質(zhì)因素包括地下水埋深Gd和地下水礦化度Gm;植被和土壤質(zhì)地對(duì)鹽漬土的綜合影響機(jī)理尚不清楚,植被覆蓋在一定程度上反映了土壤鹽漬化情況,土壤質(zhì)地對(duì)土壤鹽漬化的影響也會(huì)通過(guò)植被覆蓋體現(xiàn),為此,集中概化為歸一化植被指數(shù)αNDVI描述植被和土壤質(zhì)地對(duì)土壤鹽漬化的影響.以Ss表示土壤含鹽量,則各影響因子之間的函數(shù)關(guān)系可表示為Ss=f(Ρ?E?Gd?Gm?αΝDVΙ?Sa?Sd?Cd)(9)遙感信息模型建立的首要任務(wù)是根據(jù)量綱關(guān)系將土壤鹽漬化因素有機(jī)地組織起來(lái).選取國(guó)際上通用的力學(xué)單位制MKS單位制,對(duì)量綱引進(jìn)麥克斯韋符號(hào)a,各量的量綱見表2.共有8個(gè)獨(dú)立變量,包括3個(gè)不同的物理量綱,即長(zhǎng)度L、質(zhì)量M、時(shí)間T,選取降水強(qiáng)度P、地下水埋深Gd和地下水礦化度Gm為基本變量.根據(jù)白金漢定理,共可以找到6組相似準(zhǔn)則,即f(π1?π2?π3?π4?π5?π6)=0(10)其中6個(gè)π數(shù)為π1=Pα1Gβ1dGγ1mSs,π2=αNDVI,π3=Pα2Gβ2dGγ2mE,π4=Sa,π5=Pα3Gβ3dGγ3mCd,π6=Sd.根據(jù)Π定理得出量綱指數(shù):[α1α2α3β1β2β3γ1γ2γ3]=[0-1000-1-100](11)根據(jù)式(10),(11)找到的相似準(zhǔn)則,可得到土壤鹽漬化遙感信息模型的一般式為Ss=a0(EΡ)a1(CdGd)a2Sa3aαa4ΝDVΙSa5dGm(12)4數(shù)據(jù)及模型的建立通過(guò)遙感信息模型建立區(qū)域鹽漬化影響因子和積鹽量之間的模型關(guān)系式,基于GIS綜合評(píng)價(jià)平臺(tái),以位于疏勒河流域內(nèi)的雙塔灌區(qū)為模型試驗(yàn)區(qū),選擇地理位置相鄰、自然條件類似的昌馬和花海灌區(qū)作為模型驗(yàn)證區(qū),建立定量評(píng)價(jià)關(guān)系式,預(yù)測(cè)鹽漬化發(fā)展進(jìn)程.利用2000年6月雙塔灌區(qū)土壤含鹽量、蒸發(fā)和降水、地下水埋深、地下水礦化度、黏土層頂板埋深數(shù)據(jù),插值得到全區(qū)數(shù)據(jù),并將矢量數(shù)據(jù)柵格化,對(duì)應(yīng)DSM,DEM,DPM,DDM,DMM,DCM;在MODIS(選取無(wú)云較好圖像)提取同時(shí)段歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù),形成DNM;根據(jù)地面高程模型提取坡度、坡角生成DAM,DLM,將9組數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為250m×250m的網(wǎng)格,形成空間網(wǎng)格數(shù)據(jù)組.對(duì)土壤鹽漬化遙感信息模型的一般式(12)兩邊取對(duì)數(shù),將模型轉(zhuǎn)換為多元線性方程:lgSs-lgGm=lga0+a1(lgE-lgΡ)+a2(lgCd-lgGd)+a3lgSa+a4lgαΝDVΙ+a5lgSd(13)令Y=lgSs-lgGmX1=lgE-lgΡX2=lgCd-lgGdX3=lgSaX4=lgαΝDVΙX5=lgSd則Y=lga0+a1X1+a2X2+a3X3+a4X4+a5X5由式(13)得到地理系數(shù)和地理指數(shù)a0～a5的方程:{L11a1+L12a2+L13a3+L14a4+L15a5=L1yL21a1+L22a2+L23a3+L24a4+L25a5=L2yL31a1+L32a2+L33a3+L34a4+L35a5=L3yL41a1+L42a2+L43a3+L44a4+L45a5=L4yL51a1+L52a2+L53a3+L54a4+L55a5=L5y(14)對(duì)于mn個(gè)像元數(shù)據(jù)有:ˉXi=1kk∑j=1XijˉY=1kk∑j=1Yj(k=mn?i=1?2?3?4?5)(15)則a0=ˉY-5∑i=1aiˉXi(16)由式(15),(16)得到方程(14)系數(shù)為L(zhǎng)ij=k∑s=1(Xsi-ˉXi)(Xsj-ˉXj)Liy=k∑s=1(Xsi-ˉXi)(Ys-ˉY)(i?j=1?2?3?4?5)(17)對(duì)數(shù)字空間數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格間運(yùn)算,得到6組無(wú)量綱方程變量組Y,X1,X2,X3,X4,X5.根據(jù)圖像同名點(diǎn)進(jìn)行圖像運(yùn)算,求出地理系數(shù)和地理指數(shù):a0=16.292,a1=0.365,a2=0.493,a3=-0.866,a4=-0.117,a5=0.024.由此得到鹽漬化遙感信息模型表達(dá)式:Ss=Sc(EΡ)0.365(CdGd)0.493Sa-0.866α-0.117ΝDVΙS0.024dGm(18)式中Sc=16.292,定義為區(qū)域土壤鹽漬化常量.將模型代入昌馬灌區(qū)和花海灌區(qū)正演計(jì)算,結(jié)果顯示,含鹽量誤差小于10%的網(wǎng)格分別占兩灌區(qū)計(jì)算網(wǎng)格的82.6%和80.3%,基本滿足要求.在獲取研究年相應(yīng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行評(píng)價(jià):考慮在結(jié)合地下水系統(tǒng)模型對(duì)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的條件下,對(duì)鹽漬化影響因子合理調(diào)整,預(yù)測(cè)研究區(qū)未來(lái)年份同期鹽漬化發(fā)展趨勢(shì).在鹽漬化影響因子中,變化較大的是區(qū)域水文地質(zhì)因素,即地下水礦化度和地下水埋深,由地下水動(dòng)態(tài)模型得到.根據(jù)近30a的氣象觀測(cè)資料,區(qū)域蒸發(fā)量相對(duì)降水量有一定的增加,區(qū)域同期最大蒸降比由45.3增加到51.6,平均每年約增長(zhǎng)0.2;坡度、坡角及歸一化植被指數(shù)在本次預(yù)測(cè)中保持不變.以10a為一個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)段.結(jié)果(圖2)表明:雙塔盆地土壤總體