土壤水分的遥感监测

土壤水分的遥感监测

摘要：针对日益严重的全球干旱问题，本文从水分监测领域出发进行研究。从国内外各种研究方法的比较及传统方法和遥感监测方法的比较中突出遥感监测的优越性。从遥感监测的各种方法分述，对比出气各自适用的范围和优缺点。联系实际和GIS技术的发展，提出该技术的进步空间。

一、研究土壤水分监测的意义

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：2000年多省干旱面积大，达4054万公顷，受灾面积6.09亿亩，成灾面积4.02亿亩。建国以来可能是最为严重的干旱。

2003年江南和华南、西南部分地区江南和华南、西南部分地区发生严重伏秋连旱，其中湖南、江西、浙江、福建、广东等省部分地区发生了伏秋冬连旱，旱情严重。

2004年我国南方遭受53年来罕见干旱，造成经济损失40多亿元，720多万人出现了饮水困难。

2005年华南南部、云南严重秋冬春连旱，云南发生近50年来少见严重初春旱。

2006年重庆旱灾达百年一遇，全市伏旱日数普遍在53天以上，12区县超过58天。直接经济损失71.55亿元，农作物受旱面积1979.34万亩，815万人饮水困难。

2007年全国22个省全国耕地受旱面积2.24亿亩，897万人、752万头牲畜发生临时性饮水困难。中央财政先后下达特大抗旱补助费2.23亿元。

2008年云南连续近三个月干旱，云南省农作物受灾面积现达1500多万亩。仅昆明山区就有近1.9万公顷农作物受旱，13多万人饮水困难。

2009年华北、黄淮等15个省市连续3个多月，华北、黄淮、西北、江淮等

地15个省、市未见有效降水。冬小麦告急，大小牲畜告急，农民生产生活告急。不仅工业生产用水告急，城市用水告急，生态也在告急。

……

一次次在灾情放在我们面前，我们不得不重视土壤水分的监测。

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；而且本身更是一切作物赖以生存的基本条件。土壤墒情是影响农业生产诸多因素中的一个重要因素，它在空间、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，研究和了解土壤水分，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水分(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，打开了干旱监测的全新图景。

二、遥感技术概况

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。

任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐

射光谱的性能。在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光谱也各不相同。遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱波段进行探测。其中红光段探测植物生长、变化及水污染等；红外段探测土地、矿产及资源。遥感具有大范围、快速度、短周期、海量信息的特点，使得遥感估产技术也具有宏观、快速、准确、动态等优点。

三、国内外研究现状

自20世纪70年代以来，国内外对遥感监测土壤水分方法进行了大量的研究，取得了许多成果，相对成熟且应用较广的方法有：热惯量法、热红外法、距平植被指数法、植被供水指数法、作物缺水指数法、绿度指数法等。1974年Watson Phon等首次提出一个简单的热惯量模型，后来Price等简化潜热蒸散形式，引入综合参数B，将地表热通量表示为土壤温度的线性函数；由于热惯量模型只适合于监测裸土水分，不适合有植被覆盖的区域，Jakson等(1983)利用植被生长状况来表征土壤含水量，主要方法有距平植被指数法、植被状态指数、作物缺水指数等；但是植被指数法只适合于全植被覆盖的情况，因此，1995年Kogan提出了温度条件指数用于解决部分植被覆盖时的干旱监测；刘雅妮、辛晓洲等对地表蒸散遥感反演的双层模型研究进行了较为系统地介绍。由于遥感图像受卫星过境时间、大气透过率、太阳高度角等多种因素的影响，其反演的土壤水分结果还存在较大的误差，反演模型有待于进一步的研究。

四、遥感在土壤水分检测上的方法综述

遥感反演土壤水分，就是利用地表反射的太阳辐射或本身发射的远红外、微波辐射等信息及变化规律推算土壤水分含量。国内外关于土壤水分与干旱的遥感测定，一类基于土壤水分的变化会引起土壤光谱反射率的变化；另一类则基于干旱引起植物生理过程的变化。已有研究表明，450nm波段的光谱与土壤水分含量有关；王昌佐等对自然状况下裸地表层含水量的高光谱遥感研究，得出1950~2250nm波段的光谱反射率估测土壤水分效果最好；而Etienne Muller认为P波段（波长68cm）对土壤水分效果显著。

遥感监测土壤水分的研究进展土壤水分遥感分为土壤热惯量法、光学遥