農業水循環與水環境遙感應用研究進展*

尚 敏，呂 偉（玉溪師范學院，云南玉溪 650031）

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·研究綜述·

農業水循環與水環境遙感應用研究進展*

尚 敏，呂 偉
（玉溪師范學院，云南玉溪 650031）

摘 要農業生產受環境因素影響大，進入農耕文明以來，農業對氣候的高度依賴局面沒有得到根本性的改變，頻繁的自然災害給我國的農村經濟發展造成了極大的困難。遙感技術是運用各類非接觸的主被動的探測設備，對地面目標物的電磁波輻射與反射特性進行探測，通過其特性分析，探明其物體性質、特征及狀態的綜合性探測技術。它具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、獲取信息大、重訪周期短等優點，適用于農業資源調查與自然災害監測等農業相關領域的研究，對農業生產的指導與相關部門的決策管理意義重大。文章主要針對國內遙感技術在農業水循環與水環境的發展、應用現狀進行綜述與分析，并對遙感技術在農業水資源領域的發展趨勢進行展望。

關鍵詞農業 水循環 水環境 遙感 展望

0 引言

農業生產具有農作物種類分布的分散性與地域復雜性特點，受環境因素影響大，從農耕文明的出現至今，農業靠天吃飯的局面沒有得到根本性的改變，頻繁的自然災害給我國的農村經濟發展造成了極大的困難。

遙感技術是運用各類非接觸的主被動的探測設備，對地面目標物的電磁波輻射與反射特性進行探測，通過其特性分析，探明其物體性質、特征及狀態的綜合性探測技術［1］。它具有覆蓋面積廣、空間分辨率高、獲取信息大、重訪周期短等優點，適用于農業資源調查與自然災害監測等農業相關領域的研究，對農業生產的指導與相關部門的決策管理意義重大。20世紀70年代開始，歐美等發達國家最先應用衛星遙感技術對農作物進行面積監測與估產，之后遙感技術在農業各領域的應用得到不斷拓展，我國從20世紀80年代開始將遙感技術應用于農業領域，至今我國遙感技術應用的內容已涉及到農業資源調查、農作物估產、災害預警及精準農業等眾多方面，為我國農業發展保駕護航。該文主要針對國內遙感技術在農業水循環與水環境的發展、應用現狀進行綜述與分析，并對遙感技術在農業水資源領域的發展趨勢進行展望。

1 遙感技術在農業水循環中的應用

1.1 蒸散發

蒸散發包括土壤蒸發與植物蒸騰，是水文循環的重要組成部分，農業用水量主要是通過蒸散發的形式耗散。有效的估算蒸散發，對農業水資源規劃管理與監測，指導農業生產、提高灌溉效率及合理利用水資源意義重大［2］。與傳統的水文學與氣象學方法計算蒸散發相比，遙感技術具有應用更大面積區域、結果精確、資料全面客觀等優點。近年來，國內外眾多學者在利用遙感技術計算區域蒸散發方面成果顯著，建立了眾多的基于區域遙感估算模型，主要有經驗統計模型、物理模型及數值模型［3］。

葛琴［4］對基于陸面過程模型BEPS進行了本地化與驗證，并在BEPS模型模擬的地表蒸散發的基礎上構建了BMI指數模塊，研究結果證明了其干旱監測的可行性，對基于BEPS模型的干旱監測技術在中國區域的應用提供了參考；馮曉曦等［5］依托MODIS數據，結合氣象站實測資料，應用地表能量平衡模型SEBS，對地跨陜西、山西兩省的柳林泉域蒸散發量進行了估算與結果驗證，得出了該研究區的蒸散發趨勢、時間及空間分布規律，驗證了蒸散發量的主要影響因子為高程、氣溫及坡度；蔣磊等［6］基于遙感蒸發模型SEBAL，計算了黃河中上游河套灌區作物生育期的蒸散發量，定義了該區域灌區灌溉效率的評價指標，并對其予以分析與評價，將遙感、氣象及引水數據相結合對灌水效率進行評價作為一種新途徑，完善了水分利用評價體系。

1.2 土壤水分

土壤水分是農作物吸收水分的主要來源，主要來自大氣降水與灌溉水。一旦土壤水分含量的變化與農作物需水量出現不平衡，就會發生旱澇災害，對我國農業生產構成威脅。因此土壤水分監測對農業生產、災情監測、農業水資源管理及農田水分管理等方面意義重大［7］。遙感技術能夠實現大范圍土壤水分數據的收集，通過各種遙感儀器測算土壤表明反射或發射的電磁能量，最終通過不同監測方法得到土壤水分含量。當前遙感監測方法主要包括反射率法、植被指數法、地表溫度法、溫度-植被指數法、作物水分脅迫指數法、熱慣量法及微波法。而溫度-植被指數法與熱慣量法被認為是較為成熟的監測方法［8］。

