土壤水分的遙感監(jiān)測(cè)

1、土壤水分的遙感監(jiān)測(cè)摘要：針對(duì)日益嚴(yán)重的全球干旱問(wèn)題，本文從水分監(jiān)測(cè)領(lǐng)域出發(fā)進(jìn)行研究。 從國(guó)內(nèi)外各種研究方法的比較及傳統(tǒng)方法和遙感監(jiān)測(cè)方法的比較中突出遙感監(jiān) 測(cè)的優(yōu)越性。從遙感監(jiān)測(cè)的各種方法分述，對(duì)比出氣各自適用的范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。 聯(lián)系實(shí)際和GIS技術(shù)的發(fā)展，提出該技術(shù)的進(jìn)步空間。一、研究土壤水分監(jiān)測(cè)的意義近百年來(lái)全球變化最突出的特征就是氣候的顯著變暖，這種氣候變化會(huì)使 有些地區(qū)極端天氣與氣候事件如干旱、洪澇、沙塵暴等的頻率與強(qiáng)度加強(qiáng)增加。 中國(guó)氣候變暖最明顯的地區(qū)在西北、華北和東北地區(qū)，特別是西北變暖的強(qiáng)度高 于全國(guó)平均值，使得夏季干旱化和暖冬比較突出。新世紀(jì)以來(lái)尤為明顯：2000年多省干旱面積

2、大，達(dá)4054萬(wàn)公頃，受災(zāi)面積6.09億畝，成災(zāi)面積 4.02億畝。建國(guó)以來(lái)可能是最為嚴(yán)重的干旱。2003年江南和華南、西南部分地區(qū)江南和華南、西南部分地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重伏 秋連旱，其中湖南、江西、浙江、福建、廣東等省部分地區(qū)發(fā)生了伏秋冬連旱， 旱情嚴(yán)重。2004年 我國(guó)南方 遭受53年來(lái)罕見(jiàn)干旱，造成經(jīng)濟(jì)損失40多億元，720 多萬(wàn)人出現(xiàn)了飲水困難。2005年 華南南部、云南嚴(yán)重秋冬春連旱，云南發(fā)生近50年來(lái)少見(jiàn)嚴(yán)重初 春旱。2006年重慶旱災(zāi)達(dá)百年一遇，全市伏旱日數(shù)普遍在53天以上，12區(qū)縣超 過(guò)58天。直接經(jīng)濟(jì)損失71.55億元，農(nóng)作物受旱面積1979.34萬(wàn)畝，815萬(wàn)人飲 水困難。2007

3、年全國(guó)22個(gè)省全國(guó)耕地受旱面積2.24億畝，897萬(wàn)人、752萬(wàn)頭牲畜 發(fā)生臨時(shí)性飲水困難。中央財(cái)政先后下達(dá)特大抗旱補(bǔ)助費(fèi)2.23億元。2008年云南連續(xù)近三個(gè)月干旱，云南省農(nóng)作物受災(zāi)面積現(xiàn)達(dá)1500多萬(wàn)畝。 僅昆明山區(qū)就有近1.9萬(wàn)公頃農(nóng)作物受旱，13多萬(wàn)人飲水困難。2009年華北、黃淮等15個(gè)省市連續(xù)3個(gè)多月，華北、黃淮、西北、江淮等地15個(gè)省、市未見(jiàn)有效降水。冬小麥告急，大小牲畜告急，農(nóng)民生產(chǎn)生活告急。不僅工業(yè)生產(chǎn)用水告急，城市用水告急，生態(tài)也在告急。一次次在災(zāi)情放在我們面前，我們不得不重視土壤水分的監(jiān)測(cè)。水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分。它不僅影響土壤物理性質(zhì)，制約著 土壤中養(yǎng)分的溶解

4、、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng)。也是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素； 而且本身更是一切作物賴以生存的基本條件。土壤墑情是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)諸多因素 中的一個(gè)重要因素，它在空間、時(shí)間上的分布變化將直接影響到農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā) 育和農(nóng)作物最終的收成。因此，研究和了解土壤水分，無(wú)論在理論上還足生產(chǎn)上 都有著重要意義。然而，大面積范圍實(shí)時(shí)土壤水分（干旱、土壤濕度）監(jiān)測(cè)卻是世 界公認(rèn)的難題。如果不能做到很好的監(jiān)測(cè)和預(yù)防措施，將會(huì)出現(xiàn)重大旱情。干旱是全球最為常見(jiàn)的自然災(zāi)害，據(jù)測(cè)算每年因干旱造成的全球經(jīng)濟(jì)損失 高達(dá)6080億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它氣象災(zāi)害。我國(guó)自然災(zāi)害中70%為氣象災(zāi) 害，而干旱災(zāi)害又占?xì)庀鬄?zāi)害的50%左右。日益嚴(yán)重

