北麓河流域不同植被覆盖条件下土壤冻融过程中地表土壤含水量变化

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0010

冰川冻土 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (6): 1925-1934.doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0010

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北麓河流域不同植被覆盖条件下土壤冻融过程中地表土壤含水量变化

胡越中¹(), 王广军¹(), 杜海波², 梁四海³, 罗银飞⁴^,⁵^,⁶, 董高峰⁴^,⁵^,⁶, 彭红明⁴^,⁵^,⁶

^1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083
^2.内蒙古煤田地质局勘测队，内蒙古呼和浩特 010010
^3.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083
^4.青海省环境地质勘查局，青海西宁 810007
^5.青海省环境地质重点实验室，青海西宁 810007
^6.青海省地质环境保护与灾害防治工程技术研究中心，青海西宁 810007

收稿日期:2020-12-23 修回日期:2021-09-02 出版日期:2022-12-25 发布日期:2023-01-18
通讯作者: 王广军 E-mail:cugb_hyz@outlook.com;cugbwgj@163.com
作者简介:胡越中，硕士研究生，主要从事遥感信息提取研究. E-mail： cugb_hyz@outlook.com
基金资助:
中国科学院战略性先导科技专项(XDA20100103);青海省应用基础研究项目(2017-ZJ-743);国家自然科学基金项目(41771204)

Changes in surface soil mositure during freeze-thaw process under different vegetated status using Sentinel-1A in Beiluhe

Yuezhong HU¹(), Guangjun WANG¹(), Haibo DU², Sihai LIANG³, Yinfei LUO⁴^,⁵^,⁶, Gaofeng DONG⁴^,⁵^,⁶, Hongming PENG⁴^,⁵^,⁶

^1.School of Land Science and Technology，China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083，China
^2.Inner Mongolia Survey Team of Coalfield Geology Bureau，Hohhot 010010，China
^3.School of Water Resources and Environment，China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083，China
^4.Qinghai Bureau of Environmental Geology Exploration，Xining 810007，China
^5.Key Laboratory of Environmental Geology of Qinghai Province，Xining 810007，China
^6.Qinghai Geological Environment Protection and Disaster Prevention Engineering Yechnology Research Center，Xining 810007，China

Received:2020-12-23 Revised:2021-09-02 Online:2022-12-25 Published:2023-01-18
Contact: Guangjun WANG E-mail:cugb_hyz@outlook.com;cugbwgj@163.com

摘要/Abstract

摘要：

北麓河流域位于青藏高原腹地多年冻土区，区内受制于活动层土壤冻融过程，地表土壤含水量变化与植被覆盖关系密切。本文协同利用2018年Sentinel-1A多极化SAR与Landsat-8光学遥感时序数据，综合改进的“水云模型”、Oh模型、Dubois模型和Topp公式，完成了北麓河流域2 037.94 km²土壤含水量反演，并基于实测点土壤含水量数据验证了反演精度，回归方程Adjusted-R²为0.6848，RMSE为0.039 cm³·cm^-3。从流域尺度研究土壤冻融过程、土壤含水量和植被覆盖关系的结果表明：植被覆盖对活动层冻融过程具有明显的迟滞作用，即植被覆盖度越高，活动层冻结和消融时间越滞后，该结论与前人的实地观测结果基本吻合。表明利用Sentinel-1A年度时序数据，从流域尺度研究土壤冻融过程、土壤含水量和植被覆盖的关系是可行的。

关键词: 北麓河流域, 多年冻土区, 冻融过程, 土壤含水量, 植被覆盖, SAR

Abstract:

Beiluhe basin lies in a permafrost region where is located in the interior of Tibetan Plateau. Ecosystem in the area is subjected to the freeze-thaw process of the active tjaele， and there is conspicuous correlation between soil moisture （SM） and vegetation coverage. To retrieve the soil moisture content of Beiluhe basin with a total area of 2 037.94 km²， a synergistic method， which combined improved water cloud model， Oh， Dubois and Topp model， was presented in this paper base on Sentinel-1A multi-polarization SAR and Landsat-8 time series images data. The accuracy was validated with the in-situ point SM data： Adjusted-R² of the regression equation is 0.6848， and RMSE is 0.039 cm³·cm^-3. The analysis of correlation among freeze-thaw process， SM and vegetation cover from macro watershed scale manifests： Vegetation coverage has a significant delayed effect on the freeze-thaw process of the active tjaele， that is， the higher vegetation coverage， the more lagging freeze-thaw time； These study results are basically consistent with predecessors in-situ observation data， verifying the feasibility of studying correlation among soil freeze-thaw process， SM， and vegetation coverage from the macro watershed scale based on Sentinel-1A annual time series data.

