遥感监测干旱的方法综述
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分 巨大 的意 义 。
Ｐ为 土壤 密 度 （ ｇ。 为 比热 （Ｋ 。 Ｋ ｒ ）ｃ ｎ Ｊ ｇＫ ）。 在 实 际应 用 中 ， 常用 表 观 热 惯 量Ａ Ｉ 替 热惯 量Ｐ Ａ ／ Ｔ代 ： Ｔ： （ Ａ ／Ｔ ，Ａ ＝ 一 … 式 中 丁 、 分 别 是 一 天 最 高 、 １ ）Ａ 一 Ｔ ｍ 最 低 温 度 ，Ａ 为全 波 段 反 照 率 。有 了表 观 热 惯 量 Ａ Ｉ ， 常用 Ｔ后
线性经验 公式计算土壤水分Ｗ ，即 Ｗ＝ Ｔ＋ ａ Ａ Ｉ ｂ。
国 内开 展 土 壤 水 分 遥 感 监 测 试 验 研 究 大 体 上 从 八十 年 代 中期 的 “ ・ ”期 间 才 开 始起 步 。 张 向 前 等 人 （ ９ ４ 七 五 １８ ）利 用 航 空 摄 影 数 据 第 一 次 制 作 了 国 内 热 惯 量 图 。 隋 洪 智 等 （ ９ ０ 通 过 简化 能 量 平 衡 方 程 ，直 接 使 用 卫 星 资 料 推 算 １９ ） 出一 个 表 观热 惯 量 ，并 以此 量 和 土 壤 水分 建 立 关 系 式 来 监 测 旱 情 。 张 仁 华 （９ １ 在 热 惯 量 模 式 的 改进 方 面 提 出 了一 １９ ） 个 现 实 的克 服 显 热 的 、潜 热 输 送 干 扰 的 、适 用 于 裸 地 的 热 惯
分 有较 大 的 热 容 量 和 热 传 导率 使 较 湿 的 土 壤 具 有 较 大 的 热 惯 量 ， 冈此 上 壤 水 分 与 土壤 热 惯 量 间有 重 要 的 联 系 。 土 壤 热 惯 量 （ｈ ｒ ａ ｎ ｒ ｉ ）可 表 示 为 ： ： ｔ ｅ ｍ ｌ ｉ ｅ ｔａ Ｐ
收稿 日期：２ １ 一 ３ １ 修 回日期 ：２ １ 一 ３ ２ ０ Ｏ — Ｏ １ ０ Ｏ ～ ７ １
量模式 ，提高 了表观热惯量估算 的精度 。张可慧等 （ ０２ ２０ ）
构造 了不 同深 度 土 壤 含 水 量 和 Ｎ Ａ ／ Ｖ Ｒ 的 不 同模 型 并对 Ｏ Ａ ＡＨ Ｒ 精 度 进 行 了 比较 分 析 ，建 立 了适 合 河 北 广 大 地 区 的 土 壤 水 分 遥 感 模 型 。刘 振 华 等 （０ ６ ２ ０ ）考 虑 植 被 因 素 的 影 响 ，将 热 惯
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｉ ｍ ｏ ｓ ｕ ｅ Ｒｅ ｔ ｅ ｓｎ ； ｍｍ ａ ｙ Ｐ ｏ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ １ ｉｔ ｒ ； ｍｏ ｅ ｓ ｎ ｉ ｇ Ｓｕ ｒ；ｒｇｅ ｓ
ｌ 引 言
式 中Ｐ 热惯 量 （ｍＫＳ ） ， 为 Ｊ
为 热 导 率 （ ｍ Ｋ ） ， Ｊ － Ｓ
４ ２
ｒ 垄 ＿ ］
Ｓ ｎ ｈ ｌ 等 利 用 简化 的Ｔ — Ｄ Ｉ 征 空 间提 出 了温 ａｄｏｔ ＳＮＶ特
数 之 间 的数 学 关 系 。土 壤 的介 电 常 数 的 变 化 反 映 了土 壤 水 分 含 量 的变 化 。但 通 常 遥 感 器 不 能 直 接 测 得 土 壤 的介 电常 数 ， 而 是 获 得 土 壤 的 后 向 散 射 系 数 。对 于粗 糙 表 面 的散 射 的研 究 主 要 有 几 何 光 学 模 型 （Ｏ 、物 理 光 学 模 型 （Ｏ ） 小 波 扰 动 Ｇ） ＰＭ 、 模 型 （Ｐ ） 这 些 模 型 各 有 各 的 适 应 范 围 ，其 中几 何 光 学 模 ＳＭ 。 