论述遥感技术在土壤墒情监测中的应用

论述遥感技术在土壤墒情监测中的应用目录1 引言 (2)2 相关概念与技术的简介 (3)2.1 土壤墒情 (3)2.2 土壤墒情监测 (3)2.3 遥感技术 (5)2.3.1遥感技术 (5)2.3.2土壤墒情监测中主要遥感数据源 (6)3 目前遥感在土壤墒情监测中的应用 (7)3.1 目前的发展 (7)3.1.1 国外研究成果 (7)3.1.2 国内研究成果 (8)3.2遥感在土壤墒情监测上的方法综述 (9)3.2.1可见光—近红外光谱波段的应用 (10)3.2.2热红外波段的应用 (11)3.2.3微波遥感法 (13)3.2.4植被遥感方法 (15)3.2.5总结 (17)4土壤墒情遥感研究的趋势与展望 (18)4.1GIS技术的应用 (18)4.2土壤水分遥感监测的深度 (18)4.3遥感波段的配合应用 (19)5参考文献 (20)论述遥感技术在土壤墒情监测中的应用1 引言近百年来全球变化最突出的特征就是气候的显著变暖，这种气候变化会使有些地区极端天气与气候事件如干旱、洪涝、沙尘暴等的频率与强度加强增加。

中国气候变暖最明显的地区在西北、华北和东北地区，特别是西北变暖的强度高于全国平均值，使得夏季干旱化和暖冬比较突出。

新世纪以来尤为明显，那一次次灾情放在我们面前，使我们不得不重视土壤墒情监测。

水分是天然土壤的一个重要组成部分。

它不仅影响土壤物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，也是构成土壤肥力的一个重要因素；而且其本身更是一切作物赖以生存的基本条件。

土壤墒情是农田耕层土壤含水率的俗称，指作物主要根系活动层内的土壤水分状况，是作物生长的控制性因子之一。

土壤墒情的监测是灌区灌溉系统优化配水的关键技术之一。

它也是影响农业生产诸多因素中的一个重要因素，在空间、时间上的分布变化将直接影响到农作物的生长发育和农作物最终的收成。

因此，研究和了解土壤墒情，无论在理论上还足生产上都有着重要意义。

然而，大面积范围实时土壤墒情(干旱、土壤湿度)监测却是世界公认的难题。

如果不能做到很好的监测和预防措施，将会出现重大旱情。

干旱是全球最为常见的自然灾害，据测算每年因干旱造成的全球经济损失高达60—80亿美元，远远超过了其它气象灾害。

我国自然灾害中70％为气象灾害，而干旱灾害又占气象灾害的50％左右。

日益严重的全球化干旱问题已经成为各国科学家和政府部门共同关注的热点。

而用遥感监测干旱，一直是科学界公认的难题。

常规的监测方法有土钻取土称重和中子仪法，这些方法不仅测点少，代表性差，无法实现大面积、动态监测，而且费时、费力。

对其进行综述，寻找合适的模型方法对于各级政府和领导及时了解旱情程度和分布，采取积极有效的防、抗旱措施，科学指挥农业生产，具有积极意义。

遥感技术具有宏观、快速、动态、经济的特点。

特别是可见光、近红外和热红外波段能够较为精确地提取一些地表特征参数和热信息，解决了常规方法存在的问题，打开了土壤墒情监测的全新图景。

随着遥感技术的发展，可以采用遥感信息源结合地面实测数据的方法来解决上述问题。

遥感图像是一幅反映地物目标电磁辐射特性的能量分布图，它真实、客观、连续地记录了地表物体总体与个体的信息特征。

长久以来，国内外大都利用NOAA／AvHRR气象卫星从事土壤墒情的信息提取，现在，随着更先进的新一代传感器EOS／MODIS的升空，将MODIS数据用于土壤墒情信息提取已经成为当前研究的热点。