Key words: Beiluhe, permafrost region, freeze-thaw process, soil mositure, vegetation coverage, SAR

中图分类号:

P642.14

胡越中, 王广军, 杜海波, 梁四海, 罗银飞, 董高峰, 彭红明. 北麓河流域不同植被覆盖条件下土壤冻融过程中地表土壤含水量变化[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1925-1934.

Yuezhong HU, Guangjun WANG, Haibo DU, Sihai LIANG, Yinfei LUO, Gaofeng DONG, Hongming PENG. Changes in surface soil mositure during freeze-thaw process under different vegetated status using Sentinel-1A in Beiluhe[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1925-1934.

图/表 6

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参考文献 47

1	Wilson M F， Henderson-Sellers A. A global archive of land cover and soils data for use in general circulation climate models［J］. Journal of Climatology， 1985， 5（2）： 119-143.
2	Engman E T. Applications of microwave remote sensing of soil moisture for water resources and agriculture［J］. Remote Sensing of Environment， 1991， 35（2/3）： 213-226.
3	Hickman G C， Vanloocke A， Dohleman F G， et al. A comparison of canopy evapotranspiration for maize and two perennial grasses identified as potential bioenergy crops［J］. GCB Bioenergy， 2010， 2（4）： 157-168.
4	Al-Kayssi A W， Shihab R M， Mustafa S H. Impact of soil water stress on Nigellone oil content of black cumin seeds grown in calcareous-gypsifereous soils［J］. Agricultural Water Management， 2011， 100（1）： 46-57.
5	Cheng Guodong， Zhao Lin， Li Ren， et al. Characteristic， changes and impacts of permafrost on Qinghai-Tibet Plateau［J］. Chinese Science Bulletin， 2019， 64（27）： 2783-2795.
	程国栋，赵林，李韧，等. 青藏高原多年冻土特征、变化及影响［J］. 科学通报， 2019， 64（27）： 2783-2795.
6	Ma Luyi. Research on soil water parameters in China and abroad［J］. World Forestry Research， 1997， 10（5）： 26-32.
	马履一. 国内外土壤水分研究现状与进展［J］. 世界林业研究， 1997， 10（5）： 26-32.
7	Choudhury B J. Monitoring global land surface using Nimbus-7 37 GHz data Theory and examples［J］. International Journal of Remote Sensing， 1989， 10（10）： 1579-1605.
8	Wang J R. Effect of vegetation on soil moisture sensing observed from orbiting microwave radiometers［J］. Remote Sensing of Environment， 1985， 17（2）： 141-151.
9	Ulaby F T， Moore R K， Fung A K. Radar remote sensing and surface scattering and emission theory［M］. New Jersey： Addison-Wesley Publishing Company， 1982.
10	Wetzel L B. A model for sea backscatter intermittency at extreme grazing angles［J］. Radio Science， 1977， 12（5）： 749-756.
11	Fung A K， Li Z， Chen K S. Backscattering from a randomly rough dielectric surface［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1992， 30（2）： 356-369.
12	Oh Y. Quantitative retrieval of soil moisture content and surface roughness from multipolarized radar observations of bare soil surfaces［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2004， 42（3）： 596-601.
13	Dubois P C， van Zyl J， Engman T. Measuring soil moisture with imaging radars［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1995， 33（4）： 915-926.
14	Ulaby F T， Batlivala P P， Dobson M C. Microwave backscatter dependence on surface roughness， soil moisture， and soil texture： Part I-bare soil［J］. IEEE Transactions on Geoscience Electronics， 1978， 16（4）： 286-295.
15	Gao Feng， Wang Jiemin， Li Xin， et al. Retrieving of land surface parameters over the Tibetan Plateau with passive microwave remote sensing［J］. Journal of Lanzhou University （Natural Sciences）， 2004， 40（6）：86-91.
	高峰，王介民，李新，等. 青藏高原地表参数的被动微波遥感反演研究［J］. 兰州大学学报（自然科学版）， 2004， 40（6）：86-91.
16	Bao Yansong， Liu Liangyun， Wang Jihua， et al. Estimation of soil water content and wheat coverage with ASAR image［J］. Journal of Remote Sensing， 2006， 10（2）： 263-271.
	鲍艳松，刘良云，王纪华，等. 利用ASAR图像监测土壤含水量和小麦覆盖度［J］. 遥感学报， 2006， 10（2）： 263-271.