5、的全球化干旱問(wèn)題已經(jīng)成 為各國(guó)科學(xué)家和政府部門(mén)共同關(guān)注的熱點(diǎn)。而用遙感監(jiān)測(cè)干旱，一直是科學(xué)界公 認(rèn)的難題。常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法有土鉆取土稱重和中子儀法，這些方法不僅測(cè)點(diǎn)少， 代表性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。對(duì)其進(jìn)行綜述，尋找 合適的模型方法對(duì)于各級(jí)政府和領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)了解旱情程度和分布，采取積極有效的 防、抗旱措施，科學(xué)指揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，具有積極意義。遙感技術(shù)具有宏觀、快速、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。特別是可見(jiàn)光、近紅外和 熱紅外波段能夠較為精確地提取一些地表特征參數(shù)和熱信息，解決了常規(guī)方法存 在的問(wèn)題，打開(kāi)了干旱監(jiān)測(cè)的全新圖景。二、遙感技術(shù)概況遙感技術(shù)是從人造衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器上收集地物目標(biāo)

6、的電磁輻射信 息，判認(rèn)地球環(huán)境和資源的技術(shù)。它是60年代在航空攝影和判讀的基礎(chǔ)上隨航 天技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐漸形成的綜合性感測(cè)技術(shù)。任何物體都有不 同的電磁波反射或輻射特征，航空航天遙感就是利用安裝在飛行器上的遙感器感 測(cè)地物目標(biāo)的電磁輻射特征，并將特征記錄下來(lái)，供識(shí)別和判斷。任何物體都具有光譜特性，具體地說(shuō)，它們都具有不同的吸收、反射、輻 射光譜的性能。在同一光譜區(qū)各種物體反映的情況不同，同一物體對(duì)不同光譜的 反映也有明顯差別。即使是同一物體，在不同的時(shí)間和地點(diǎn)，由于太陽(yáng)光照射角 度不同，它們反射和吸收的光譜也各不相同。遙感技術(shù)就是根據(jù)這些原理，對(duì)物 體作出判斷。遙感技術(shù)通常是使用

7、綠光、紅光和紅外光三種光譜波段進(jìn)行探測(cè)。 其中紅光段探測(cè)植物生長(zhǎng)、變化及水污染等；紅外段探測(cè)土地、礦產(chǎn)及資源。遙 感具有大范圍、快速度、短周期、海量信息的特點(diǎn)，使得遙感估產(chǎn)技術(shù)也具有宏 觀、快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)。三、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)遙感監(jiān)測(cè)土壤水分方法進(jìn)行了大量的研 究，取得了許多成果，相對(duì)成熟且應(yīng)用較廣的方法有：熱慣量法、熱紅外法、距 平植被指數(shù)法、植被供水指數(shù)法、作物缺水指數(shù)法、綠度指數(shù)法等。1974年Watson Phon等首次提出一個(gè)簡(jiǎn)單的熱慣量模型，后來(lái)Price等簡(jiǎn)化潛熱蒸散形式，引入 綜合參數(shù)B，將地表熱通量表示為土壤溫度的線性函數(shù)；由于熱慣量模型

8、只適合 于監(jiān)測(cè)裸土水分，不適合有植被覆蓋的區(qū)域，Jakson等(1983)利用植被生長(zhǎng)狀況 來(lái)表征土壤含水量，主要方法有距平植被指數(shù)法、植被狀態(tài)指數(shù)、作物缺水指數(shù) 等；但是植被指數(shù)法只適合于全植被覆蓋的情況，因此，1995年Kogan提出了 溫度條件指數(shù)用于解決部分植被覆蓋時(shí)的干旱監(jiān)測(cè)；劉雅妮、辛?xí)灾薜葘?duì)地表蒸 散遙感反演的雙層模型研究進(jìn)行了較為系統(tǒng)地介紹。由于遙感圖像受衛(wèi)星過(guò)境時(shí) 間、大氣透過(guò)率、太陽(yáng)高度角等多種因素的影響，其反演的土壤水分結(jié)果還存在 較大的誤差，反演模型有待于進(jìn)一步的研究。四、遙感在土壤水分檢測(cè)上的方法綜述遙感反演土壤水分，就是利用地表反射的太陽(yáng)輻射或本身發(fā)射的遠(yuǎn)紅外、 微