2 相关概念与技术的简介2.1 土壤墒情墒，指土壤的湿度。

墒情，指土壤湿度的情况。

土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分数表示：土壤含水量=水分重/烘干土重×100％，也可以土壤含水量相当于田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。

土壤墒情即作物根系层的土壤含水量状况，是最重要和最常用的土壤信息。

它是科学地控制调节土壤水分状况进行节水灌溉、实现科学用水和灌溉自动化的基础，是抗旱减灾工作中最重要的信息。

而快速、准确地测定农田土壤水分，对于探明作物生长发育期内土壤水分盈亏，以便做出灌溉、施肥决策或排水措施等具有重要意义。

因此，在各种农业水土工程管理、农业试验、农业气象、灌溉管理和旱情监测中，都离不开对土壤墒情的监测。

2.2 土壤墒情监测土壤墒情监测是水循环规律研究、农牧业灌溉、水资源合理利用、及抗旱救灾基本信息收集的基础工作。

但是一直以来，国内缺乏一套完整的土壤墒情监测规范系统，对土壤墒情的理解存在局限性，对它的监测只理解为土壤含水量的监测。

事实上，从03年开始，国内对其开始重视，并且已提出了初稿，土壤墒情监测规范包括墒情和旱情检测要素、墒情检测站网及站网的布设、墒情和旱情监测点和代表区域的查勘、土壤含水量的测定方法、土壤测报制度与报送方法。

土壤墒情监测要素是同气象条件、土壤、土壤的水分状态，作物种类及其生长发育状况密切相关的，因此可以认为气象条件、土壤的物理特性、土壤的水分状态，作物种类及生长发育状况是土壤墒情监测的四大要素。

气象要素：气象观测要素主要有降水量、气温、气压、湿度、风速、水面蒸发量、低温、日照等。

气象要素资料可由墒情检测区域内或邻近的国家气象站、水文站及农业管理站的气象的观测资料取得。

墒情检测区域内及邻近地区无气象、水文站时需建立气象观测场。

气象观测场的建设应符合气象观测场的规范要求。

自设气象场需记录每日的降水量、日平均气温、最高气温、最低气温、日平均湿度、日最高、最低相对湿度、日平均气压、日平均低温、最高地温、最低地温、日平均风速、日水面蒸发量、日照时数等。

自设气象站的仪器和设备应按气象部门的要求配置，并按气象部门的观测规范来进行气象要素的观测、记录和资料的整编。

墒情监测站点除收集气象资料外还应收集当地气象部门的未来天气趋势的预报，以了解墒情监测区域的未来天气变化。

土壤的物理特性及土壤含水量：土壤的物理特性由土壤的质地、土壤的结构、土壤的比重、土壤干容重、土壤孔隙度来表达土壤质地由当地的土壤颗粒级配情况来决定，土壤质地的判别方法采用国际标准分类方法来进行。