夏米西努爾·馬遜江等［9］以新疆干旱區綠洲為研究區，通過雷達與光學遙感等2種主被動遙感數據相結合，獲取土壤與植被水分信息，運用溫度-植被指數法進行土壤水分估算，得出了主被動遙感數據結合能夠在干旱區土壤水分反演時有效去除植被的影響。萬幼川等［10］利用ERS與METOP衛星搭載的SCAT與ASCAT微波散射計，對青藏高原地區土壤水含量進行觀測，同時基于TU-WIEN算法，并將其經驗函數加以改進。測算結果表明，衛星反演結果與實地測量數據具有很好的一致性，該算法具有良好的可移植性與應用價值。董雪園［11］基于GPR-R技術，在Marttit H.等提出的模型關系與Ulaby F.T.等提出的MIMICS模型等國內外該領域研究成果的基礎上，采用GPS-R技術進行裸地遙感土壤含水量實驗，建立了裸露地表表層土壤含水量遙感反演模型，對土壤水分的多尺度遙感有一定的參考價值。

2 遙感技術在農業水環境中的應用

2.1 遙感技術監測水環境的方法

水環境監測是農業資源監測的重要組成部分，通過監測以實現對水污染源的控制、治理，保證農業生產的安全。遙感技術對水環境的監測主要采取可見光、紅外、紫外攝影，多光譜、激光掃描成像及紅外、微波輻射掃描等方法來收集多光譜、高光譜遙感數據［12］，通過構建模型與選擇適用的算法，得到準確的結果。

2.2 水質遙感監測技術研究進展

水質遙感監測精度高，是一種先進的監測技術。當前對水環境的監測主要包含水體懸浮固體、熱污染、油污及水體富營養化等污染類型［13］，我國相關領域學者近年來的文獻以對水體富營養化的研究居多。

徐祎凡［14］以太湖為研究對象，對其水體遙感反射率與水質參數進行收集，通過我國2008年發射的環境一號衛星的多光譜、高光譜影像數據，構建了太湖富營養化狀態的三波段與回歸評價模型，對2009～2011年太湖水體富營養化狀態時空分布進行對比分析與評價。該研究對應用衛星影像數據對我國內陸水體富營養化進行監測能夠起到促進作用，依托遙感技術提高了對水體環境質量評價的客觀性與準確性。

王麗艷［15］基于遙感衛星MODIS數據，通過單波段與各波段組合反射因子與水質參數之間的函數關系，建立并最終驗證了其半經驗回歸模型，對我國第五大湖泊呼倫湖的水質進行了遙感反演與水體富營養評價，該研究對我國湖泊水質連續監測與災害精確預警提供了遙感技術支撐。

宋瑜［16］等結合高光譜影像遙感數據，基于MODIS數據建立了太湖水體富營養化識別模型，運用遙感數據資料對湖泊營養化狀態進行評價，為動態監測我國水體富營養化提供了有效的遙感監測手段與參考依據。

3 遙感技術在農業水資源領域應用展望

農業水資源是當前遙感技術的熱點應用領域，但基于各種模型與算法的對農業水循環與水環境的分析研究中，存在適用范圍的局限性與準確度的有待完善［17］。國內眾多學者的相關理論研究，仍缺乏大量的具體實例支撐與考證。對水資源進行監測的遙感傳感器的精度及復雜數據的分析處理能力仍有待提升。對影響水環境的固體懸浮物、熱污染方面的相關研究較少，研究范圍急需拓寬。隨著遙感技術的不斷發展與成熟，農業水資源遙感信息的定量化、遙感監測的網絡化、資源共享化必定實現，這將極大促進各種科研新成果的推廣與應用，節省監測時間與成本［18］。相關領域的專家學者也將不斷完善各類模型與算法，提高模型與算法的反演精度與適用范圍，從而更好地為我國農業水資源的監測與利用提供強大的技術保障。

我國對基于遙感技術的農業水資源的相關研究起步較晚，當前主要是針對自建模型與國外引進模型進行模擬與驗證，尚缺乏適合中國地域特色與地理特征的機理模型。但隨著新技術手段與方法的不斷發展與完善，在我國廣大科學工作者的共同努力下，未來一定會充分發掘出遙感技術在農業水資源中的應用潛力，促進我國農業生產與農村經濟的持續健康發展。

