农业水循环与水环境遥感应用研究进展*

尚 敏，吕 伟（玉溪师范学院，云南玉溪 650031）



·研究综述·

农业水循环与水环境遥感应用研究进展*

尚 敏，吕 伟
（玉溪师范学院，云南玉溪 650031）

摘 要农业生产受环境因素影响大，进入农耕文明以来，农业对气候的高度依赖局面没有得到根本性的改变，频繁的自然灾害给我国的农村经济发展造成了极大的困难。遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。文章主要针对国内遥感技术在农业水循环与水环境的发展、应用现状进行综述与分析，并对遥感技术在农业水资源领域的发展趋势进行展望。

关键词农业 水循环 水环境 遥感 展望

0 引言

农业生产具有农作物种类分布的分散性与地域复杂性特点，受环境因素影响大，从农耕文明的出现至今，农业靠天吃饭的局面没有得到根本性的改变，频繁的自然灾害给我国的农村经济发展造成了极大的困难。

遥感技术是运用各类非接触的主被动的探测设备，对地面目标物的电磁波辐射与反射特性进行探测，通过其特性分析，探明其物体性质、特征及状态的综合性探测技术［1］。它具有覆盖面积广、空间分辨率高、获取信息大、重访周期短等优点，适用于农业资源调查与自然灾害监测等农业相关领域的研究，对农业生产的指导与相关部门的决策管理意义重大。20世纪70年代开始，欧美等发达国家最先应用卫星遥感技术对农作物进行面积监测与估产，之后遥感技术在农业各领域的应用得到不断拓展，我国从20世纪80年代开始将遥感技术应用于农业领域，至今我国遥感技术应用的内容已涉及到农业资源调查、农作物估产、灾害预警及精准农业等众多方面，为我国农业发展保驾护航。该文主要针对国内遥感技术在农业水循环与水环境的发展、应用现状进行综述与分析，并对遥感技术在农业水资源领域的发展趋势进行展望。

1 遥感技术在农业水循环中的应用

1.1 蒸散发

蒸散发包括土壤蒸发与植物蒸腾，是水文循环的重要组成部分，农业用水量主要是通过蒸散发的形式耗散。有效的估算蒸散发，对农业水资源规划管理与监测，指导农业生产、提高灌溉效率及合理利用水资源意义重大［2］。与传统的水文学与气象学方法计算蒸散发相比，遥感技术具有应用更大面积区域、结果精确、资料全面客观等优点。近年来，国内外众多学者在利用遥感技术计算区域蒸散发方面成果显著，建立了众多的基于区域遥感估算模型，主要有经验统计模型、物理模型及数值模型［3］。

葛琴［4］对基于陆面过程模型BEPS进行了本地化与验证，并在BEPS模型模拟的地表蒸散发的基础上构建了BMI指数模块，研究结果证明了其干旱监测的可行性，对基于BEPS模型的干旱监测技术在中国区域的应用提供了参考；冯晓曦等［5］依托MODIS数据，结合气象站实测资料，应用地表能量平衡模型SEBS，对地跨陕西、山西两省的柳林泉域蒸散发量进行了估算与结果验证，得出了该研究区的蒸散发趋势、时间及空间分布规律，验证了蒸散发量的主要影响因子为高程、气温及坡度；蒋磊等［6］基于遥感蒸发模型SEBAL，计算了黄河中上游河套灌区作物生育期的蒸散发量，定义了该区域灌区灌溉效率的评价指标，并对其予以分析与评价，将遥感、气象及引水数据相结合对灌水效率进行评价作为一种新途径，完善了水分利用评价体系。

