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遥感监测土壤含水量方法综述
遥感监测土壤含水量方法综述
2006年6月农机化研究第6期遥感监测土壤含水量方法综述张灿龙,倪绍祥,刘振波,陈健(1.南京师范大学地理科学学院.南京210097;2.中国科学院南京土壤研究所.南京210008)摘要:
土壤水分是陆地表面参数化的一个关键变量,土壤水分含量随时空的分布和变化对地一气问的热量平衡,土壤温度及农业墒情等都会产生显着的影响.常规的土壤水分测量方法采样速度慢,代表性差,无法实现大面积土壤水分的实时动态监测.随着农业信息化的发展,利用遥感技术监测土壤水分是目前定量遥感研究的前沿和难题之一.为此,阐述了土壤水分遥感信息模型方法,并对各方法所需要解决的关键问题及其优缺点做了评述.关键词:
土壤学;土壤水分;理论研究;遥感;信息模型中圈分类号:
Sl52.7;TP79文献标识码:
A文章编号:
1003—188X(2006)06--0058--041遥感监测土壤含水量的研究进展1.1国外研究进展国外利用遥感方法进行土壤水分监测开始于2O世纪6O年代末.1965年,Bowers等…人对土壤光谱特性进行了研究,发现裸地土壤湿度的增加会引起土壤反射率的降低,这成为后来利用遥感方法进行土壤水分遥感监测研究的理论依据.2O世纪7O年代末,国外研究人员逐步开展了土壤水分遥感监测的应用研究.Watson等人首次提出了利用地表温度日较差来推算热惯量的简单模式,并成功地应用于热惯量模型;Rosema等进一步发展了他们的工作,提出了计算热惯量,每日蒸散模型.2O世纪8O年代,遥感监测土壤水分的研究得到了迅速和全面的发展.研究涉及地面遥感,航空遥感和卫星遥感,所使用波段从可见光,(近,中,远)红外,热红外到微波遥感,监测方法也趋向多样化.例如,Price,Pratt等人在能量平衡的基础上,简化潜热蒸散形式,引人地表综合参量B概念.系统地总结了热惯量方法以及热惯量的遥感成像机理,使热惯量方法变得概念清楚,计算简单H.CarlsonTN(i986年)在估算土壤有效水分和热惯量研究中.较早开展了利用NOAA/AVHRR遥感资料进行大面积作物旱情监测的尝试.在应用微波方面,美国从i980年开始实施空间遥感技术对农业和收稿日期:
20os-12-20基全项目:
国索自然科学基金项目(40371081);江苏省研究生创新计划项目(1612005012)作者筒介:
张灿兜(1979-).男.山东济宁人.硬士.(E—mail)zclong0901@163.COB.资源进行调查的联合计~q--AgRISTARS,其中专门制定了土壤水分监测计划.其主要手段就是微波遥感,即通过野外遥感实验.定量研究了其它因子(如植被,粗糙度,观测角,土壤纹理结构及大气等)对微波遥感土壤湿度的影响.2O世纪9O年代末至今.国外在土壤水分遥感定量反演方面有了新的发展,并且逐步实现了实用化系统应用.气象卫星遥感土壤水分得到了进一步发展,方法也日益完善,如热惯量方法,作物缺水指数法得到不断改进,算法日趋成熟.各种用于土壤水分监测的植被指数方法也得到了广泛应用¨.随着一系列携载微波传感器卫星(如ERS系列,Radarsat,ADEOS,TRMM等)的相继发射升空,微波遥感技术监测土壤水分也得到了较为深入的应用.1.2国内研究进展我国土壤水分遥感监测的研究大体从2O世纪8O年代中期开始.早期研究主要集中于土壤参数的遥感测定,如黄扬(1986年)研究了土壤含水量及其微波反射特性的关系;唐登银(i987年)提出了一种以能量平衡为基础的干旱指数法;张仁华(1989年)提出了表观热惯量模式.这些早期的基础性研究为我国土壤水分遥感监测莫定了基础.2O世纪9O年代至今,我国学者在土壤含水量遥感模型及其应用研究方面取得了一系列进展,与国外同类研究的差距也日渐缩小.例如,隋洪智等人通过简化能量平衡方程,直接推算表观热惯量(ATI),并建立了ATI与土壤含水量的关系式;余涛,田国良…发展了地表能量平衡方程的一种新的化简方法,可从遥感图像数据直接得到真实热惯量值,进而得到土壤水分含量分布;陈维英等”们利用NOAA极轨气象卫星距平植被指数,对i992年特大.58.2006年6月农机化研究第6期干旱进行了监测应用研究;刘安麟等…从能量平衡原理出发,对潜在蒸散的计算进行了简化.从而对作物缺水指数法土壤水分遥感监测模型进行了化简,简化后的模型涉及因子减少,计算量明显降低,更接近于实际应用;齐述华等n引利用NOAA-AVHRR资料提取的归一化植被指数(NDVI)和陆地表面温度(LST),构建NDVI—Ts特征空间.依据该特征空间设计的温度植被指数旱情指数作为旱情指标.对中国2000年3月和5月各旬的旱情进行了研究.2主要的土壤含水量遥感信息模型2.1热惯量模式对于一个外加热源,土壤阻止自身变化的趋势为土壤的热惯量,它定义为P=而式中一土壤热传导率;P一土壤密度;C一热容量.土壤热惯量是土壤的一种热特性.是引起土壤表层温度变化的内在因素,与土壤含水量有密切的相关关系,同时又控制着土壤温度日较差的大小.土壤含水量的多少可引起土壤热容量的变化,进而导致土壤温度日变化幅度的差异;反过来,利用这种土壤昼夜温差量就可以确定出土壤湿度.热惯量模式监测土壤水分含量一般包括3个环节:
一是建立土壤水分含量与土壤热惯量关系模型;二是建立卫星遥感数据与表层土壤热惯量的关系模型;三是建立在自然蒸发条件下表层土壤水分含量与一定深度水分水量的数值模拟模型.具体做法是:
根据实测数据和有关经验公式建立土壤水分含量与热惯量的关系模型,利用实时观察数据(以卫星遥感数据为主)为模型提供随时间变化的模型边界初始条件(地表辐射亮温,反照率,水气压,大气透过率等);利用不随时间变化或随时间缓慢变化的各物理参量值(土壤类型,土壤质地的分布,地下水的埋深,地形的变化等)反演土壤水分含量.经改进的热惯量模式简单实用,应用该模式在每年的11月到次年的3月间是最佳监测时间段.该方法局限性主要有:
一是只适用于裸露土壤或植被覆盖低的地方;二是要求监测地区昼夜两次的晴空卫星遥感数据.2.2作物缺水指数法作物缺水指数法(CWSI.CropWaterstressIndex)最初是由T.J.Jackson(1981年)以能量平衡为基础提出的.植物叶片温度和水分状况有着密切-59?
的关系,具体表现为:
植物蒸腾时,叶温降低;当水分亏缺时,蒸腾减少,导致叶温增高.所以,可以通过植物冠层温度推算植物根系范围内的土壤水分状况.CWSI依据植物冠层表面温度与周围气温的测量差值以及太阳净辐射的估算值进行计算,其实质上反映了植物蒸腾与最大可能蒸发的比值,可以作为植物根层土壤水分状况的估算指标.Jackson等”副定义缺水指数CWSI=1一ET/E~式中E一实际蒸散;E一潜在蒸散.上式中E可采用鼓曼方法计算,E由每一区域的纬度即赤纬求得的日出日落时间Ⅳ及瞬时蒸散求得,而为=(R—G—H)/£【1)式中一净辐射,为经过大气辐射订正后的图像反演得到的总辐射,通过NOAA/AVHRR图像通道l,2反演得到的反照率百分比及大气长波辐射和地表长波辐射计算;G一土壤热通量,可通过绿度指数由遥感图像求得的地表覆盖率及R求得;一显热通量,由冠层温度,空气动力阻力及中性情况下空气阻力求得;上’_一汽化潜热常数.CWSI以蒸散为基础,物理意义明确,在有植被覆盖的情况下,CWSI监测土壤水分精度要高于热惯量法;缺点是计算复杂,所需参数多.需要常规气象和地面气象台站观测资料的配合,而且其精度在很大程度上依赖于地面台站的观测数据.2.3檀被指数法植被指数是卫星传感器不同通道探测数据的线性或非线性组合,能够反映绿色植物生长和分布的特征指数.植被指数的时空变化与土壤水分状况有一定的相关性.一般来讲,当作物缺水时,作物的生长将受到影响.植被指数将会降低.目前,植被指数最常用的是归一化植被指数(NDVI,NormalizedDifferenceVegetationIndex),定义为NDVI(一r.d)/(尸N墩+r.d)式中Pm,一分别表示地物在近红外波段和红光波段上的反射率.用于监测土壤水分状况的植被指数中,比较常用的有距平植被指数(AVI,AnomalyVegetationIndex)和条件植被指数(VcI,VegetationConditionIndex).距平植被指数AV/定义为AVI=ND一NDVI2006年6月农机化研究第6期式中ND一某一特定年份某一时期(旬,月等)的NDVI值;一多年该时期的NDVI的平均值.2.3.1距平植被指数VI以某一地点某一时期多年的NDVI平均值作为背景值,用当年该时期的NDVI减去背景值,即可计算出AVI的变化范围.正距平反映植被生长较一般年份好;负距平则反映植被生长较一般年份差,即旱情出现.2.3.2条件植被指数条件植被指数…VCI定义为VCI:
—NDVIt-—NDVI,~×100
(2)NDyI—NDyl式中NDVii一某一特定年第i个时期的NDVI值;ⅣD一,NDVI,~一分别代表所研究年限内第f个时期NDVI的最大值和最小值.式
