衛星遙感技術在黑龍江省土壤墑情監測中的應用

湯 梁

（黑龍江省水旱災害防御保障中心，哈爾濱 150000）

0 引 言

從古至今，干旱一直是導致糧食減產和水資源短缺的最主要因素，對糧食安全、生態安全、社會穩定、經濟發展都造成了一定影響。干旱災害也是黑龍江省最主要的自然災害之一，每年都給城鄉居民生活和工農業生產造成不同程度的影響，嚴重制約了社會經濟的正常運行。特別是20 世紀90 年代以來，干旱災害表現出頻次增高、范圍擴大、持續時間延長和災害損失加重等特點。在干旱災害防御工作中，土壤墑情的高低是判斷干旱的重要指標之一，也是啟動應急響應開展各類抗旱行動的判別依據。當前黑龍江省采取多種方式獲取土壤墑情數據，全方位做好土壤墑情監測工作，及時掌握旱情發展變化，既堅持傳統的人工抗旱報表方法和氣象部門的人工取土測墑外，還通過衛星遙感技術以及固定移動土壤墑情監測儀器獲取墑情數據。但抗旱報表法和人工觀測法都存在時間滯后性、人工成本高、不便捷、不靈活等弊端，因此發展現代化的衛星遙感技術和自動監測技術是未來土壤墑情監測的大勢所趨。

1 衛星遙感技術的應用

1.1 遙感監測的定義

遙感監測方法主要是利用氣象衛星的熱通道資料來反演土壤的含水量，是一種大范圍的土壤墑情監測方法。遙感監測常用的方法有熱慣量法和作物缺水指數法等，前者主要用于裸露土壤或作物生長前期，后者雖可用于作物生長旺盛期，但其計算復雜，要求地面氣象因素較多，在實踐應用中有較大困難[1]。

1.2 衛星遙感監測的優勢

傳統的土壤墑情監測方法是基于有限的測站通過人工進行的點監測方式，一般通過人工獲取土樣，采用烘干法獲得少量的、有限的點上數據，例如目前黑龍江省氣象部門每旬僅能固定監測齊齊哈爾、杜蒙、佳木斯、延壽、牡丹江等70 多個墑情站點數據，并以每一個站點數據代表一定面積的土壤墑情信息，以此來代表全省的土壤墑情情況。傳統土壤墑情監測在人力、物力、財力等因素的制約下，難以迅速而及時地獲得大面積的土壤墑情。衛星遙感旱情監測方法是面上的監測，具有監測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實時性強和業務應用性好等特性，可有效彌補地面觀測系統成本高、空間覆蓋率低的觀測滯后的缺點，能夠為各級旱災防御部門提供及時高效的決策支持服務[2]。因此，衛星遙感監測技術在時間上、空間上、感官上都比傳統土壤墑情監測方法有著明顯的優勢。

1.3 遙感監測的劣勢

土壤墑情的遙感監測主要采用可見光、近紅外、熱紅外及微波波段，基本原理是采用上述波段構建有關指數，如植被指數、溫度指數等，建立這些指數與地面實測土壤水分之間的相關模型，通過模型反演得到土壤水分。模型的精度取決于相關指數對研究區土壤水分的耦合性，同時不同的遙感數據對土壤水分的耦合機理也不一樣，需要綜合考慮研究區土壤類型、作物種類、以及大氣水分及云覆蓋度等因素來選擇合適的數據[3]。這就造成我們需要對同一個研究區不同時段、不同種植結構、不同溫度設置不同的反演參數模型以及大量的計算過程，導致了衛星遙感技術計算任務重、適應性差，同時由于衛星遙感技術屬于高新技術領域，對于基層的抗旱工作者比較難于接受和理解以至于無法在基層大范圍推廣和使用。

1.4 遙感技術在黑龍江的應用

黑龍江省基于衛星遙感影像和地面土壤墑情數據，采用植被指數地表溫度多項式回歸模型，通過模型率定反演土壤含水量，實現黑龍江省耕地旱情監測。模型采用MODIS 地表反射率產品(MOD09GA)、地表溫度(MOD11_L2)等數據以得到地表溫度（LST）和植被指數（NDVI）等遙感數據產品?；谛l星遙感影像和土壤墑情數據，采用地表溫度植被指數多項式監測模型，按土壤類型、分期進行模型率定，基于模型率定系數，利用植被指數、地表溫度遙感圖像反演土壤含水量，并對異常值、非耕地進行處理，得到土壤含水量分布圖?；谕寥篮窟b感監測結果實現旱情等級圖生成、旱情專題圖制作、旱情報告制作等，得到旱情專題產品，展示了具體旱情監測成果。

2 土壤墑情自動監測系統

2.1 自動監測系統

自動土壤墑情監測是利用頻率發射法原理來測定土壤含水量的自動化方法，儀器安裝并進行標定后開始監測土壤墑情數據。自動墑情監測儀器的標定原理是將人工取土烘干法獲得的土壤含水量與實測的傳感器頻率值進行比較分析，建立土壤含水量與測定頻率之間的關系[4]。

2.2 自動監測系統的優勢

建設自動墑情監測系統，要合理布設監測站點，選擇合格的監測儀器，按照規程施工，委派技術水平高、工作能力強，具有強烈責任心的工作人員使用、維修、養護，才能夠及時準確獲得接近于實際情況、客觀的土壤墑情數據，才可以大大發揮自動墑情監測站省時、省力、監測頻率高、監測數據連續的優點。