型 和 物 理 光 学 模 型 都 是 基 于 基 尔 霍 夫模 型 ， 只 是 前 者 是 在 驻 留相 位 近 似 下 得 到 的 ， 后 者 是 在 标 量 的近 似 下 得 到 的 。基 尔 霍 夫 模 型 要 求 地 表 相 关 长度 大 于 ～ 个 电磁 波 波 长 。 而 小 波 扰 动 模 型 是针 对 当 表 面 相 关 长度 小 于 波 长 时提 出 来 的 。 由于 实 际 地 表 是 连 续 的 ， 上 述 模 型 都 不 能 很 好 地 描 述 地 表 的 真 实 状 态 。近 些 年 ， 人 们 意 识 到ｓ Ｍ Ｏ 以及 Ｇ 模 型在 粗 糙 度 方 面 Ｐ ，Ｐ Ｍ Ｏ 部 有 一 定 的局 限 性 。 自然 地 表 的 真 实 状 况 超 越 了 这 些 模 型 粗 糙 度 的 范 围 。近 年 来 ，随 着 雷 达 传 感 器 和 极 化 技 术 的 发 展 ， 通 过 多 模 式 （ 波 段 、 多 极 化 、 可 变 入 射 角 ）地 表 散 射 计 数 多 据 分 析 雷 达 后 向 散射 系 数 与 频 率 、 极 化 、入 射 角 及 地 表 参 数 （ 电 常 数 、表 面 均 方 根 高 度 、相 关 长 度 ） 问 的相 关 关 系 ， 介 发 展 了 ～ 些 极 化 雷 达 时 反 演 介 电 常 数 和 地 表 粗 糙 度 的经 验 模 型 ，Ｏ Ｏ 模 型 、 Ｄ ｂ ｉ模 型 和 Ｓ ｉ 型 ， 这 些 模 型 主 要 适 Ｈｈ ｕ ｏ ｓ ｈ模
传 统 的 土壤 水分 测 定方 法 代表 范 围 有 限 ，数 据 的 实 时 性 较 差 ，动 态 性 很 难 保 证 ，人 力财 力 消 耗大 ，效 率 非 常 底 ， 数 据 的稳 定 性 受 站 点和 操 作 人 员 影 响 因素 也较 ＿ ，数 据 更新 人 也 困难 。而 随 着 ２ 世 纪 ６ 年 代 以来 遥 感 技 术 的兴 起 ， 利用 Ｏ ０ 遥 感 监 测 土 壤 水 分 克 服 了 以上 的 困难 ，取 得 巨大 的成 功 。 遥 感 方 法 具 有 常 规 检 测 手 段 无 法 比拟 的 时效 性 和 动 态 性 ， 同时 遥 感 影 像 是 整 个 面 上 的宏 观 反 映 ，特 别 适 合 大 范 围实 时 的 干 旱 监 测 。遥 感 检 测 土 壤 水 分 的方 法 发 展 了很 多 ，总 的来 说 分 为 光学 遥 感 和 微 波 遥 感 两 个 方 面 。
关 键 词 ： 土 壤 水 分 ；遥 感 ； 综 述 ；进 展
０ Ｉ １ ．９ ９ Ｊｉ ｎ１ ７ —６ ９ ．０１ ． ５０ ０ ０ ： ５ ６ ／ ．ｓ．６ １ ５ ６２ １ ． ２ ０ ｓ １
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中国 西部科 技 ２ １ 年０ 月 （ 旬 ）第１ 卷第 １ 期总 第２ ６ ０ １ ５ 上 ０ ３ ４ 期
遥感监测干旱的方法综述
宋 炜
（ 州 市房 地 产 测 绘 所 ，广 东 广 州 ５ ６ ０ 广 １ ０） ０
摘 要： 土壤 水分是 土壤 的重要组成 部 分，在地一气界 面间物质 、能量 交换 中起 着重要 的作用。遥 感技术具有 大 面积同 步观 测 ， 时 效 性 ， 全 天 候 性 、经 济 性 的 特 点 ， 为 大 面积 动 态 监 测 土 壤 水 分提 供 了可 能 。 本 文 简述 了 目前 的 几 种 主 要 遥 感
监 测 土 壤 水 分 的 方 法 ： 热 惯 量 法 、 温度 植 被 指 数 法 、作 物 缺 水 指 数 法 、 高 光 谱 法 和 微 波 遥 感 法 。 并 分析 了各 种 方 法 的原
