卫星遥感技术在黑龙江省土壤墒情监测中的应用

汤 梁

（黑龙江省水旱灾害防御保障中心，哈尔滨 150000）

0 引 言

从古至今，干旱一直是导致粮食减产和水资源短缺的最主要因素，对粮食安全、生态安全、社会稳定、经济发展都造成了一定影响。干旱灾害也是黑龙江省最主要的自然灾害之一，每年都给城乡居民生活和工农业生产造成不同程度的影响，严重制约了社会经济的正常运行。特别是20 世纪90 年代以来，干旱灾害表现出频次增高、范围扩大、持续时间延长和灾害损失加重等特点。在干旱灾害防御工作中，土壤墒情的高低是判断干旱的重要指标之一，也是启动应急响应开展各类抗旱行动的判别依据。当前黑龙江省采取多种方式获取土壤墒情数据，全方位做好土壤墒情监测工作，及时掌握旱情发展变化，既坚持传统的人工抗旱报表方法和气象部门的人工取土测墒外，还通过卫星遥感技术以及固定移动土壤墒情监测仪器获取墒情数据。但抗旱报表法和人工观测法都存在时间滞后性、人工成本高、不便捷、不灵活等弊端，因此发展现代化的卫星遥感技术和自动监测技术是未来土壤墒情监测的大势所趋。

1 卫星遥感技术的应用

1.1 遥感监测的定义

遥感监测方法主要是利用气象卫星的热通道资料来反演土壤的含水量，是一种大范围的土壤墒情监测方法。遥感监测常用的方法有热惯量法和作物缺水指数法等，前者主要用于裸露土壤或作物生长前期，后者虽可用于作物生长旺盛期，但其计算复杂，要求地面气象因素较多，在实践应用中有较大困难[1]。

1.2 卫星遥感监测的优势

传统的土壤墒情监测方法是基于有限的测站通过人工进行的点监测方式，一般通过人工获取土样，采用烘干法获得少量的、有限的点上数据，例如目前黑龙江省气象部门每旬仅能固定监测齐齐哈尔、杜蒙、佳木斯、延寿、牡丹江等70 多个墒情站点数据，并以每一个站点数据代表一定面积的土壤墒情信息，以此来代表全省的土壤墒情情况。传统土壤墒情监测在人力、物力、财力等因素的制约下，难以迅速而及时地获得大面积的土壤墒情。卫星遥感旱情监测方法是面上的监测，具有监测范围广、空间分辨率高、信息采集实时性强和业务应用性好等特性，可有效弥补地面观测系统成本高、空间覆盖率低的观测滞后的缺点，能够为各级旱灾防御部门提供及时高效的决策支持服务[2]。因此，卫星遥感监测技术在时间上、空间上、感官上都比传统土壤墒情监测方法有着明显的优势。

1.3 遥感监测的劣势

土壤墒情的遥感监测主要采用可见光、近红外、热红外及微波波段，基本原理是采用上述波段构建有关指数，如植被指数、温度指数等，建立这些指数与地面实测土壤水分之间的相关模型，通过模型反演得到土壤水分。模型的精度取决于相关指数对研究区土壤水分的耦合性，同时不同的遥感数据对土壤水分的耦合机理也不一样，需要综合考虑研究区土壤类型、作物种类、以及大气水分及云覆盖度等因素来选择合适的数据[3]。这就造成我们需要对同一个研究区不同时段、不同种植结构、不同温度设置不同的反演参数模型以及大量的计算过程，导致了卫星遥感技术计算任务重、适应性差，同时由于卫星遥感技术属于高新技术领域，对于基层的抗旱工作者比较难于接受和理解以至于无法在基层大范围推广和使用。

1.4 遥感技术在黑龙江的应用

黑龙江省基于卫星遥感影像和地面土壤墒情数据，采用植被指数地表温度多项式回归模型，通过模型率定反演土壤含水量，实现黑龙江省耕地旱情监测。模型采用MODIS 地表反射率产品(MOD09GA)、地表温度(MOD11_L2)等数据以得到地表温度（LST）和植被指数（NDVI）等遥感数据产品。基于卫星遥感影像和土壤墒情数据，采用地表温度植被指数多项式监测模型，按土壤类型、分期进行模型率定，基于模型率定系数，利用植被指数、地表温度遥感图像反演土壤含水量，并对异常值、非耕地进行处理，得到土壤含水量分布图。基于土壤含水量遥感监测结果实现旱情等级图生成、旱情专题图制作、旱情报告制作等，得到旱情专题产品，展示了具体旱情监测成果。

2 土壤墒情自动监测系统

2.1 自动监测系统

自动土壤墒情监测是利用频率发射法原理来测定土壤含水量的自动化方法，仪器安装并进行标定后开始监测土壤墒情数据。自动墒情监测仪器的标定原理是将人工取土烘干法获得的土壤含水量与实测的传感器频率值进行比较分析，建立土壤含水量与测定频率之间的关系[4]。

2.2 自动监测系统的优势

建设自动墒情监测系统，要合理布设监测站点，选择合格的监测仪器，按照规程施工，委派技术水平高、工作能力强，具有强烈责任心的工作人员使用、维修、养护，才能够及时准确获得接近于实际情况、客观的土壤墒情数据，才可以大大发挥自动墒情监测站省时、省力、监测频率高、监测数据连续的优点。