(2)中,分母部分是在研究年限内第i个时期植被的最大值和最小值之差,代表了NDVI的最大变化范围.反映的是当地植被的生境;分子部分在一定意义上表示了某一特定年第i个时期的当地气象信息.如果ND和ND差值小,则表示该时段作物长势很差.VCI不仅描述了土地覆盖和植被时空变化,而且反映了天气气候条件对植被的影响.植被生长茂盛的阶段,利用距平植被指数(AVi)和条件植被指数(VCI)来监测作物的缺水状况,效果较好;缺点是需要有较长年代的资料积累.用植被指数法监测作物缺水要在土壤缺水已引起植被生长受阻的情况下才能实现;另外,地表覆盖类型的年际间变化也会影响对土壤水分监测的准确性.2.4基于地裹温度的土壤水分监测模型地表温度(LST.LandSurfaceTemperature)是控制地球表面大多数物理,化学和生物过程的参数之一.对裸土来说,地表温度指的是土壤表面温度,浓密植被覆盖的地表温度则认为是植被冠层的表面温度.植被冠层温度升高是植物受到水分胁迫最初指示器,因此地表温度可用于土壤水分监测.LST在土壤水分监测中的研究相对较少,常用的方法是归一化温度指数.考虑到地表温度季节变化的影响,Mcvicar【l等人定义了归一化温度指数(NDTI.NormalizedDifferenceTemperatureIndex)为NDTI=一hrr)/Czsr.一taro)式中帆,砜一分别表示地表阻抗无限大和为零时模拟的地表温度,被认为是在特定气象条件和地表阻抗下地表温度的上限(干条件).6O?
和下限(湿条件),可通过能量平衡一空气动力学阻抗模型来计算.NDTI消除了地表温度季节变化的影响.与土壤湿度非常接近,可以发展成为一种标准产品,从而代替土壤湿度的获得.其缺点是模型所需(参数如卫星过境时刻的太阳辐射,风速和叶面积指数等)不易获取,从而使模型的实用性较差.2.5微波遥感法微波对云层有较强的穿透能力,不受光照条件限制,能够全天候工作,而且长波段微波能够穿透植被并对土壤具有一定的穿透能力.这些特点使得微波遥感在土壤水分监测中就具有其独特的优越性.微波遥感监测土壤水分有被动微波遥感和主动微波遥感两种方法.2.5.1被动微波遥感法被动微波遥感主要是通过微波辐射计获得土壤的亮温温度,然后通过物理模型反演土壤水分或与土壤湿度建立经验/统计模型.例如,Njoku¨等基于辐射传输方程.建立了土壤湿度与亮温等参数的非线性方程,然后用迭代法和最zJ~__--乘法解非线性方程求出土壤湿度等参数.2.5.2主动微波遥感法不同含水量的土壤其雷达回波信号也不同.据此可建立后向散射系数和土壤水分含量的关系.主动微波遥感研究多依据统计方法.通过实验数据的相关分析建立土壤湿度与后向散射系数之间的经验函数关系.其中.以线性关系应用最为普遍.而对于干的或饱和的土壤,则需建立两者之间的非线性关系.在主动微波遥感土壤湿度时,土壤粗糙度的影响是必须加以考虑的.Rao¨”利用雷达后向散射系数数据,同时估测了土壤湿度和土壤表面粗糙度,建立了后向散射与土壤湿度和粗糙度之间的线性方程,利用这一算法可以精确地计算出土壤湿度和粗糙度值.3展望’土壤是多种成分构成的复杂的自然综合体,其光谱受土壤母质,有机质,水分等诸多种因素的影响,又会因不同时空条件而发生剧烈变化.加之植被覆盖的干扰等诸多因素,使得土壤水分遥感监测研究难度较大.也确定了其研究方法及途径选择都要根据具体的土壤类型,传感器性能,信息源以及工作目的等因素综合分析来确定.随着对地观测技术的日益提高,更多卫星上天和各种传感器性能的改进,将使土壤水分监测更为2006年6月农机化研究第6期容易和方便,并真正地实现遥感监测的全天候,多光谱,定量化遥感,未来的遥感躲测将会是各种卫星资料综合应用,多波段结合,卫星遥感和地面遥感结合.同时,结合GIS和GPS技术,通过”3s”技术的无缝集成,建立卫星图像资料接收,处理分析和传输的精度更高的立体土壤水分遥感败测系统也将是今后发展的方向.参考文献:
[1]BowersSA.HanksRJ.ReflectionofRadiantEnergyfromSoils[J].SoilScience,l965,lOO
(2):
130—138.[2]WatsonK.PohnHA.ThermalInertiaMappingfromSate11itesDiscriminationofGeo1ogicgnitsinOman[J].JResGeolSurv.1974,2
(2):
l47—158[3]RosemaA.ResultoftheGroupAgrometMonito—ringProject[J].ESAJournal,1986,(1O):
17—41.[4]余涛,田国良.热惯量法在监测土壤表层水分变化中的研究[J].遥感,1997,l
(1):
24—31.[5]Car1sonTN.Regiona卜Sca1eEstimateofSurfaceMoistureAvai1abi1ityandThermalInertiaUsingRemoteThermalMeasurements[J].RemoteSensingRev,1986,
(1):