9、波輻射等信息及變化規(guī)律推算土壤水分含量。國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤水分與干旱的遙 感測(cè)定，一類基于土壤水分的變化會(huì)引起土壤光譜反射率的變化；另一類則基于 干旱引起植物生理過(guò)程的變化。已有研究表明，450nm波段的光譜與土壤水分含 量有關(guān)；王昌佐等對(duì)自然狀況下裸地表層含水量的高光譜遙感研究，得出 19502250nm波段的光譜反射率估測(cè)土壤水分效果最好；而Etienne Muller認(rèn)為 P波段(波長(zhǎng)68cm)對(duì)土壤水分效果顯著。遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的研究進(jìn)展土壤水分遙感分為土壤熱慣量法、光學(xué)遙 感法和微波遙感法。光學(xué)遙感根據(jù)人眼對(duì)光的敏感度分為可見(jiàn)光-近紅外、熱紅 外遙感。微波遙感根據(jù)傳感器接收的微波來(lái)源分為

10、主動(dòng)遙感、被動(dòng)遙感。主動(dòng)遙 感是指由傳感器向目標(biāo)地物發(fā)射微波并接收反射信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地觀察的遙感方 式，類似于照相機(jī)打開(kāi)閃光燈照像。被動(dòng)微波遙感是指通過(guò)傳感器接收來(lái)自目標(biāo) 地物發(fā)射的微波，而達(dá)到探測(cè)目標(biāo)的遙感方式，類似于照相機(jī)不打開(kāi)閃光燈照像。關(guān)于運(yùn)用遙感技術(shù)進(jìn)行土壤水分監(jiān)測(cè)，已有許多綜述性研究，有從監(jiān)測(cè)所 使用的光譜特性分類人手的，有對(duì)各種監(jiān)測(cè)方法分述的，有從監(jiān)測(cè)所使用的資料 類型進(jìn)行總結(jié)的，還有單從某種理論監(jiān)測(cè)方法著手綜述的等。隨著新方法的不斷 出現(xiàn)，本文總結(jié)了近年來(lái)基于遙感的土壤水分監(jiān)測(cè)方法，對(duì)比其優(yōu)劣，將土壤水 分遙感監(jiān)測(cè)方法分為五大類，見(jiàn)表1表1不同土壤水分遙感檢測(cè)方法比較分類方法特點(diǎn)

11、基于土壤熱慣量表現(xiàn)熱慣量法，真實(shí)熱慣量法主要應(yīng)用于裸土條件下基于植被指數(shù)距平植被指數(shù)法，標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)法，植被狀態(tài)指數(shù)法，作物缺水指數(shù)法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易行；缺點(diǎn)是嚴(yán)重依賴于地表植被?；跍囟群椭脖恢笖?shù)溫度和植被指數(shù)法，水分虧缺指數(shù)法，溫度條件指數(shù)法，歸一化溫度指 數(shù)法，溫度植被干旱指數(shù)法，溫度條件 植被干旱指數(shù)法優(yōu)點(diǎn)是兼顧了土壤和植被;缺點(diǎn)是土壤和植被對(duì)土壤水分的反映不同步?；谥脖徽羯螌幽Ｐ停p層模型優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)性較強(qiáng);缺點(diǎn)是模 型復(fù)雜，涉及大量參數(shù)，難于推廣 到業(yè)務(wù)實(shí)踐中?；谖⒉ㄟb感主動(dòng)式微波法，被動(dòng)式微波法主要應(yīng)用于裸土條件，未考慮植被影響以及無(wú)法估算土壤剖面 含水量。國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤水分與

12、干旱的遙感從原理上可分為兩大類：一類是基于土 壤水分的變化會(huì)引起土壤的光譜反射率的變化；另一類則基于干旱會(huì)引起植物生 理過(guò)程的變化，從而改變?nèi)~片的光譜屬性，并顯著地影響植冠的光譜反射率。從 遙感光譜波段的使用上，對(duì)土壤水分與干旱的遙感監(jiān)測(cè)研究可分為可見(jiàn)光和近紅 外遙感、熱紅外遙感、微波遙感。本節(jié)將圍繞著這5個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)外土壤水分與 干旱遙感的進(jìn)展、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。4.1 可見(jiàn)光一近紅外光譜波段的應(yīng)用早在1965年，Bowers等就發(fā)現(xiàn)裸地土壤濕度的增加會(huì)引起土壤反射率的降 低，這成為后來(lái)利用遙感方法進(jìn)行土壤水分遙感監(jiān)測(cè)研究的理論依據(jù)。1973年 日本學(xué)者在札幌研究了5種土壤的反射率，建

13、立了藍(lán)波段和綠波段的膠片密度和 土壤含水量的多元回歸方程。Curran等用可見(jiàn)光全色片記錄下一個(gè)廣闊范圍的土 壤濕度的變化，并用假彩色紅外片定性地提供了沙壤質(zhì)泥碳地土壤濕度的空間分 布。Robinove等用Landsat MSS的反照率對(duì)美國(guó)尤他州西南沙漠試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行連續(xù)4 年的監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)反照率的增減與土壤水分的高低關(guān)系密切。多時(shí)相的NOAA/AVHRR的可見(jiàn)光一近紅外影像對(duì)埃塞俄比亞1983-1984年 的干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取得了滿意的結(jié)果。等研究了多光譜數(shù)字化錄像資料與土壤濕 度的關(guān)系，所用光譜波段分別為可見(jiàn)光(0.4-0.7M m)、可見(jiàn)光一近紅外(0.4-1.1 M m)、可見(jiàn)光一中紅外