理 和 优 劣 ， 最后 总 结 并 展 望 了土 壤 水 分遥 感 监 测 方 法 的 发展 趋 势 。
２ 光学遥 感监测土壤水分
２ １热 惯 量法 ．
量模型 的应用从裸土扩展到植被覆盖区，在植被覆盖区域使 用双层模型中的土壤能量平衡方程， 同时在热传导的边 界条
件 中 引入 显 热 通 量 和 潜 热 通量 。
热惯量是土壤的＿ 种热特性 ，是引起土壤表层温度变 。 化的重要 素，影响一 十壤温度 日较差的大小 。同时 由于水
从 全 球 范 围看 ， 旱灾 已经 成 为 影 响 面最 广 、造 成 经 济 损 失 最 大 ，坡 认 为 是 世 界 上 最 严 重 的 自然 灾 害类 型 。我 国 是 一 个 干 旱 及 早 灾 频 繁 发 生 的 国家 。随 着 社 会 经 济 的发 展 和 人 口膨胀 ， 我 国 水 资 源 短 缺 现 象 日趋 严 重 ，在 全 球 变 暖 和 干 旱 化 的背 景 下 ，旱 灾 研 究 成 为 可 持 续 发 展 的 重 大 课 题 。 因 此 探 讨 一 套 客 观 、 动 态 、 实 时 的 土 壤 水 分 监 测 方 法 ，对 干 旱 抗 灾 减 灾 ， 国 民经 济 和 社 会 的 可 持 续 发 展 有 十
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２２植被温度指数 ．
植 被 指 数 与地 面温 度 是 描述 土地 覆 盖 类 型 特 征 的两 个 重
要参数 ， 与土壤水 分含量密切相 关，两种数据 的合理融合能
使 地 表 信 息 更 加 丰 富 ，更 有 利 于 反 映 土壤 的水 分 状 况 。
．
作者简介：宋炜 【 ９ ３ ，男 ，江西樟树 籍 ， １８ 一） 研究生 ，助理工程师 ， 研究方 向为遥感应用。
Ｐ为 土壤 密 度 （ ｇ。 为 比热 （Ｋ 。 Ｋ ｒ ）ｃ ｎ Ｊ ｇＫ ）。 在 实 际应 用 中 ， 常用 表 观 热 惯 量Ａ Ｉ 替 热惯 量Ｐ Ａ ／ Ｔ代 ： Ｔ： （ Ａ ／Ｔ ，Ａ ＝ 一 … 式 中 丁 、 分 别 是 一 天 最 高 、 １ ）Ａ 一 Ｔ ｍ 最 低 温 度 ，Ａ 为全 波 段 反 照 率 。有 了表 观 热 惯 量 Ａ Ｉ ， 常用 Ｔ后
线性经验 公式计算土壤水分Ｗ ，即 Ｗ＝ Ｔ＋ ａ Ａ Ｉ ｂ。
国 内开 展 土 壤 水 分 遥 感 监 测 试 验 研 究 大 体 上 从 八十 年 代 中期 的 “ ・ ”期 间 才 开 始起 步 。 张 向 前 等 人 （ ９ ４ 七 五 １８ ）利 用 航 空 摄 影 数 据 第 一 次 制 作 了 国 内 热 惯 量 图 。 隋 洪 智 等 （ ９ ０ 通 过 简化 能 量 平 衡 方 程 ，直 接 使 用 卫 星 资 料 推 算 １９ ） 出一 个 表 观热 惯 量 ，并 以此 量 和 土 壤 水分 建 立 关 系 式 来 监 测 旱 情 。 张 仁 华 （９ １ 在 热 惯 量 模 式 的 改进 方 面 提 出 了一 １９ ） 个 现 实 的克 服 显 热 的 、潜 热 输 送 干 扰 的 、适 用 于 裸 地 的 热 惯
分 有较 大 的 热 容 量 和 热 传 导率 使 较 湿 的 土 壤 具 有 较 大 的 热 惯 量 ， 冈此 上 壤 水 分 与 土壤 热 惯 量 间有 重 要 的 联 系 。 土 壤 热 惯 量 （ｈ ｒ ａ ｎ ｒ ｉ ）可 表 示 为 ： ： ｔ ｅ ｍ ｌ ｉ ｅ ｔａ Ｐ
收稿 日期：２ １ 一 ３ １ 修 回日期 ：２ １ 一 ３ ２ ０ Ｏ — Ｏ １ ０ Ｏ ～ ７ １
量模式 ，提高 了表观热惯量估算 的精度 。张可慧等 （ ０２ ２０ ）
