遙感在監測土壤含水量領域的應用

朱比樂　胡嘉敏

摘 要：土壤含水量是土壤的一項重要指標，高質量的土壤含水量數據在干旱監測、水文過程、生態過程、精細農業等問題研究中具有重要意義，如何獲取不同尺度的、高精度的土壤含水量數據一直是人們研究的重點。本文針對利用不同的遙感方式測定裸露地表土壤含水量和植被覆蓋地表土壤含水量的問題，結合所學知識和相關文獻敘述遙感對于土壤含水量的研究進展，指出了遙感在土壤水分研究的發展趨勢。

關鍵詞：土壤含水量；微波遙感；熱紅外遙感；高光譜遙感

土壤水分是土壤的重要組成部分，是影響陸地表面的吸收、反射和發射等特性的關鍵因素，在地球表面與大氣層之間的物量循環中起著重要的作用。土壤含水量作為表征一定土層深度下土壤干濕程度的物理量，是土壤水分的關鍵參數。傳統土壤含水量的測定方法主要有烘干稱重法、中子儀法、電阻法等，但是速度慢、成本高。相較于傳統的土壤含水量測定方法，遙感技術以其可實現大面積觀測，高分辨率等特點，可以實時高效的提供大范圍精準的土壤含水量信息。

一、可見光—近紅外波段的應用

1965年，Bowers S A和Hanks R J開啟了在可見光—近紅外波段研究土壤含水量的先河，他們發現土壤反射率隨著土壤含水量的增加而逐漸降低，尤其是在760 nm、970 nm、1190 nm、1450 nm和1940 nm等水分吸收波段[1]，這為可見光—近紅外波段遙感監測水分奠定了基礎。經歷了近半個世紀的發展，眾多學者都先后證實土壤含水量與可見光—近紅外波段的光譜反射率有較強的相關性，并反演了土壤含水量。

二、熱紅外遙感的應用

熱紅外遙感監測土壤含水量的方法主要是熱慣量法。熱慣量作為土壤本身的一種熱特性能夠引發土壤表層溫度的變化，對土壤溫度日較差產生影響。同時由于水分的熱容量和熱傳導率與濕潤土壤的熱慣量呈正相關，使得利用熱慣量法監測土壤水分含量具有可行性[2]。隨著熱慣量法遙感土壤水分理論的成熟，對于在裸露或植被覆蓋度較低時土壤水分遙感采用熱慣量法的效果已得到認可該方法具有明確的物理意義，簡單、易于實施，估測精度較高，適用于裸露及植被覆蓋度低的區域。

三、微波遙感的應用

遙感技術的應用中，微波遙感傳感器就具有全天時、全天候和穿透能力強的特點。微波土壤濕度遙感研究始于20世紀80年代，星載合成孔徑雷達數據是主要數據源之一。地表覆蓋對電磁波的反射影響較大，因此微波遙感在測定土壤的應用中可分為裸地和植被覆蓋地表兩部分。

（1）微波反演裸露地表土壤含水量

裸土土壤濕度反演研究開展較多，有的科學家通過對裸露地表微波發射率的研究發現，裸露地表土壤水分與微波發射率存在簡單的線性相關關系，有的科學家結合物理模型和多頻、多極化或全極化數據建立了土壤水分反演的半經驗模型，實現了裸土土壤水分反演。

（2）微波反演植被覆蓋地表土壤含水量

植被覆蓋對微波遙感監測土壤濕度的影響在于植被能夠吸收和散射到達冠層的微波信號[3]。對植被覆蓋區的土壤水分研究基于植被模型，例如MIMICS模型、KARAM模型等，在獲取植被層的信息后，對模型參數進行校正，最終得到地表土壤水分含量。

（3）微波遙感監測土壤含水量的研究進展

微波遙感可分為主動遙感和被動遙感。其中，被動微波遙感土壤濕度開展的較早，已發展了一些較成熟的算法。被動微波遙感反演土壤水分的研究主要利用參數化的粗糙地表微波輻射模型和植被覆蓋地表的微波輻射傳輸模型實現的。而主動微波遙感檢測基于多波段、多極化和全極化雷達數據[4]。

因其主被動微波傳感器反演土壤水可以提高度，而且可以提高使用被動微波遙感的空間分辨率。因此，主被動微波遙感聯合反演土壤水分的研究成為熱點。微波遙感在土壤水分監測中具有突出的優勢，但易受地表覆蓋無影響，這給微波遙感在植被覆蓋率高的區域研究土壤含水量造成困難。

四、高光譜遙感的應用

高光譜遙感，是指在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內，獲取光譜連續的影像數據的技術，其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。相較于微波遙感，高光譜遙感的反射率光譜曲線可以表達出地物細微的變化。目前，利用高光譜信息對土壤水分含量進行估算主要分為成像方式和非成像方式。

（1）成像方式

成像方式即通過衛星攜帶的高光譜傳感器來獲取地表反射、發射的電磁波信息，對地面接收、處理后獲得的高光譜影像進行分析，建立土壤含水量與土壤反射率之間的關系，實現對土壤含水量的監測[2]。目前研究中常用的成像高光譜數據源主要有AVIRIS、Hymap、Hyperio等。

（2）非成像方式

非成像方式是指利用高光譜儀在實驗室內或野外獲取土壤的光譜信息，建立土壤光譜信息與土壤含水量之間的關系模型，反演土壤含水量。由于土壤的光譜信息不僅受到土壤含水量的影響，還受土壤質地、有機質含量、礦物質成分等因素的影響，因此需要定量描述土壤含水量等參數對反射率的影響[2]。

（3）高光譜遙感定量反演土壤含水量的研究進展

由于當前航空航天高光譜遙感傳感器較少，或精度難以滿足要求，而多光譜遙感影像不能獲取土壤含水量診斷波段，難以用于土壤含水量遙感反演，因此，當前多利用非成像高光譜儀獲取土壤室內或室外的光譜數據，建立土壤反射率與土壤水估算模型，進行土壤含水量遙感定量反演。在研究中應充分考慮粗糙度等表面特征對反演土壤含水量的影響，為土壤含水量反演提供完整的技術支持與理論依據。

遙感技術以其可實現大面積觀測，高分辨率等特點，在土壤含水量的反演中得到了廣泛的應用。微波遙感、熱紅外遙感和高光譜遙感用來監測土壤含水量都有各自放入優缺點以及適用范圍。在未來的發展過程中，由于遙感可以實時高效的提供大范圍精準的土壤含水量信息，隨著遙感技術的發展，遙感在監測土壤含水量的領域的應用將更加廣泛，更加有效。

參考文獻

[1]顧燕，張鷹，李歡.基于實測光譜的潮灘土壤含水量遙感反演模型研究[J].濕地地理，2013，11（2）：167-172.

[2]劉影，姚艷敏.土壤含水量高光譜遙感定量反演研究進展[J].中國農學通報，2016，32（7）：127-134.

[3] 姜淼，李國春.微波遙感土壤濕度研究進展[J].農業網絡信息，2006（4）：21-23.

[4] 郭英，沈彥俊，趙超.主被動微波遙感在農區土壤水分監測中的應用初探[J].中國生態農業學報，2011，19（5）：1162-1167.

作者簡介：

朱比樂（1996.11-），女，浙江省金華人，浙江師范大學 本科生

胡嘉敏（1996.12-），女，浙江省臺州人，浙江師范大學 本科生

（作者單位：浙江師范大學）