14、(042.4 m)，試驗(yàn)按不同濕度處理的土盤(pán)和大田兩 組進(jìn)行。結(jié)果表明3個(gè)波段的數(shù)字化錄像資料都與土盤(pán)和大田的土壤濕度存在著 顯著的相關(guān)，且以中紅外的錄像資料與表層土壤濕度的相關(guān)性最為顯著。劉培君 等采用土壤水分光譜法，針對(duì)干擾土壤水分遙感的植被覆蓋問(wèn)題，利用遙感估算 光學(xué)植被蓋度，像元分解法提取土壤水分光譜信息，以TM數(shù)據(jù)為橋梁，建立了 AVHRR可見(jiàn)光與近紅外通道的土壤水分遙感估測(cè)模型。但是，虞獻(xiàn)平等提出， 利用土壤的反射率的差異遙感土壤水分，會(huì)由于不同類型土壤間發(fā)射率的差別與 土壤水分引起的差別相當(dāng)或更大，加之太陽(yáng)高度、大氣條件和地表狀況等引起的 誤差，使得用這種方法定量估算土壤水分變得

15、更加困難。盡管利用可見(jiàn)光一近紅外波段進(jìn)行土壤水分遙感得到了一些結(jié)果，但這方 面的研究試驗(yàn)相對(duì)較少，從理論到實(shí)踐上人們都更多地關(guān)注紅外波段信息在土壤 水分遙感中的應(yīng)用研究。4.1.1熱紅外波段的應(yīng)用裸土濕度的熱紅外遙感Myers等的研究表明，對(duì)于裸土的水分含量可由土表溫度變化測(cè)定，并可檢 測(cè)到50cm的深度。Bartholic等發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田裸地表面日最高溫度Ts,ma隨近地表水 分含量的增加而減小。從實(shí)用的角度考慮，在一定的氣象條件下（晴朗、無(wú)風(fēng)）， 用白天下墊面溫度的空間分布可以有效地反映土壤水分的空間分布，劉志明比較 了利用NOAA/AVHRR熱紅外通道白天或夜間一次資料反演的地表亮度溫度與

16、土壤水分的相關(guān)關(guān)系，白天熱紅外資料生成的亮溫一土壤水分圖與熱慣量土壤水 分圖的結(jié)果基本一致，但前者更容易獲得資料。（2）熱慣量法遙感土壤水分Watson等最早成功地應(yīng)用了熱慣量模型，Rosema等進(jìn)一步發(fā)展了他們的工 作，提出了計(jì)算熱慣量、每日蒸發(fā)的模型。Price等在能量平衡方程的基礎(chǔ)上， 簡(jiǎn)化潛熱蒸發(fā)（散）形式，引入地表綜合參數(shù)概念，系統(tǒng)地闡述了熱慣量方法 及熱慣量的成像機(jī)理，并提出了表觀熱慣量的概念，利用衛(wèi)星熱紅外輻射溫度差 計(jì)算熱慣量，然后估算土壤水分，這個(gè)方法已經(jīng)得到普遍認(rèn)可。隋洪智等在考慮 了地面因子和大氣因子的情況下，進(jìn)一步簡(jiǎn)化能量平衡方程，使直接利用衛(wèi)星資 料推算得到地表熱特性

17、參量成為可能。余濤等提出了一種改進(jìn)的求解土壤表層熱 慣量的方法，發(fā)展了地表能量平衡方程的一種新的化簡(jiǎn)方法。經(jīng)過(guò)這樣的處理， 可從遙感圖像數(shù)據(jù)直接得到熱慣量值，進(jìn)而得到土壤水分含量分布。隨著熱慣量法遙感土壤水分理論的日臻成熟，對(duì)于在裸露或植被覆蓋度較 低時(shí)土壤水分遙感采用熱慣量法的效果已得到認(rèn)可，但在實(shí)際應(yīng)用中，仍需根據(jù) 當(dāng)?shù)氐臓顩r對(duì)模型參數(shù)的求解和某些因子的省略做一些必要的調(diào)整。4.1.2微波遙感土壤水分盡管用可見(jiàn)光與近紅外及熱紅外遙感土壤水分是可行的，但當(dāng)?shù)厍虮砻姹?云層覆蓋時(shí)，它們則變得無(wú)能為力。微波對(duì)云層有較強(qiáng)的穿透力，因此微波遙感 在土壤水分監(jiān)測(cè)中具有某些獨(dú)特的優(yōu)越性。（1）被動(dòng)微波遙