197—247.[6]AgRISTARSProgramsManagementGroup.AgRISTRResearchReport[R].Fy1982,1983.[7]SamuelN.Goward,YongkangXue,KevinP.Czajkowski.Eva1uationgLandSurfaceMoistureConditionsfromtheRemote1YSensedTempera—ture/vegetationIndexMeasurementsAnExp1o—rationwithSimplifiedBiosphereModel[J].RemoteSensingofEnvironment.2002.79:
225—242.[8]陈怀亮,毛留喜,冯定原.遥感监测土壤水分的理论,方法及进展[J].遥感技术与应用,1999.14
(2):
55—65.[9][1O][11][12][13][14][15][16][17]隋洪智,田国良,李建军,等.热惯量方法监测土壤水分[A].田国良.黄河流域典型地区遥感动态研究[c].北京:
科学出版社.1990.122—132.陈维英,肖乾广,盛永伟,等.距平植被指数在1992年特大干旱监测中的应用[J].环境遥感,1994,9
(2):
l06-l12.刘安麟.李星敏,何延波,等.作物缺水指数法的简化及在干旱遥感监测中的应用[J].应用生态.2004.l5
(2):
2lO一2l4.齐述华,王长耀,牛铮.利用温度植被旱情指数(TVDI)进行全国旱情监测研究[J].遥感2003.7(5):
420-427.JacksonRD,IdsoSB.CanopyTemperatureasaCropWaterStressIndicator[J].WaterResourceResearch,198l,(17):
ll33—1138.KoganFN+RemoteSensingofWeatherImpactsonVegetationinNon—homogeneousAreas[J].Internationa1Journa1ofRemoteSensing,1990.(11):
l405一l420.McvicarTR,JuppDLB,YangX,eta1.LinkingregionalWaterBalanceModelSwithRemoteSensing[A].In:
Proceedingsofthe13thAsianConferenceonRemoteSensing[C].U1aanbaatar,Mongolia:
1992.B6.1~B6.6.NjokuEG.LiL.Retrievalof1andSurfaceParametersUsingPassiveMicrowaveMeasure—mentsentsat6-18GHz[J].IEEETransGeosciRemoteSensing.1999.37
(1):
79—93.IngeSandho1t,Kje1dRasmussen,JensAndersen.ASimp1eInterpretationoftheSurfaceTempera—ture/vegetationIndexSpaceforAssessmentofSurfaceMoistureStatus[J].RemoteSensingEn—vironment,2002,(79):
213—224.ReviewonMethodsofMonitoringSoilMoistureBasedonRemoteSensingZHANGCan.1ong,NIShao.xiang,LIUZhen.bO,CHENJian(1.CollegeofGeographicalSciences,NanjingNormalUniversity,Nanjing2l0097,China;2.NanjingSoilResearchInstitute,AcademyofChineseSciences.Nanjing2l0008,China)Abstract:
Monitoringsoilmoisturebasedonremotesensingisdifficultprobleminquantitativeremotesensingstudyarea.Thispaperhasmadeareviewontheremotesensinginformationmodelsformonitoringsoilmoisture.Andthesemethodsandtheiradvantagesanddisadvantageshavebeensummarized.Fartherthekeyproblemforsolvinginthesemodels’hasalsobeendiscussed.Keywords:
agrology;soilmoisture;theoreticalresearch;remotesensing;informationmodel6l
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