构造 了不 同深 度 土 壤 含 水 量 和 Ｎ Ａ ／ Ｖ Ｒ 的 不 同模 型 并对 Ｏ Ａ ＡＨ Ｒ 精 度 进 行 了 比较 分 析 ，建 立 了适 合 河 北 广 大 地 区 的 土 壤 水 分 遥 感 模 型 。刘 振 华 等 （０ ６ ２ ０ ）考 虑 植 被 因 素 的 影 响 ，将 热 惯
Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｉ ｍ ｏ ｓ ｕ ｅ Ｒｅ ｔ ｅ ｓｎ ； ｍｍ ａ ｙ Ｐ ｏ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ １ ｉｔ ｒ ； ｍｏ ｅ ｓ ｎ ｉ ｇ Ｓｕ ｒ；ｒｇｅ ｓ
ｌ 引 言
式 中Ｐ 热惯 量 （ｍＫＳ ） ， 为 Ｊ
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４ ２
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Ｓ ｎ ｈ ｌ 等 利 用 简化 的Ｔ — Ｄ Ｉ 征 空 间提 出 了温 ａｄｏｔ ＳＮＶ特
数 之 间 的数 学 关 系 。土 壤 的介 电 常 数 的 变 化 反 映 了土 壤 水 分 含 量 的变 化 。但 通 常 遥 感 器 不 能 直 接 测 得 土 壤 的介 电常 数 ， 而 是 获 得 土 壤 的 后 向 散 射 系 数 。对 于粗 糙 表 面 的散 射 的研 究 主 要 有 几 何 光 学 模 型 （Ｏ 、物 理 光 学 模 型 （Ｏ ） 小 波 扰 动 Ｇ） ＰＭ 、 模 型 （Ｐ ） 这 些 模 型 各 有 各 的 适 应 范 围 ，其 中几 何 光 学 模 ＳＭ 。 型 和 物 理 光 学 模 型 都 是 基 于 基 尔 霍 夫模 型 ， 只 是 前 者 是 在 驻 留相 位 近 似 下 得 到 的 ， 后 者 是 在 标 量 的近 似 下 得 到 的 。基 尔 霍 夫 模 型 要 求 地 表 相 关 长度 大 于 ～ 个 电磁 波 波 长 。 而 小 波 扰 动 模 型 是针 对 当 表 面 相 关 长度 小 于 波 长 时提 出 来 的 。 由于 实 际 地 表 是 连 续 的 ， 上 述 模 型 都 不 能 很 好 地 描 述 地 表 的 真 实 状 态 。近 些 年 ， 人 们 意 识 到ｓ Ｍ Ｏ 以及 Ｇ 模 型在 粗 糙 度 方 面 Ｐ ，Ｐ Ｍ Ｏ 部 有 一 定 的局 限 性 。 自然 地 表 的 真 实 状 况 超 越 了 这 些 模 型 粗 糙 度 的 范 围 。近 年 来 ，随 着 雷 达 传 感 器 和 极 化 技 术 的 发 展 ， 通 过 多 模 式 （ 波 段 、 多 极 化 、 可 变 入 射 角 ）地 表 散 射 计 数 多 据 分 析 雷 达 后 向 散射 系 数 与 频 率 、 极 化 、入 射 角 及 地 表 参 数 （ 电 常 数 、表 面 均 方 根 高 度 、相 关 长 度 ） 问 的相 关 关 系 ， 介 发 展 了 ～ 些 极 化 雷 达 时 反 演 介 电 常 数 和 地 表 粗 糙 度 的经 验 模 型 ，Ｏ Ｏ 模 型 、 Ｄ ｂ ｉ模 型 和 Ｓ ｉ 型 ， 这 些 模 型 主 要 适 Ｈｈ ｕ ｏ ｓ ｈ模