2.3 自動監測系統的劣勢

人工墑情站或是自動墑情站都是對某一個點或者某一個小區域進行監測，嚴格意義上講干旱災害不能用幾個點來表示一個區域的干旱，這是墑情監測站先天性的缺陷。在國家防汛抗旱一期工程、二期工程，以及未來的自動化、信息化建設大背景下，自動墑情監測站的數量會越來越多，會造成維修養護費用高、征地問題越來越突出，最終把省人力變成耗人力，把低成本變成了高耗能。由于黑龍江省處于高緯度地區，低溫、土壤種類、種植結構等因素影響自動墑情監測數據的穩定性、準確性和連續性，影響了墑情自動監測系統效能和作用的發揮。

2.4 自動監測系統在黑龍江省的應用

為了在全國范圍內發揮國家防汛抗旱指揮系統的作用，積極應對各種抗旱應急事件，特別是加快重點易旱地區的抗旱管理系統建設，促進經濟社會的和諧發展，2003 年和2013 年，國家分別開展了國家防汛抗旱指揮系統一期工程和二期工程建設，黑龍江省分別在哈爾濱、齊齊哈爾、黑河、大慶、佳木斯、牡丹江、七臺河、伊春、鶴崗等72 個地方設置了固定墑情自動監測站，為開展全省自動墑情監測打開了新的局面。

3 思考與建議

3.1 多渠道監測旱情發展變化

衛星遙感監測和自動土壤墑情系統等現代科技監測手段雖然可以快速獲取土壤墑情信息，但是我們依然不能放棄傳統土壤墑情的獲取方式。氣象、水文部門依然要堅持采取烘干法獲取土壤墑情；旱災防御部門要堅持貫穿國家、省、市、縣的農業災情報表統計制度；要發揮從空中俯瞰旱情的衛星遙感優勢，也要發揮自動監測系統定期、定時的土壤信息自動采集作用。期盼通過任何單一的監測手段就獲取全面、穩定、持續、可靠的監測數據都是不現實的想法，最終我們要建立多渠道、立體化旱災監測體系，為各級旱災防御工作提供決策支撐。

3.2 建立多維度旱情預警指標

監測和預報預警旱情的發展變化，從來不會是僅憑單一的受旱面積或者土壤墑情就可以做出最后的判斷，應該是建立一個整套旱情評價預警指標。當前黑龍江省在各時段尤其是春季和夏伏季旱情易發的前后，均要密切關注降水情況、江河來水情況、水庫蓄水情況、土壤墑情情況、地下水情況、氣溫情況、各地受旱面積情況。收集相關旱情情況后要及時組織相關部門、相關人員召開會商研判，確定旱情發生和影響的程度，謀定下一步可以采取的措施。目前，國家正在穩步推進全國旱警水位（流量）確定工作，黑龍江省在2022 年已開展9 處，松遼委已開展3 處的基礎上，將在未來的幾年中陸續開展更多的旱警水位（流量）設置工作，這項工作在未來也將建立旱警水位（流量）監測體系，并作為判別和啟動應急響應的重要條件。

3.3 加大現代監測手段投入力度

雖然經過國家防汛抗旱指揮系統一期工程和二期工程的建設，但水利部門在抗旱減災工作中仍然存在旱情信息來源少、監測技術手段落后、監測數據不準確、自動化程度偏低等問題，土壤墑情的獲取依然依靠水利系統逐級的抗旱報表統計和氣象部門的人工土壤墑情測定，抗旱工作仍面臨著諸多壓力與挑戰。為適應未來的旱災防御工作，要建設全要素動態感知的水利監測體系、高速泛在的水利信息網絡、高度集成的水利大數據中心，以大幅提升水利信息化、智能化水平，全方位推進智慧水利建設。對于土壤墑情監測的業務需要，應大力推廣衛星遙感和自動墑情監測站的應用，建立一套高效、快速、準確的土壤墑情自動測報體系。

3.4 增強各類監測方法準確性

由于各類土壤墑情監測方法的原理不同，影響監測結果的因素也不盡相同。目前比較來看，人工取土烘干法測定土壤墑情得到的數據比較準確，一般用來校核自動墑情站的相關參數，但是即使是人工測定方法也需要操作人員嚴格按照操作規程執行，擁有強烈的責任心和敬業精神。對于種類繁多的現代監測手段，如衛星遙感監測技術由于其需要對不同區域、不同時段、不同植物均要設置相關參數，適應性不高，因此需要工作人員對具體監測區域的基本農情、水情熟練掌握并及時更新參數設置以確保反演數據準確；對于自動墑情監測站要獲取準確的監測數據，首先要選擇合格的監測儀器并推薦使用插管式土壤墑情監測儀器，要建立墑情站建設、安裝、使用、維護、養護、資金、人員等一整套管理制度，以確保墑情站的正常運行。

4 結 語

土壤墑情監測工作只有在堅持科技創新，堅持科技前沿，堅持先進技術和產品研發，堅持創新人才隊伍建設，美好的水利科技前景才能出現。掌握更多、更準的土壤墑情信息，可以更加有計劃地利用水資源，優化農業灌溉技術，減少水資源浪費，提高水資源利用效率。旱災防御部門也可以掌握旱情的發展變化，及時啟動抗旱預案，科學開展抗旱行動，減少因旱災造成的損失。因此開展土壤墑情監測工作是一項功在當代利在千秋的偉業，是實現中國式現代化、水利行業現代化的一項重要工作，是每一位與水利、農業、氣象相關的人員均值得堅持和奉獻的基礎事業。