18、感土壤水分與主動(dòng)微波遙感相比，被動(dòng)微波遙感土壤濕度開(kāi)展的較早，已發(fā)展了一些 較成熟的算法。Shutko指出，對(duì)于裸露的各向同性的土壤，在波長(zhǎng)為2.25cm和18cm時(shí)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)得到的土壤水分含量與其發(fā)射率為線性關(guān)系。根據(jù)輻射傳輸理論，來(lái)自 土壤的向上輻射取決于表層土壤的介電性質(zhì)，而這一表層土壤的厚度是微波波長(zhǎng) 的十分之幾，因此使用微波長(zhǎng)波段的遙感器更適合于收集厚層土壤的信息。被動(dòng) 微波遙感主要是通過(guò)微波輻射計(jì)獲得土壤的亮度溫度，然后通過(guò)物理模型反演土 壤水分或與土壤濕度建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系。許多觀測(cè)和測(cè)量表明，來(lái)自土壤的微波 發(fā)射與土壤濕度存在著很好的相關(guān)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)這種較好的相關(guān)關(guān)系可以到達(dá) 2

19、0cm的土壤層。隨著微波遙感的理論與實(shí)踐的不斷發(fā)展，基于輻射傳輸方程的 微波遙感土壤濕度算法也得到了發(fā)展，并已展示出良好的發(fā)展前景。Njoku等從 輻射傳輸方程出發(fā)，建立輻射亮溫與土壤濕度等參數(shù)的物理模型，然后用迭代法 和最小二乘法解方程，求出土壤濕度。（2）主動(dòng)微波遙感土壤水分主動(dòng)微波遙感器發(fā)射一束經(jīng)調(diào)制的電磁波能量，并且接收后向散射回波， 通過(guò)后向散射系數(shù)a。，建立起目標(biāo)物的形態(tài)和物理特征與后向散射回波的關(guān)系。 許多模式建立起來(lái)用于獨(dú)立地估算這些項(xiàng)，半經(jīng)驗(yàn)的模式容易反演，但是不夠可 靠；而復(fù)雜的理論模式需要許多的輸入數(shù)據(jù)，使得反演變得困難。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，土壤濕度對(duì)裸露土壤的敏感度是0.15

20、dB ；對(duì)有植被的土壤 是0.13dB。田國(guó)良利用1987年11月在河南省封丘縣取得的X波段機(jī)載合成孔徑雷 達(dá)水平極化（HH）圖像進(jìn)行麥田土壤含水量監(jiān)測(cè)，將土壤水分分為8個(gè)等級(jí)。李 杏朝于1944年11月22日根據(jù)微波后向散射系數(shù)法，用X波段散射計(jì)測(cè)量土壤后向 散射系數(shù)，與同步獲取的X波段、HH極化的機(jī)載SAR圖像一起，進(jìn)行了一次用 微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差率僅12%。主動(dòng)微波遙感的最大進(jìn)步在于一系列帶有微波傳感器的的衛(wèi)星（如ERS系 列、Radarsat、ADEOS、被動(dòng)微波）的發(fā)射和即將發(fā)射升空，將極大地推動(dòng)主動(dòng) 微波遙感土壤濕度的研究。Dobson等將ERS衛(wèi)星資料用于土

21、壤濕度的敏感性研 究，取得一定的結(jié)果。Ulaby等的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于土壤表面覆蓋有較少的生物量 （1kg/m2），如短草等，用ERS-1資料反演土壤濕度是可行的。（3）各種因子對(duì)微波反演土壤濕度影響土壤的粗糙度對(duì)于土壤的微波發(fā)射起著重要的作用，許多建立在各種近似 基礎(chǔ)上的理論模式用于預(yù)測(cè)在不同頻段上粗糙表面的微波發(fā)射。由于土壤粗糙度 的影響取決于觀測(cè)的波長(zhǎng)，因此可以用多頻段的方法來(lái)估計(jì)土壤表面粗糙度。在 有植被覆蓋土壤的情況下，遙感土壤濕度的敏感性會(huì)降低，這是因?yàn)橹脖晃樟?土壤的發(fā)射，然后本身再發(fā)射輻射。有研究表明，對(duì)主動(dòng)微波遙感的影響，主要 是由于植被本身所含的水分吸收和散射到達(dá)冠層的微波信