17	Wang J R， Engmen E T， Shiue J C， et al. The SIR-B observations of microwave backscatter dependence on soil moisture， surface roughness， and vegetation covers［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1986， GE-24（4）： 510-516.
18	Zhou Peng， Ding Jianli， Wang Fei， et al. Retrieval methods of soil water content in vegetation covering areas based on multi-source remote sensing data［J］. Journal of Remote Sensing， 2010， 14（5）： 966-981.
	周鹏，丁建丽，王飞，等. 植被覆盖地表土壤水分遥感反演［J］. 遥感学报， 2010， 14（5）： 966-981.
19	Ulaby F T， Sarabandi K， McDonald K， et al. Michigan microwave canopy scattering model［J］. International Journal of Remote Sensing， 1990， 11（7）： 1223-1253.
20	Ulaby F T， Bradley G A， Dobson M C. Microwave backscatter dependence on surface roughness， soil moisture， and soil texture： Part II-vegetation-covered soil［J］. IEEE Transactions on Geoscience Electronics， 1979， 17（2）： 33-40.
21	Dubois P C， van Zyl J， Engman T. Measuring soil moisture with imaging radars［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1995， 33（4）： 915-926.
22	Joseph A T， van der Velde R， O'Neill P E， et al. Soil moisture retrieval during a corn growth cycle using L-band （1.6 GHz） radar observations［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2008， 46（8）： 2365-2374.
23	Oldak A， Jackson T J， Starks P， et al. Mapping near-surface soil moisture on regional scale using ERS-2 SAR data［J］. International Journal of Remote Sensing， 2003， 24（22）： 4579-4598.
24	Zhou Huayun， Zhao Lin， Tian Liming， et al. Monitoring and analysis of surface deformation in the permafrost area of Wudaoliang on the Tibetan Plateau based on Sentinel-1 data［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2019， 41（3）： 525-536.
	周华云，赵林，田黎明，等. 基于Sentinel-1数据对青藏高原五道梁多年冻土区地面形变的监测与分析［J］. 冰川冻土， 2019， 41（3）： 525-536.
25	Zhao Tao， Zhang Mingyi， Pei Wansheng， et al. Application of the differential interferometric synthetic aperture radar （D-InSAR） technology to monitor the ground surface deformation in permafrost regions［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（3）： 1087-1097.
	赵韬，张明义，裴万胜，等. 合成孔径雷达差分干涉测量（D-InSAR）技术在多年冻土区地表变形监测中的应用［J］. 冰川冻土， 2020， 42（3）： 1087-1097.
26	Dai Licong， Ke Xun， Zhang Fawei， et al. Characteristics of hydro-thermal coupling during soil freezing-thawing process in seasonally frozen soil regions on the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（2）： 390-398.
	戴黎聪，柯浔，张法伟，等. 青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征［J］. 冰川冻土， 2020， 42（2）： 390-398.
27	Yang Meixue， Yao Tandong， He Yuanqing. The role of soil moisture-energy distribution and melting-freezing processes on seasonal shift in Tibetan Plateau［J］. Journal of Mountain Research， 2002， 20（5）： 553-558.
	杨梅学，姚檀栋，何元庆. 青藏高原土壤水热分布特征及冻融过程在季节转换中的作用［J］. 山地学报， 2002， 20（5）： 553-558.
28	Wu Qingbai， Shen Yongping， Shi Bin. Relationship between frozen soil together with its water-heat process and ecological environment in the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2003， 25（3）： 250-255.
	吴青柏，沈永平，施斌. 青藏高原冻土及水热过程与寒区生态环境的关系［J］. 冰川冻土， 2003， 25（3）： 250-255.
29	Liu Guangsheng， Wang Genxu， Hu Hongchang， et al. Influence of vegetation coverage on water and heat processes of the active layer in permafrost regions of the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2009， 31（1）： 89-95.
	刘光生，王根绪，胡宏昌，等. 青藏高原多年冻土区植被盖度变化对活动层水热过程的影响［J］. 冰川冻土， 2009， 31（1）： 89-95.
30	Li Yuanshou， Wang Genxu， Zhao Lin， et al. Response of soil moisture in the permafrost active layer to the change of alpine meadow coverage on the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2010， 32（1）： 157-165.