2.3 自动监测系统的劣势

人工墒情站或是自动墒情站都是对某一个点或者某一个小区域进行监测，严格意义上讲干旱灾害不能用几个点来表示一个区域的干旱，这是墒情监测站先天性的缺陷。在国家防汛抗旱一期工程、二期工程，以及未来的自动化、信息化建设大背景下，自动墒情监测站的数量会越来越多，会造成维修养护费用高、征地问题越来越突出，最终把省人力变成耗人力，把低成本变成了高耗能。由于黑龙江省处于高纬度地区，低温、土壤种类、种植结构等因素影响自动墒情监测数据的稳定性、准确性和连续性，影响了墒情自动监测系统效能和作用的发挥。

2.4 自动监测系统在黑龙江省的应用

为了在全国范围内发挥国家防汛抗旱指挥系统的作用，积极应对各种抗旱应急事件，特别是加快重点易旱地区的抗旱管理系统建设，促进经济社会的和谐发展，2003 年和2013 年，国家分别开展了国家防汛抗旱指挥系统一期工程和二期工程建设，黑龙江省分别在哈尔滨、齐齐哈尔、黑河、大庆、佳木斯、牡丹江、七台河、伊春、鹤岗等72 个地方设置了固定墒情自动监测站，为开展全省自动墒情监测打开了新的局面。

3 思考与建议

3.1 多渠道监测旱情发展变化

卫星遥感监测和自动土壤墒情系统等现代科技监测手段虽然可以快速获取土壤墒情信息，但是我们依然不能放弃传统土壤墒情的获取方式。气象、水文部门依然要坚持采取烘干法获取土壤墒情；旱灾防御部门要坚持贯穿国家、省、市、县的农业灾情报表统计制度；要发挥从空中俯瞰旱情的卫星遥感优势，也要发挥自动监测系统定期、定时的土壤信息自动采集作用。期盼通过任何单一的监测手段就获取全面、稳定、持续、可靠的监测数据都是不现实的想法，最终我们要建立多渠道、立体化旱灾监测体系，为各级旱灾防御工作提供决策支撑。

3.2 建立多维度旱情预警指标

监测和预报预警旱情的发展变化，从来不会是仅凭单一的受旱面积或者土壤墒情就可以做出最后的判断，应该是建立一个整套旱情评价预警指标。当前黑龙江省在各时段尤其是春季和夏伏季旱情易发的前后，均要密切关注降水情况、江河来水情况、水库蓄水情况、土壤墒情情况、地下水情况、气温情况、各地受旱面积情况。收集相关旱情情况后要及时组织相关部门、相关人员召开会商研判，确定旱情发生和影响的程度，谋定下一步可以采取的措施。目前，国家正在稳步推进全国旱警水位（流量）确定工作，黑龙江省在2022 年已开展9 处，松辽委已开展3 处的基础上，将在未来的几年中陆续开展更多的旱警水位（流量）设置工作，这项工作在未来也将建立旱警水位（流量）监测体系，并作为判别和启动应急响应的重要条件。

3.3 加大现代监测手段投入力度

虽然经过国家防汛抗旱指挥系统一期工程和二期工程的建设，但水利部门在抗旱减灾工作中仍然存在旱情信息来源少、监测技术手段落后、监测数据不准确、自动化程度偏低等问题，土壤墒情的获取依然依靠水利系统逐级的抗旱报表统计和气象部门的人工土壤墒情测定，抗旱工作仍面临着诸多压力与挑战。为适应未来的旱灾防御工作，要建设全要素动态感知的水利监测体系、高速泛在的水利信息网络、高度集成的水利大数据中心，以大幅提升水利信息化、智能化水平，全方位推进智慧水利建设。对于土壤墒情监测的业务需要，应大力推广卫星遥感和自动墒情监测站的应用，建立一套高效、快速、准确的土壤墒情自动测报体系。

3.4 增强各类监测方法准确性

由于各类土壤墒情监测方法的原理不同，影响监测结果的因素也不尽相同。目前比较来看，人工取土烘干法测定土壤墒情得到的数据比较准确，一般用来校核自动墒情站的相关参数，但是即使是人工测定方法也需要操作人员严格按照操作规程执行，拥有强烈的责任心和敬业精神。对于种类繁多的现代监测手段，如卫星遥感监测技术由于其需要对不同区域、不同时段、不同植物均要设置相关参数，适应性不高，因此需要工作人员对具体监测区域的基本农情、水情熟练掌握并及时更新参数设置以确保反演数据准确；对于自动墒情监测站要获取准确的监测数据，首先要选择合格的监测仪器并推荐使用插管式土壤墒情监测仪器，要建立墒情站建设、安装、使用、维护、养护、资金、人员等一整套管理制度，以确保墒情站的正常运行。

4 结 语

土壤墒情监测工作只有在坚持科技创新，坚持科技前沿，坚持先进技术和产品研发，坚持创新人才队伍建设，美好的水利科技前景才能出现。掌握更多、更准的土壤墒情信息，可以更加有计划地利用水资源，优化农业灌溉技术，减少水资源浪费，提高水资源利用效率。旱灾防御部门也可以掌握旱情的发展变化，及时启动抗旱预案，科学开展抗旱行动，减少因旱灾造成的损失。因此开展土壤墒情监测工作是一项功在当代利在千秋的伟业，是实现中国式现代化、水利行业现代化的一项重要工作，是每一位与水利、农业、气象相关的人员均值得坚持和奉献的基础事业。