土壤垂向分布有层次结构时，需分析不同层次的土壤质地和其他的土壤物理特性。

土壤水分常数是土壤水分特性的重要指标，主要有饱和含水量，田间持水量、凋萎含水量及作物不同生长期适宜的含水量。

土壤含水量是墒情和旱情检测的主要指标、土壤水分状态可由重量含水量、体积含水量、土层含水量、土层中的蓄水量和土壤相对湿度四个指标来表达。

重量含水量和体积含水量可以相互换算。

浅层地下水：浅层地下水水位的变化及地下水埋深是影响土壤墒情变化的重要要素之一。

地下水观测要素为地下水位、地下水埋深、地下水温度、地下水质等要素。

平原区浅层地下水埋深不大的地区应观测地下水水位的变化和地下水埋深。

当观测土壤含水量的代表性地块附近有地下水测井时，可利用于地下水位变化的观测，地下水井所在地块和土壤含水量检测地块的高程应基本相同。

记录地下水井的位置，周围的地貌地物，并调查地下水井的用水情况和用水规律，当水井为灌溉水井时，灌溉抽水期资料不能用于地下水位的观测。

在地下水埋深浅的地区，邻近土壤水观测点无地下水测井时应建专用的地下水位测井。

测量地下水井的地面高程、收集多年平均地下水位、最高地下水位、最低地下水位，最大、最小地下水位，最大和最小地下水埋深值。

当地下水井有自记水位计时，可收集日平均地下水位，月平均地下水位，月和年的最高和最低地下水位，最大和最小地下水埋深值。

作物生长发育状况及墒情要素：国家和地方的墒情监测站点应收集代表区域的作物种植情况，即作物的种类，作物的分布情况及各种作物占总面积的百分比。

观测土壤含水量的同时记录作物的播种日期，作物生长发育期，观察作物的生长发育状况。

记录代表地块的作物的水分状况。

记录地表地块的作物的水分状态，以涝、渍、正常、缺水、受旱等分级来表示。

收集不同作物、不同生长期的适宜土壤含水量资料。

此含水量一般以土壤相对湿度来表示。

旱地田间积水时间超过24小时为涝、地下水面达及土壤表层为渍、土壤含水量小于适宜土壤含水量时为缺水（脱墒）、土壤含水量小于凋萎含水量时为受旱。

收集不同作物不同生长期脱墒和受旱的临界含水量资料，记录脱墒和受旱开始的日期，受旱的天数，代表区域干旱程度及干旱的分布情况。

2.3 遥感技术2.3.1遥感技术遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物目标的电磁辐射信息，判认地球环境和资源的技术。

它是60年代在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术。

任何物体都有不同的电磁波反射或辐射特征。

航空航天遥感就是利用安装在飞行器上的遥感器感测地物目标的电磁辐射特征，并将特征记录下来，供识别和判断。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。

完成上述功能的全套系统称为遥感系统,其核心组成部分是获取信息的遥感器。

传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星)传回地面站。

信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。

2.3.2土壤墒情监测中主要遥感数据源（1）NOAA/AVHRR 遥感数据NOAA气象卫星是近极地、与太阳同步的卫星，高度为833km～870km，轨道倾角98.7°，成像周期12小时。

目前，NOAA系列卫星采用双星运行，同一地区每天可有四次过境机会。

NOAA 系列极轨气象卫星携带的改进甚高分辨率辐射计（AVHRR）具有5 个通道，其中可见光通道（0.58-0.68 μm）和近红外通道（0.725-1.00 μm）处于能较好地反映植被光谱特性的波段范围上（见表1），因此较广泛地应用于作物长势监测、产量预测以及旱情、森林火情、洪涝等灾害监测。

表1：AVHRR仪器特性及主要用途（2）MODIS遥感数据MODIS的全称为中分辨率成像光谱仪。

它是当前世界上“图谱合一”的光学遥感仪器，有36个离散光谱波段，光谱范围宽，从0.4微米（可见光）到14.4微米（热红外）全光谱覆盖。

MODIS的多波段数据可以同时提供反映陆地表面状况、云边界、云特性、海洋水色、浮游植物、生物地理、化学、大气中水汽、气溶胶、地表温度、云顶温度、大气温度、臭氧和云顶高度等特征的信息。

可用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测。

EOS／MODIS拥有的光谱通道分布在O.4～14.4μm的电磁波谱范围内，涵盖了极轨气象卫星的所有通道，而且空间分辨率更高。

并且，MODIS传感器在近红外波段排除了大气水汽吸收波段的影响，红波段对叶绿素的吸收更敏感，使得MODIS 对植被的响应比AVHRR更敏感。

因此，适用于极轨气象卫星的土壤水分遥感监测方法完全可以移植到MODIS资料对土壤水分的遥感监测。

3 目前遥感在土壤墒情监测中的应用3.1 目前的发展3.1.1 国外研究成果国外利用遥感方法进行土壤水分监测的可行性研究始于60 年代末。