遥感在监测土壤含水量领域的应用

朱比乐　胡嘉敏

摘 要：土壤含水量是土壤的一项重要指标，高质量的土壤含水量数据在干旱监测、水文过程、生态过程、精细农业等问题研究中具有重要意义，如何获取不同尺度的、高精度的土壤含水量数据一直是人们研究的重点。本文针对利用不同的遥感方式测定裸露地表土壤含水量和植被覆盖地表土壤含水量的问题，结合所学知识和相关文献叙述遥感对于土壤含水量的研究进展，指出了遥感在土壤水分研究的发展趋势。

关键词：土壤含水量；微波遥感；热红外遥感；高光谱遥感

土壤水分是土壤的重要组成部分，是影响陆地表面的吸收、反射和发射等特性的关键因素，在地球表面与大气层之间的物量循环中起着重要的作用。土壤含水量作为表征一定土層深度下土壤干湿程度的物理量，是土壤水分的关键参数。传统土壤含水量的测定方法主要有烘干称重法、中子仪法、电阻法等，但是速度慢、成本高。相较于传统的土壤含水量测定方法，遥感技术以其可实现大面积观测，高分辨率等特点，可以实时高效的提供大范围精准的土壤含水量信息。

一、可见光—近红外波段的应用

1965年，Bowers S A和Hanks R J开启了在可见光—近红外波段研究土壤含水量的先河，他们发现土壤反射率随着土壤含水量的增加而逐渐降低，尤其是在760 nm、970 nm、1190 nm、1450 nm和1940 nm等水分吸收波段[1]，这为可见光—近红外波段遥感监测水分奠定了基础。经历了近半个世纪的发展，众多学者都先后证实土壤含水量与可见光—近红外波段的光谱反射率有较强的相关性，并反演了土壤含水量。

二、热红外遥感的应用

热红外遥感监测土壤含水量的方法主要是热惯量法。热惯量作为土壤本身的一种热特性能够引发土壤表层温度的变化，对土壤温度日较差产生影响。同时由于水分的热容量和热传导率与湿润土壤的热惯量呈正相关，使得利用热惯量法监测土壤水分含量具有可行性[2]。随着热惯量法遥感土壤水分理论的成熟，对于在裸露或植被覆盖度较低时土壤水分遥感采用热惯量法的效果已得到认可该方法具有明确的物理意义，简单、易于实施，估测精度较高，适用于裸露及植被覆盖度低的区域。

三、微波遥感的应用

遥感技术的应用中，微波遥感传感器就具有全天时、全天候和穿透能力强的特点。微波土壤湿度遥感研究始于20世纪80年代，星载合成孔径雷达数据是主要数据源之一。地表覆盖对电磁波的反射影响较大，因此微波遥感在测定土壤的应用中可分为裸地和植被覆盖地表两部分。

（1）微波反演裸露地表土壤含水量

裸土土壤湿度反演研究开展较多，有的科学家通过对裸露地表微波发射率的研究发现，裸露地表土壤水分与微波发射率存在简单的线性相关关系，有的科学家结合物理模型和多频、多极化或全极化数据建立了土壤水分反演的半经验模型，实现了裸土土壤水分反演。

（2）微波反演植被覆盖地表土壤含水量

植被覆盖对微波遥感监测土壤湿度的影响在于植被能够吸收和散射到达冠层的微波信号[3]。对植被覆盖区的土壤水分研究基于植被模型，例如MIMICS模型、KARAM模型等，在获取植被层的信息后，对模型参数进行校正，最终得到地表土壤水分含量。

（3）微波遥感监测土壤含水量的研究进展

微波遥感可分为主动遥感和被动遥感。其中，被动微波遥感土壤湿度开展的较早，已发展了一些较成熟的算法。被动微波遥感反演土壤水分的研究主要利用参数化的粗糙地表微波辐射模型和植被覆盖地表的微波辐射传输模型实现的。而主动微波遥感检测基于多波段、多极化和全极化雷达数据[4]。

因其主被动微波传感器反演土壤水可以提高度，而且可以提高使用被动微波遥感的空间分辨率。因此，主被动微波遥感联合反演土壤水分的研究成为热点。微波遥感在土壤水分监测中具有突出的优势，但易受地表覆盖无影响，这给微波遥感在植被覆盖率高的区域研究土壤含水量造成困难。

四、高光谱遥感的应用

高光谱遥感，是指在电磁波谱的可见光、近红外、中红外和热红外波段范围内，获取光谱连续的影像数据的技术，其成像光谱仪可以收集到上百个非常窄的光谱波段信息。相较于微波遥感，高光谱遥感的反射率光谱曲线可以表达出地物细微的变化。目前，利用高光谱信息对土壤水分含量进行估算主要分为成像方式和非成像方式。

（1）成像方式

成像方式即通过卫星携带的高光谱传感器来获取地表反射、发射的电磁波信息，对地面接收、处理后获得的高光谱影像进行分析，建立土壤含水量与土壤反射率之间的关系，实现对土壤含水量的监测[2]。目前研究中常用的成像高光谱数据源主要有AVIRIS、Hymap、Hyperio等。

（2）非成像方式

非成像方式是指利用高光谱仪在实验室内或野外获取土壤的光谱信息，建立土壤光谱信息与土壤含水量之间的关系模型，反演土壤含水量。由于土壤的光谱信息不仅受到土壤含水量的影响，还受土壤质地、有机质含量、矿物质成分等因素的影响，因此需要定量描述土壤含水量等参数对反射率的影响[2]。

（3）高光谱遥感定量反演土壤含水量的研究进展

由于当前航空航天高光谱遥感传感器较少，或精度难以满足要求，而多光谱遥感影像不能获取土壤含水量诊断波段，难以用于土壤含水量遥感反演，因此，当前多利用非成像高光谱仪获取土壤室内或室外的光谱数据，建立土壤反射率与土壤水估算模型，进行土壤含水量遥感定量反演。在研究中应充分考虑粗糙度等表面特征对反演土壤含水量的影响，为土壤含水量反演提供完整的技术支持与理论依据。

遥感技术以其可实现大面积观测，高分辨率等特点，在土壤含水量的反演中得到了广泛的应用。微波遥感、热红外遥感和高光谱遥感用来监测土壤含水量都有各自放入优缺点以及适用范围。在未来的发展过程中，由于遥感可以实时高效的提供大范围精准的土壤含水量信息，随着遥感技术的发展，遥感在监测土壤含水量的领域的应用将更加广泛，更加有效。

参考文献

[1]顾燕，张鹰，李欢.基于实测光谱的潮滩土壤含水量遥感反演模型研究[J].湿地地理，2013，11（2）：167-172.

[2]刘影，姚艳敏.土壤含水量高光谱遥感定量反演研究进展[J].中国农学通报，2016，32（7）：127-134.

[3] 姜淼，李国春.微波遥感土壤湿度研究进展[J].农业网络信息，2006（4）：21-23.

[4] 郭英，沈彦俊，赵超.主被动微波遥感在农区土壤水分监测中的应用初探[J].中国生态农业学报，2011，19（5）：1162-1167.

作者简介：

朱比乐（1996.11-），女，浙江省金华人，浙江师范大学 本科生

胡嘉敏（1996.12-），女，浙江省台州人，浙江师范大学 本科生

（作者单位：浙江师范大学）