參考文獻

［1］ 史舟，梁宗正，楊媛媛，等.農業遙感研究現狀與展望.農業機械學報，2015，46（2）:247～260

［2］ 趙春江，楊貴軍，薛緒掌，等.基于互補相關模型和IKONOS數據的農田蒸散時空特征分析.農業工程學報，2013，29（8）:115～126

［3］ 郭曉寅，程國棟.遙感技術應用于地表面蒸散發的研究進展.地球科學進展，2004，19（1）:107～114

［4］ 葛琴.基于BEPS模型模擬地表蒸散的干旱監測技術研究.南京:南京信息工程大學，2013

［5］ 馮曉曦，秦作棟，鄭秀清，等.基于SEBS模型的柳林泉域蒸散發研究.太原理工大學學報，2014，45（2）:259～264

［6］ 蔣磊，楊雨亭，尚松浩.基于遙感蒸發模型的干旱區灌區灌溉效率評價.農業工程學報，2013，29（20）:95～100

［7］ 鄧輝，周清波.土壤水分遙感監測方法進展.中國農業資源與區劃，2004，25（3）:46～49

［8］ 吳黎，張有智，解文歡，等.土壤水分的遙感監測方法概述.國土資源遙感，2014，26（2）:19～26

［9］ 夏米西努爾·馬遜江，侯君英.基于NDVI估算植被體散射的土壤水分反演研究.安徽農業科學，2013，41（29）:11652～11657

［10］ 萬幼川，陳晶，余凡，等.利用星載散射計反演地表土壤水分.農業工程學報，2014，30（3）:70～77

［11］ 董雪園.土壤含水量的GPS-R遙感反演模型研究.北京:中國礦業大學，2013

［12］ 李百慶，張翼軒.水環境遙感監測技術應用研究.北方環境，2013，25（9）:56～57

［13］ 王奇，詹賢達，王會.我國糧食安全與水環境安全之間的關系初探.中國農業資源與區劃，2013，34（1）:81～86

［14］ 徐祎凡.基于環境一號衛星數據的太湖富營養化遙感評價.南京:南京師范大學，2012

［15］ 王麗艷.基于MODIS遙感數據反演呼倫湖水體水質指標及其富營養化評價.呼和浩特:內蒙古大學，2014

［16］ 宋瑜，宋曉東，郭青海，等.太湖藻華水體的遙感監測與預警.光譜學與光譜分析，2011，31（3）:753～757

［17］ 付碧玉，馬友華，吳靚，等.遙感在農業面源污染中的應用研究.中國農學通報，2015，31（5）:182～188

［18］ 劉紅，張清海，林紹霞，等.遙感技術在水環境和大氣環境監測中的應用研究進展.貴州農業科學，2013，41（1）:187～191

PROGRESS IN APPLICATION OF AGRICULTURAL REMOTE SENSING OF WATER CYCLE AND WATER ENVIRONMENT

Shang min，Lu Wei
（Yuxi Teachers College，Yuxi 650031，China）

AbstractThe agricultural production is influenced by environmental factors.Since the beginning of the farming civilization，the situation that agriculture highly depends on the climate has not yet been changed fundamentally.Frequent natural disasters have caused great difficulties to the development of rural economy in China.Remote sensing technology is a comprehensive detection technology which can apply all kinds of non-contact active and passive detection equipment to detect the ground target by electromagnetic radiation and reflection characteristic，and study the properties，characteristics and state of objects through the characteristic analysis.It has the advantages of covering wide area，high spatial resolution，accessing to big information，short revisit period，and so on，and can be applied for agricultural resources investigation and natural disaster monitoring.It is of great significance to the guidance of agricultural production and the decision-making management of relevant departments.This paper mainly summarized and analyzed the development and application status of remote sensing technology in agricultural water circle and water environment，discussed the development trend of remote sensing technology in the field of agricultural water resources.

Keywordsagriculture；water circle；water environment；remote sensing；outlook

中圖分類號：F323.213；S127

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0223-03

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160237

收稿日期：2014-12-11

作者簡介：尚敏 （1979—），女，云南玉溪人，講師。研究方向:地理信息系統應用研究、3S應用研究。Email:bettysm@yxnu.net*資助項目：云南省應用基礎研究計劃項目“撫仙湖-星云湖流域礦山地質生態環境恢復治理對策研究”（2010CD089）