	李元寿，王根绪，赵林，等. 青藏高原多年冻土活动层土壤水分对高寒草甸覆盖变化的响应［J］. 冰川冻土， 2010， 32（1）： 157-165.
31	Wang Chao， Zhang Hong， Wu Qingbai， et al. Monitoring permafrost soil moisture with multi-temporal TERRASAR-X data in northern Tibet［C］//2016 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Beijing， China. Piscataway， NJ： IEEE， 2016： 3039-3042.
32	El Hajj M， Baghdadi N， Zribi M， et al. Synergic use of sentinel-1 and sentinel-2 images for operational soil moisture mapping at high spatial resolution over agricultural areas［J］. Remote Sensing， 2017， 9（12）： 1292.
33	Bao Yansong， Lin Libin， Wu Shanyu， et al. Surface soil moisture retrievals over partially vegetated areas from the synergy of Sentinel-1 and Landsat 8 data using a modified water-cloud model［J］. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation， 2018， 72： 76-85.
34	Wang Yibo， Wu Qingbai， Niu Fujun. The impact of thermokarst lake formation on soil environment of alpine meadow in permafrost regions in the Beiluhe basin of the Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2011， 33（3）： 659-667.
	王一博，吴青柏，牛富俊. 长江源北麓河流域多年冻土区热融湖塘形成对高寒草甸土壤环境的影响［J］. 冰川冻土， 2011， 33（3）： 659-667.
35	Zhang Lele， Jiao Keqin， Zhao Lin， et al. Observations and comparative analysis of the precipitation in the Beiluhe region， Tibetan Plateau［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2013， 35（1）： 30-39.
	张乐乐，焦克勤，赵林，等. 青藏高原北麓河地区降水量观测与对比分析［J］. 冰川冻土， 2013， 35（1）： 30-39.
36	Yagüe-Martínez N， Prats-Iraola P， Rodríguez González F， et al. Interferometric processing of sentinel-1 TOPS data［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2016， 54（4）： 2220-2234.
37	European Space Agency. Sentinel-1 user handbook［M］. ESA， 2013.
38	Baraldi A， Parmiggiani F. A refined gamma MAP SAR speckle filter with improved geometrical adaptivity［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 1995， 33（5）： 1245-1257.
39	Li Miaomiao. The method of vegetation fraction estimation by remote sensing［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2003.
	李苗苗. 植被覆盖度的遥感估算方法研究［D］. 北京：中国科学院研究生院， 2003.
40	Chen Li， Zhang Xiaoli， Jiao Zhimin. Reversion of leaf area index in forest based on linear mixture model［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（13）： 124-129.
	陈丽，张晓丽，焦志敏. 基于混合像元分解模型的森林叶面积指数反演［J］. 农业工程学报， 2013， 29（13）： 124-129.
41	Taconet O， Benallegue M， Vidal-Madjar D， et al. Estimation of soil and crop parameters for wheat from airborne radar backscattering data in C and X bands［J］. Remote Sensing of Environment， 1994， 50（3）： 287-294.
42	Prévot L， Champion I， Guyot G. Estimating surface soil moisture and leaf area index of a wheat canopy using a dual-frequency （C and X bands） scatter meter［J］. Remote Sensing of Environment， 1993， 46（3）： 331-339.
43	Svoray T， Shoshany M. Herbaceous biomass retrieval in habitats of complex composition： A model merging SAR images with unmixed Landsat TM data［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2003， 41（7）： 1592-1601.
44	Bindlish R， Barros A P. Parameterization of vegetation backscatter in radar-based， soil moisture estimation［J］. Remote Sensing of Environment， 2001， 76（1）： 130-137.
45	Zribi M， Dechambre M. A new empirical model to retrieve soil moisture and roughness from C-band radar data［J］. Remote Sensing of Environment， 2003， 84（1）： 42-52.
46	Topp G C， Davis J L， Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content： Measurements in coaxial transmission lines［J］. Water Resources Research， 1980， 16（3）： 574-582.
47	Staenz K， Williams D J. Retrieval of surface reflectance from hyperspectral data using a look-up table approach［J］. Canadian Journal of Remote Sensing， 1997， 23（4）： 354-368.