1.2 土壤水分

土壤水分是农作物吸收水分的主要来源，主要来自大气降水与灌溉水。一旦土壤水分含量的变化与农作物需水量出现不平衡，就会发生旱涝灾害，对我国农业生产构成威胁。因此土壤水分监测对农业生产、灾情监测、农业水资源管理及农田水分管理等方面意义重大［7］。遥感技术能够实现大范围土壤水分数据的收集，通过各种遥感仪器测算土壤表明反射或发射的电磁能量，最终通过不同监测方法得到土壤水分含量。当前遥感监测方法主要包括反射率法、植被指数法、地表温度法、温度-植被指数法、作物水分胁迫指数法、热惯量法及微波法。而温度-植被指数法与热惯量法被认为是较为成熟的监测方法［8］。

夏米西努尔·马逊江等［9］以新疆干旱区绿洲为研究区，通过雷达与光学遥感等2种主被动遥感数据相结合，获取土壤与植被水分信息，运用温度-植被指数法进行土壤水分估算，得出了主被动遥感数据结合能够在干旱区土壤水分反演时有效去除植被的影响。万幼川等［10］利用ERS与METOP卫星搭载的SCAT与ASCAT微波散射计，对青藏高原地区土壤水含量进行观测，同时基于TU-WIEN算法，并将其经验函数加以改进。测算结果表明，卫星反演结果与实地测量数据具有很好的一致性，该算法具有良好的可移植性与应用价值。董雪园［11］基于GPR-R技术，在Marttit H.等提出的模型关系与Ulaby F.T.等提出的MIMICS模型等国内外该领域研究成果的基础上，采用GPS-R技术进行裸地遥感土壤含水量实验，建立了裸露地表表层土壤含水量遥感反演模型，对土壤水分的多尺度遥感有一定的参考价值。

2 遥感技术在农业水环境中的应用

2.1 遥感技术监测水环境的方法

水环境监测是农业资源监测的重要组成部分，通过监测以实现对水污染源的控制、治理，保证农业生产的安全。遥感技术对水环境的监测主要采取可见光、红外、紫外摄影，多光谱、激光扫描成像及红外、微波辐射扫描等方法来收集多光谱、高光谱遥感数据［12］，通过构建模型与选择适用的算法，得到准确的结果。

2.2 水质遥感监测技术研究进展

水质遥感监测精度高，是一种先进的监测技术。当前对水环境的监测主要包含水体悬浮固体、热污染、油污及水体富营养化等污染类型［13］，我国相关领域学者近年来的文献以对水体富营养化的研究居多。

徐祎凡［14］以太湖为研究对象，对其水体遥感反射率与水质参数进行收集，通过我国2008年发射的环境一号卫星的多光谱、高光谱影像数据，构建了太湖富营养化状态的三波段与回归评价模型，对2009～2011年太湖水体富营养化状态时空分布进行对比分析与评价。该研究对应用卫星影像数据对我国内陆水体富营养化进行监测能够起到促进作用，依托遥感技术提高了对水体环境质量评价的客观性与准确性。

王丽艳［15］基于遥感卫星MODIS数据，通过单波段与各波段组合反射因子与水质参数之间的函数关系，建立并最终验证了其半经验回归模型，对我国第五大湖泊呼伦湖的水质进行了遥感反演与水体富营养评价，该研究对我国湖泊水质连续监测与灾害精确预警提供了遥感技术支撑。

宋瑜［16］等结合高光谱影像遥感数据，基于MODIS数据建立了太湖水体富营养化识别模型，运用遥感数据资料对湖泊营养化状态进行评价，为动态监测我国水体富营养化提供了有效的遥感监测手段与参考依据。

3 遥感技术在农业水资源领域应用展望

农业水资源是当前遥感技术的热点应用领域，但基于各种模型与算法的对农业水循环与水环境的分析研究中，存在适用范围的局限性与准确度的有待完善［17］。国内众多学者的相关理论研究，仍缺乏大量的具体实例支撑与考证。对水资源进行监测的遥感传感器的精度及复杂数据的分析处理能力仍有待提升。对影响水环境的固体悬浮物、热污染方面的相关研究较少，研究范围急需拓宽。随着遥感技术的不断发展与成熟，农业水资源遥感信息的定量化、遥感监测的网络化、资源共享化必定实现，这将极大促进各种科研新成果的推广与应用，节省监测时间与成本［18］。相关领域的专家学者也将不断完善各类模型与算法，提高模型与算法的反演精度与适用范围，从而更好地为我国农业水资源的监测与利用提供强大的技术保障。