传 统 的 土壤 水分 测 定方 法 代表 范 围 有 限 ，数 据 的 实 时 性 较 差 ，动 态 性 很 难 保 证 ，人 力财 力 消 耗大 ，效 率 非 常 底 ， 数 据 的稳 定 性 受 站 点和 操 作 人 员 影 响 因素 也较 ＿ ，数 据 更新 人 也 困难 。而 随 着 ２ 世 纪 ６ 年 代 以来 遥 感 技 术 的兴 起 ， 利用 Ｏ ０ 遥 感 监 测 土 壤 水 分 克 服 了 以上 的 困难 ，取 得 巨大 的成 功 。 遥 感 方 法 具 有 常 规 检 测 手 段 无 法 比拟 的 时效 性 和 动 态 性 ， 同时 遥 感 影 像 是 整 个 面 上 的宏 观 反 映 ，特 别 适 合 大 范 围实 时 的 干 旱 监 测 。遥 感 检 测 土 壤 水 分 的方 法 发 展 了很 多 ，总 的来 说 分 为 光学 遥 感 和 微 波 遥 感 两 个 方 面 。
关 键 词 ： 土 壤 水 分 ；遥 感 ； 综 述 ；进 展
０ Ｉ １ ．９ ９ Ｊｉ ｎ１ ７ —６ ９ ．０１ ． ５０ ０ ０ ： ５ ６ ／ ．ｓ．６ １ ５ ６２ １ ． ２ ０ ｓ １
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中国 西部科 技 ２ １ 年０ 月 （ 旬 ）第１ 卷第 １ 期总 第２ ６ ０ １ ５ 上 ０ ３ ４ 期
遥感监测干旱的方法综述
宋 炜
（ 州 市房 地 产 测 绘 所 ，广 东 广 州 ５ ６ ０ 广 １ ０） ０
摘 要： 土壤 水分是 土壤 的重要组成 部 分，在地一气界 面间物质 、能量 交换 中起 着重要 的作用。遥 感技术具有 大 面积同 步观 测 ， 时 效 性 ， 全 天 候 性 、经 济 性 的 特 点 ， 为 大 面积 动 态 监 测 土 壤 水 分提 供 了可 能 。 本 文 简述 了 目前 的 几 种 主 要 遥 感
监 测 土 壤 水 分 的 方 法 ： 热 惯 量 法 、 温度 植 被 指 数 法 、作 物 缺 水 指 数 法 、 高 光 谱 法 和 微 波 遥 感 法 。 并 分析 了各 种 方 法 的原
理 和 优 劣 ， 最后 总 结 并 展 望 了土 壤 水 分遥 感 监 测 方 法 的 发展 趋 势 。
２ 光学遥 感监测土壤水分
２ １热 惯 量法 ．
量模型 的应用从裸土扩展到植被覆盖区，在植被覆盖区域使 用双层模型中的土壤能量平衡方程， 同时在热传导的边 界条
件 中 引入 显 热 通 量 和 潜 热 通量 。
热惯量是土壤的＿ 种热特性 ，是引起土壤表层温度变 。 化的重要 素，影响一 十壤温度 日较差的大小 。同时 由于水
从 全 球 范 围看 ， 旱灾 已经 成 为 影 响 面最 广 、造 成 经 济 损 失 最 大 ，坡 认 为 是 世 界 上 最 严 重 的 自然 灾 害类 型 。我 国 是 一 个 干 旱 及 早 灾 频 繁 发 生 的 国家 。随 着 社 会 经 济 的发 展 和 人 口膨胀 ， 我 国 水 资 源 短 缺 现 象 日趋 严 重 ，在 全 球 变 暖 和 干 旱 化 的背 景 下 ，旱 灾 研 究 成 为 可 持 续 发 展 的 重 大 课 题 。 因 此 探 讨 一 套 客 观 、 动 态 、 实 时 的 土 壤 水 分 监 测 方 法 ，对 干 旱 抗 灾 减 灾 ， 国 民经 济 和 社 会 的 可 持 续 发 展 有 十
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２２植被温度指数 ．
植 被 指 数 与地 面温 度 是 描述 土地 覆 盖 类 型 特 征 的两 个 重
要参数 ， 与土壤水 分含量密切相 关，两种数据 的合理融合能
使 地 表 信 息 更 加 丰 富 ，更 有 利 于 反 映 土壤 的水 分 状 况 。
．
作者简介：宋炜 【 ９ ３ ，男 ，江西樟树 籍 ， １８ 一） 研究生 ，助理工程师 ， 研究方 向为遥感应用。