[1]	徐岳震, 申明德, 周志伟, 马巍, 李国玉. 青藏铁路高温多年冻土区典型路基的长期热稳定性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1784-1795.
[2]	陆妍, 喻文兵, 张天祺, 刘伟博, 邱凯驰. 多年冻土区土壤多环芳烃污染研究进展[J]. 冰川冻土, 2022, 44(5): 1640-1652.
[3]	刘文惠, 谢昌卫, 刘海瑞, 庞强强, 王武, 刘广岳, 杨雨昆, 王铭, 张琪. Stefan方程在土壤冻融过程模拟中的应用[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 327-339.
[4]	李智斌, 赵林, 刘广岳, 邹德富, 汪凌霄, 杨斌, 杜二计, 胡国杰, 周华云, 王翀, 幸赞品, 赵建婷, 殷秀峰, 迟鸿飞, 谭昌海, 陈文. 冻结季沱沱河源多年冻土区活动层土壤水分含量分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 56-68.
[5]	蒋雨芹,文军,吕少宁,王作亮,刘闻慧,武月月,邓浩. 地基微波遥感评估黄河源区草原下垫面土壤冻融过程研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1718-1731.
[6]	杨婧睿,蒋宗立,刘时银,王欣,张勇,张震,魏俊锋. 东喀喇昆仑山昆常冰川近期跃动特征[J]. 冰川冻土, 2021, 43(6): 1732-1745.
[7]	焦志平,江利明,牛富俊,郭瑞,周志伟. 藏东冻土区滑坡形变时序InSAR监测分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1312-1322.
[8]	冯晓琳,张艳林,常晓丽. 大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(5): 1468-1479.
[9]	宋正民, 穆彦虎, 马巍, 俞祁浩, 栗晓林. 高海拔冻土区通风管路基管内风速及影响因素研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1111-1120.
[10]	黄克威, 王根绪, 宋春林, 俞祁浩. 基于LSTM的青藏高原冻土区典型小流域径流模拟及预测[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 1144-1156.
[11]	刘世博, 赵林, 汪凌霄, 邹德富, 周华云, 谢昌卫, 乔永平, 岳广阳, 史健宗. InSAR技术在多年冻土区形变监测的应用[J]. 冰川冻土, 2021, 43(4): 964-975.
[12]	李欣泽, 金会军. 多年冻土区天然气管道建设关键技术[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 628-637.
[13]	王俊奇, 王广军, 梁四海, 杜海波, 彭红明. 1996—2015年黄河源区植被覆盖度提取和时空变化分析[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 662-674.
[14]	宋正民, 马巍, 穆彦虎, 俞祁浩, 谢胜波, 刘永智. 高海拔冻土地区公路路基风流场特征研究[J]. 冰川冻土, 2021, 43(2): 463-473.
[15]	杜军, 牛晓俊, 袁雷, 次旺顿珠. 1971 - 2017年羌塘国家级自然保护区陆地生态环境变化[J]. 冰川冻土, 2020, 42(3): 1017-1026.

北麓河流域不同植被覆盖条件下土壤冻融过程中地表土壤含水量变化

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