22、號(hào)所造成的。目前，已有一些經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)及理論的模式被建立并不斷地改進(jìn)，以考慮 植被對(duì)土壤濕度的影響，但都是針對(duì)某一地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行的，并不帶有普遍 性。4.2熱慣量法熱慣量是物質(zhì)熱特性的一種綜合量度，反映了物質(zhì)與周?chē)h(huán)境能量交換的 能力。遙感土壤含水量的基本原理是：土壤含水量低，就出現(xiàn)干旱。當(dāng)土壤干燥 時(shí)，晝夜溫差大，而土壤含水量高時(shí)，晝夜溫差小。只要用遙感方法獲得一天內(nèi) 土壤的最高溫度和最低溫度，通過(guò)模型就可以計(jì)算出土壤含水量，這種方法稱為 熱慣量法。國(guó)外對(duì)干旱遙感監(jiān)測(cè)的研究，Watson，Phon等(1974)首次提出熱慣量模型； Price等(1977、1982、1985)簡(jiǎn)化潛熱蒸散

23、形式，引入綜合參數(shù)B，將地表熱通量 表示為土壤溫度的線性函數(shù)(T T n)2 S tC iA n 式(1)中，Td，Tn分別為地表最高、最低溫度，(Td-Tn)可利用一日中午后和 凌晨的遙感數(shù)據(jù)估算；8為與天氣和地面狀況的綜合參數(shù)：況地球自傳頻率；S。 為太陽(yáng)常數(shù)；Ct為短波輻射的大氣透過(guò)率；An為太陽(yáng)赤緯與當(dāng)?shù)鼐暥鹊暮瘮?shù)。 這種方法引入地表綜合參量B，需要大量的非遙感地表參數(shù)，計(jì)算也較復(fù)雜，投 入實(shí)際應(yīng)用存在一定困難。熱慣量方法用于土壤溫度監(jiān)測(cè)較穩(wěn)定，只要能準(zhǔn)確得到土壤晝夜溫度差， 就可以得到相對(duì)干旱的程度，估算含水量精度比較高，而且易于實(shí)現(xiàn)。但該方法 有其局限性，主要有三方面：一是原則上只

24、適用于裸露或植被覆蓋度很低的下墊 面；二是要求同時(shí)獲得白天、晚上的晴空數(shù)據(jù)；三是白天和夜間衛(wèi)星過(guò)境被監(jiān)測(cè) 地區(qū)都要處于兩條軌道基本重合的范圍。4.3微波遙感法由于微波遙感具備全天時(shí)、全天候并有一定穿透能力的優(yōu)點(diǎn)，突破了傳統(tǒng) 測(cè)量方法測(cè)點(diǎn)少、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和光學(xué)遙感精度低、受天氣狀況限制的缺點(diǎn)，所以 運(yùn)用微波遙感進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測(cè)就應(yīng)運(yùn)而生，用微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分始于20 世紀(jì)70年代。由于土壤含水量的多少直接影響土壤的介電特性，使雷達(dá)回波對(duì)土 壤濕度極為敏感。李杏朝根據(jù)微波后向散射系數(shù)法，用微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的 相對(duì)誤差率僅12%。微波遙感監(jiān)測(cè)干旱狀況比較適用于裸地地表，但存在空間分辨率低、影響

25、因素多的缺點(diǎn)。若綜合其他可見(jiàn)光與近紅外圖像，將是監(jiān)測(cè)土壤水分最有希望的 方法。4.3.1影響微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的因素植被對(duì)微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的影響由于植物本身含水量較高，介電常數(shù)增大，植被冠層越厚，郁閉度越大， 冠體內(nèi)部的散射越復(fù)雜。Kridiashev等在1 O30cm波段范圍，對(duì)不同種類作物 散射特性的研究表明：寬葉作物在波長(zhǎng)大于30cm時(shí)，微波對(duì)作物地土壤水分的 敏感度相當(dāng)于裸地的30%，當(dāng)波長(zhǎng)小于1 0cm時(shí)敏感度下降80%以上。在低頻 微波波段，植被對(duì)微波反演土壤的影響可以利用輻射傳輸方程(RT)的階近似解 得到，這個(gè)模型稱為r-8模型，植被光學(xué)厚度以及單次反射率分別用來(lái)表示植被

26、 的衰減屬性以及在植被冠層的散射效果。但該模型等價(jià)于將植被層作為一種連續(xù) 均勻介質(zhì)，對(duì)于8GHz以下，這種模型可以取得較好的效果，但仍無(wú)法較好地反 演不同植被蓋度下的土壤水分：對(duì)于8GHz以上的微波光學(xué)頻率的依賴性下降。 在植被的離散模型研究中，Narindertml等采用Born近似方法來(lái)計(jì)算L波段下玉 米的散射反射率與土壤水分的關(guān)系。地表粗糙度對(duì)微波遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的影響Creusda認(rèn)為，入射光射到粗糙土壤表面后經(jīng)歷散射過(guò)程，落入相鄰?fù)寥李w 粒或土壤頂點(diǎn)之間的波將再次反射，使總的反射能量降低，降低的程度取決于土 壤的粗糙度。Baronti等利用SAR對(duì)農(nóng)田的觀測(cè)試驗(yàn)表明，在野外平坦土壤上