我国对基于遥感技术的农业水资源的相关研究起步较晚，当前主要是针对自建模型与国外引进模型进行模拟与验证，尚缺乏适合中国地域特色与地理特征的机理模型。但随着新技术手段与方法的不断发展与完善，在我国广大科学工作者的共同努力下，未来一定会充分发掘出遥感技术在农业水资源中的应用潜力，促进我国农业生产与农村经济的持续健康发展。

参考文献

［1］ 史舟，梁宗正，杨媛媛，等.农业遥感研究现状与展望.农业机械学报，2015，46（2）:247～260

［2］ 赵春江，杨贵军，薛绪掌，等.基于互补相关模型和IKONOS数据的农田蒸散时空特征分析.农业工程学报，2013，29（8）:115～126

［3］ 郭晓寅，程国栋.遥感技术应用于地表面蒸散发的研究进展.地球科学进展，2004，19（1）:107～114

［4］ 葛琴.基于BEPS模型模拟地表蒸散的干旱监测技术研究.南京:南京信息工程大学，2013

［5］ 冯晓曦，秦作栋，郑秀清，等.基于SEBS模型的柳林泉域蒸散发研究.太原理工大学学报，2014，45（2）:259～264

［6］ 蒋磊，杨雨亭，尚松浩.基于遥感蒸发模型的干旱区灌区灌溉效率评价.农业工程学报，2013，29（20）:95～100

［7］ 邓辉，周清波.土壤水分遥感监测方法进展.中国农业资源与区划，2004，25（3）:46～49

［8］ 吴黎，张有智，解文欢，等.土壤水分的遥感监测方法概述.国土资源遥感，2014，26（2）:19～26

［9］ 夏米西努尔·马逊江，侯君英.基于NDVI估算植被体散射的土壤水分反演研究.安徽农业科学，2013，41（29）:11652～11657

［10］ 万幼川，陈晶，余凡，等.利用星载散射计反演地表土壤水分.农业工程学报，2014，30（3）:70～77

［11］ 董雪园.土壤含水量的GPS-R遥感反演模型研究.北京:中国矿业大学，2013

［12］ 李百庆，张翼轩.水环境遥感监测技术应用研究.北方环境，2013，25（9）:56～57

［13］ 王奇，詹贤达，王会.我国粮食安全与水环境安全之间的关系初探.中国农业资源与区划，2013，34（1）:81～86

［14］ 徐祎凡.基于环境一号卫星数据的太湖富营养化遥感评价.南京:南京师范大学，2012

［15］ 王丽艳.基于MODIS遥感数据反演呼伦湖水体水质指标及其富营养化评价.呼和浩特:内蒙古大学，2014

［16］ 宋瑜，宋晓东，郭青海，等.太湖藻华水体的遥感监测与预警.光谱学与光谱分析，2011，31（3）:753～757

［17］ 付碧玉，马友华，吴靓，等.遥感在农业面源污染中的应用研究.中国农学通报，2015，31（5）:182～188

［18］ 刘红，张清海，林绍霞，等.遥感技术在水环境和大气环境监测中的应用研究进展.贵州农业科学，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

中图分类号：F323.213；S127

文献标识码：A

文章编号：1005-9121［2016］02-0223-03

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160237

收稿日期：2014-12-11

作者简介：尚敏 （1979—），女，云南玉溪人，讲师。研究方向:地理信息系统应用研究、3S应用研究。Email:bettysm@yxnu.net*资助项目：云南省应用基础研究计划项目“抚仙湖-星云湖流域矿山地质生态环境恢复治理对策研究”（2010CD089）