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、光学遥感法和微波遥感法。

光学遥感根据人眼对光的敏感度分为可见光-近红外、热红外遥感。

微波遥感根据传感器接收的微波来源分为主动遥感、被动遥感。

主动遥感是指由传感器向目标地物发射微波并接收反射信号来实现对地观察的遥感方式，类似于照相机打开闪光灯照像。

被动微波遥感是指通过传感器接收来自目标地物发射的微波，而达到探测目标的遥感方式，类似于照相机不打开闪光灯照像。

关于运用遥感技术进行土壤水分监测，已有许多综述性研究，有从监测所使用的光谱特性分类人手的，有对各种监测方法分述的，有从监测所使用的资料类型进行总结的，还有单从某种理论监测方法着手综述的等。

随着新方法的不断出现，本文总结了近年来基于遥感的土壤水分监测方法，对比其优劣，将土壤水分遥感监测方法分为五大类，见表1表1 不同土壤水分遥感检测方法比较国内外关于土壤水分与干旱的遥感从原理上可分为两大类：一类是基于土壤水分的变化会引起土壤的光谱反射率的变化；另一类则基于干旱会引起植物生理过程的变化，从而改变叶片的光谱属性，并显著地影响植冠的光谱反射率。

从遥感光谱波段的使用上，对土壤水分与干旱的遥感监测研究可分为可见光和近红外遥感、热红外遥感、微波遥感。

本节将围绕着这5个方面对国内外土壤水分与干旱遥感的进展、现状与发展趋势进行讨论。

4.1 可见光—近红外光谱波段的应用早在1965 年，Bowers等就发现裸地土壤湿度的增加会引起土壤反射率的降低，这成为后来利用遥感方法进行土壤水分遥感监测研究的理论依据。

1973 年日本学者在札幌研究了5种土壤的反射率，建立了蓝波段和绿波段的胶片密度和土壤含水量的多元回归方程。

Curran等用可见光全色片记录下一个广阔范围的土壤湿度的变化，并用假彩色红外片定性地提供了沙壤质泥碳地土壤湿度的空间分布。

Robinove等用Landsat MSS的反照率对美国尤他州西南沙漠试验区进行连续4年的监测，结果发现反照率的增减与土壤水分的高低关系密切。

多时相的NOAA/AVHRR的可见光—近红外影像对埃塞俄比亚1983-1984年的干旱进行监测，取得了满意的结果。

等研究了多光谱数字化录像资料与土壤湿度的关系，所用光谱波段分别为可见光(0.4-0.7μm)、可见光—近红外（0.4-1.1μm）、可见光—中红外（0.4-2.4μm），试验按不同湿度处理的土盘和大田两组进行。

结果表明3个波段的数字化录像资料都与土盘和大田的土壤湿度存在着显著的相关，且以中红外的录像资料与表层土壤湿度的相关性最为显著。

刘培君等采用土壤水分光谱法，针对干扰土壤水分遥感的植被覆盖问题，利用遥感估算光学植被盖度，像元分解法提取土壤水分光谱信息，以TM数据为桥梁，建立了AVHRR可见光与近红外通道的土壤水分遥感估测模型。

但是，虞献平等提出，利用土壤的反射率的差异遥感土壤水分，会由于不同类型土壤间发射率的差别与土壤水分引起的差别相当或更大，加之太阳高度、大气条件和地表状况等引起的误差，使得用这种方法定量估算土壤水分变得更加困难。

尽管利用可见光—近红外波段进行土壤水分遥感得到了一些结果，但这方面的研究试验相对较少，从理论到实践上人们都更多地关注红外波段信息在土壤水分遥感中的应用研究。

4.1.1 热红外波段的应用（1）裸土湿度的热红外遥感Myers等的研究表明，对于裸土的水分含量可由土表温度变化测定，并可检测到50cm的深度。

Bartholic等发现，农田裸地表面日最高温度T s,max随近地表水分含量的增加而减小。

从实用的角度考虑，在一定的气象条件下（晴朗、无风），用白天下垫面温度的空间分布可以有效地反映土壤水分的空间分布，刘志明比较了利用NOAA/AVHRR热红外通道白天或夜间一次资料反演的地表亮度温度与土壤水分的相关关系，白天热红外资料生成的亮温—土壤水分图与热惯量土壤水分图的结果基本一致，但前者更容易获得资料。

（2）热惯量法遥感土壤水分Watson等最早成功地应用了热惯量模型，Rosema等进一步发展了他们的工作，提出了计算热惯量、每日蒸发的模型。

Price等在能量平衡方程的基础上，简化潜热蒸发（散）形式，引入地表综合参数概念，系统地阐述了热惯量方法及热惯量的成像机理，并提出了表观热惯量的概念，利用卫星热红外辐射温度差计算热惯量，然后估算土壤水分，这个方法已经得到普遍认可。

隋洪智等在考虑了地面因子和大气因子的情况下，进一步简化能量平衡方程，使直接利用卫星资料推算得到地表热特性参量成为可能。