27、的 微波信號(hào)對(duì)土壤溫度的敏感性遠(yuǎn)比在粗糙或有植被的土壤上強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)從前者 的0.91下降到0.43。目前，最為常見(jiàn)用來(lái)描述粗糙度地表輻射模型主要有： 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停纾汗綖镺/H模型、Dubois模型和Shi模型建立了地表粗糙表 面與光滑表面反射率之間的關(guān)系，并能較好地與地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合;物理模型， 根據(jù)Kirchhoff定律，粗糙面的發(fā)射率可以通過(guò)對(duì)雙點(diǎn)散射系統(tǒng)在上半球的積分 而問(wèn)接得到；最新發(fā)展改進(jìn)的模型(AIEM)可適用更大范圍的表面粗糙度范圍， 在反演士壤水分時(shí)該模型得到的土壤水分與實(shí)測(cè)值誤差較??；數(shù)值模型，是用 計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)值的方法，數(shù)值模型較靈活，解決了一些非均勻介質(zhì)的問(wèn)題，但通

28、 常僅作為驗(yàn)證其它模型的工具。4.3.2植被遙感方法從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)角度考慮，干旱是在水分脅迫下，作物及其生存環(huán)境相互作用 構(gòu)成的一種旱生生態(tài)環(huán)境，所以我們可以用植被指數(shù)來(lái)表示作物受旱程度。以下 是對(duì)幾種常用方法的總結(jié)和歸納。植被供水指數(shù)法其原理是當(dāng)植被供水充足時(shí)，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)在一定的生長(zhǎng)期內(nèi)保持 一定的范圍。而衛(wèi)星遙感的作物冠層溫度也保持在一定的范圍，如果遇到干旱， 作物供水不足，一方面作物生長(zhǎng)受到影響，衛(wèi)星遙感的植被指數(shù)將降低；另一方 面作物冠層溫度將升高，這是由于干旱造成的作物供水不足，作物沒(méi)有足夠的水 供給葉子表面蒸發(fā)，被迫關(guān)閉一部分氣孔，致使植被冠層溫度升高。劉麗等用植 被供水指數(shù)法

29、在貴州的干旱遙感監(jiān)測(cè)中取得了較好的效果。植被供水指數(shù)(VSWI)方法的優(yōu)點(diǎn)是，只需要14點(diǎn)左右的一次晴空衛(wèi)星觀測(cè) 資料，即可進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)，物理意義明確。但下墊面差異較大時(shí)，監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤 差較大，給出的只是相對(duì)的干旱等級(jí)。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心還提出這種方法適用于 植被蒸騰較強(qiáng)的季節(jié)。作物缺水指數(shù)法作物缺水指數(shù)(CWSI)是土壤水分的一個(gè)度量指標(biāo)，它是由作物冠層溫度值 轉(zhuǎn)換來(lái)的，是利用熱紅外遙感溫度和常規(guī)氣象資料來(lái)間接地監(jiān)測(cè)植被條件下的土 壤水分，是遙感監(jiān)測(cè)土壤水分的一種很重要的方法。作物缺水指數(shù)最初由Jackson 等(1981年)以能量平衡為基礎(chǔ)提出來(lái)的，定義如下：CWSI=1 ET/ETP，式中

30、， ET為實(shí)際蒸散，ETP為潛在蒸散。該方法物理意義明確、精度高、可靠性強(qiáng)，但因涉及到許多農(nóng)學(xué)和氣象參 數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，有些參數(shù)只能取參考值。遙感反演地表參數(shù)的精度目前 還很難達(dá)到模型定量化計(jì)算的要求，在一定程度上阻礙了該模型的推廣應(yīng)用。植被指數(shù)法植被指數(shù)(VI)是遙感監(jiān)測(cè)地面植被生長(zhǎng)狀況的一個(gè)指數(shù)，它是由衛(wèi)星傳感器 可見(jiàn)光和近紅外通道探測(cè)數(shù)據(jù)的線性或非線性組合形成的，可以較好地反映地表 綠色植被的生長(zhǎng)和分布狀況。一般來(lái)講，當(dāng)作物缺水時(shí)，作物的生長(zhǎng)將受到影響， 植被指數(shù)將會(huì)降低。根據(jù)農(nóng)作物的光譜特性，研究人員提出了各種植被指數(shù)作為 農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況和旱災(zāi)情的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一般常用的組合方式有：

31、差值植被指數(shù)：EVI=NIRRED，比值植被指數(shù)：RVI=NIR / RED，歸一化植被指數(shù) NDVI=A X (NIRRED) / (NIR+RED)。上述式子中NIR為近紅外通道的發(fā)射率，RED為可見(jiàn)光通道的反射率，A 為擴(kuò)大系數(shù)。條件植被指數(shù)(VCt)的定義為：VCI=(NDVI, NDVI . ) / (NDVI 一 NDVI )X100immmaxmin式中：NDVIi為某一特定年第i個(gè)時(shí)期的NDV【值NDVImax和NDVImin分 別為所研究年限內(nèi)第i個(gè)時(shí)期NDVI的最大值和最小值。溫度條件指數(shù)(TCI)其原理是植物受到水分脅迫時(shí)，植物關(guān)閉葉片氣孔，降低因蒸騰所造成的 水分損失，

32、進(jìn)而地表潛熱通量降低，感熱通量增加，造成植物冠層溫度的升高。 即用植物冠層溫度可以作為干旱發(fā)生的指示器。王鵬新等利用陜西省關(guān)中平原地 區(qū)2000年3月下旬干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，條件植被溫度指數(shù)能較好地監(jiān)測(cè)該區(qū) 域的相對(duì)干旱程度，并可用于研究干旱程度的空間變化特征，對(duì)干旱的監(jiān)測(cè)結(jié)果 與用土壤熱慣量模型反演的土壤表層含水量的結(jié)果基本吻合。這種算法中地表溫 度的反演精度是關(guān)鍵，但一直以來(lái)地表溫度的反演也是難題，所以這種算法推廣 仍有困難。雙層模型部分植被覆蓋是指作物的生長(zhǎng)初期或是條播作物，由于涉及到能量、濕度、 蒸散等在土壤和植被中的分配問(wèn)題，情況比較復(fù)雜，顯然再用單層模型已經(jīng)無(wú)法 解決問(wèn)題，因此就誕

33、生出將地表蒸散細(xì)化為土壤蒸發(fā)和植物蒸騰，分別建立冠層、 土壤表面的熱量平衡方程，即經(jīng)典的雙層模型。雙層蒸散模型屬于定量遙感的范疇，其計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，涉及的需要量 化的參數(shù)較多，為了推廣應(yīng)用必須作出簡(jiǎn)化，但是這必須以犧牲精度作為代價(jià)， 所以在實(shí)際的推廣應(yīng)用中受到限制，還存在許多急需解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)的 研究主要集中在對(duì)經(jīng)典雙層模型的簡(jiǎn)化上。(6)MODIS數(shù)據(jù)的干旱監(jiān)測(cè)綜合模型上述方法和模型大都是基于NOAA / AVHRR資料。而MODIS傳感器現(xiàn)搭 載于Terra和Aqua兩顆太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星上，它的高時(shí)間分辨率、高光譜分辨 率、適中的空間分辨率等特點(diǎn)使得其在干旱監(jiān)測(cè)中具有更為突出的優(yōu)

34、勢(shì)。因北方地表類型變化不大的緣故，國(guó)內(nèi)利用MODIS數(shù)據(jù)反演LST的研究 區(qū)域大多是我國(guó)北方地帶，比較常見(jiàn)的算法有：推廣的分裂窗算法、白天/夜間 LST算法、單窗算法。而基于植被指數(shù)和地表溫度的二維特征空間NDVITs 綜合了兩個(gè)參數(shù)特有的生理生態(tài)意義，不僅可以指示作物受旱時(shí)的水熱脅迫環(huán) 境，同時(shí)揭示了作物在這種脅迫環(huán)境下表現(xiàn)出的癥狀，可有效提高農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè) 的精度和效率。5.1總結(jié)沒(méi)有一種單獨(dú)的干旱指數(shù)是完美的，監(jiān)測(cè)指標(biāo)需要結(jié)合下墊面(地形、植 被、土壤性質(zhì))作進(jìn)一步完善，在應(yīng)用中將RS(遙感)與GIS(地理信息系統(tǒng))等高新 技術(shù)和常規(guī)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估方法相結(jié)合將是解決旱情監(jiān)測(cè)實(shí)用化和業(yè)務(wù)化的必 由之路。對(duì)大面積土壤水分宏觀的監(jiān)測(cè)研究比較成熟，為了滿足各地方政府部門(mén) 或者小區(qū)域范嗣的需要，了解更詳細(xì)的干旱信息，今后研究應(yīng)該重點(diǎn)從精細(xì)化上 深入研究。而高精度和高分辨率的EOS / MODIS數(shù)據(jù)為干旱的精細(xì)研究提供了 可能，并將得到更為廣泛的使用。許多學(xué)者都是根據(jù)一次遙感資料監(jiān)測(cè)干旱的災(zāi)情的，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型 取得了一些成果。但這些在實(shí)用方面還有一定距離，還不能完全滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的 需要，今后可以嘗試多次或多年遙感資料進(jìn)行連續(xù)研究。水分監(jiān)測(cè)的模型與氣象資料以及地面信息的認(rèn)證研究很欠缺，精確度存 在不確定性，還有待進(jìn)一步的映證研究。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是多