朱比樂(lè)　胡嘉敏

摘 要：土壤含水量是土壤的一項(xiàng)重要指標(biāo)，高質(zhì)量的土壤含水量數(shù)據(jù)在干旱監(jiān)測(cè)、水文過(guò)程、生態(tài)過(guò)程、精細(xì)農(nóng)業(yè)等問(wèn)題研究中具有重要意義，如何獲取不同尺度的、高精度的土壤含水量數(shù)據(jù)一直是人們研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)利用不同的遙感方式測(cè)定裸露地表土壤含水量和植被覆蓋地表土壤含水量的問(wèn)題，結(jié)合所學(xué)知識(shí)和相關(guān)文獻(xiàn)敘述遙感對(duì)于土壤含水量的研究進(jìn)展，指出了遙感在土壤水分研究的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：土壤含水量；微波遙感；熱紅外遙感；高光譜遙感

土壤水分是土壤的重要組成部分，是影響陸地表面的吸收、反射和發(fā)射等特性的關(guān)鍵因素，在地球表面與大氣層之間的物量循環(huán)中起著重要的作用。土壤含水量作為表征一定土層深度下土壤干濕程度的物理量，是土壤水分的關(guān)鍵參數(shù)。傳統(tǒng)土壤含水量的測(cè)定方法主要有烘干稱(chēng)重法、中子儀法、電阻法等，但是速度慢、成本高。相較于傳統(tǒng)的土壤含水量測(cè)定方法，遙感技術(shù)以其可實(shí)現(xiàn)大面積觀(guān)測(cè)，高分辨率等特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)高效的提供大范圍精準(zhǔn)的土壤含水量信息。

一、可見(jiàn)光—近紅外波段的應(yīng)用

1965年，Bowers S A和Hanks R J開(kāi)啟了在可見(jiàn)光—近紅外波段研究土壤含水量的先河，他們發(fā)現(xiàn)土壤反射率隨著土壤含水量的增加而逐漸降低，尤其是在760 nm、970 nm、1190 nm、1450 nm和1940 nm等水分吸收波段[1]，這為可見(jiàn)光—近紅外波段遙感監(jiān)測(cè)水分奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)歷了近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，眾多學(xué)者都先后證實(shí)土壤含水量與可見(jiàn)光—近紅外波段的光譜反射率有較強(qiáng)的相關(guān)性，并反演了土壤含水量。

二、熱紅外遙感的應(yīng)用

熱紅外遙感監(jiān)測(cè)土壤含水量的方法主要是熱慣量法。熱慣量作為土壤本身的一種熱特性能夠引發(fā)土壤表層溫度的變化，對(duì)土壤溫度日較差產(chǎn)生影響。同時(shí)由于水分的熱容量和熱傳導(dǎo)率與濕潤(rùn)土壤的熱慣量呈正相關(guān)，使得利用熱慣量法監(jiān)測(cè)土壤水分含量具有可行性[2]。隨著熱慣量法遙感土壤水分理論的成熟，對(duì)于在裸露或植被覆蓋度較低時(shí)土壤水分遙感采用熱慣量法的效果已得到認(rèn)可該方法具有明確的物理意義，簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，估測(cè)精度較高，適用于裸露及植被覆蓋度低的區(qū)域。

三、微波遙感的應(yīng)用

遙感技術(shù)的應(yīng)用中，微波遙感傳感器就具有全天時(shí)、全天候和穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)。微波土壤濕度遙感研究始于20世紀(jì)80年代，星載合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)是主要數(shù)據(jù)源之一。地表覆蓋對(duì)電磁波的反射影響較大，因此微波遙感在測(cè)定土壤的應(yīng)用中可分為裸地和植被覆蓋地表兩部分。

（1）微波反演裸露地表土壤含水量

裸土土壤濕度反演研究開(kāi)展較多，有的科學(xué)家通過(guò)對(duì)裸露地表微波發(fā)射率的研究發(fā)現(xiàn)，裸露地表土壤水分與微波發(fā)射率存在簡(jiǎn)單的線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，有的科學(xué)家結(jié)合物理模型和多頻、多極化或全極化數(shù)據(jù)建立了土壤水分反演的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)現(xiàn)了裸土土壤水分反演。

（2）微波反演植被覆蓋地表土壤含水量

植被覆蓋對(duì)微波遙感監(jiān)測(cè)土壤濕度的影響在于植被能夠吸收和散射到達(dá)冠層的微波信號(hào)[3]。對(duì)植被覆蓋區(qū)的土壤水分研究基于植被模型，例如MIMICS模型、KARAM模型等，在獲取植被層的信息后，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校正，最終得到地表土壤水分含量。

（3）微波遙感監(jiān)測(cè)土壤含水量的研究進(jìn)展

微波遙感可分為主動(dòng)遙感和被動(dòng)遙感。其中，被動(dòng)微波遙感土壤濕度開(kāi)展的較早，已發(fā)展了一些較成熟的算法。被動(dòng)微波遙感反演土壤水分的研究主要利用參數(shù)化的粗糙地表微波輻射模型和植被覆蓋地表的微波輻射傳輸模型實(shí)現(xiàn)的。而主動(dòng)微波遙感檢測(cè)基于多波段、多極化和全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)[4]。

因其主被動(dòng)微波傳感器反演土壤水可以提高度，而且可以提高使用被動(dòng)微波遙感的空間分辨率。因此，主被動(dòng)微波遙感聯(lián)合反演土壤水分的研究成為熱點(diǎn)。微波遙感在土壤水分監(jiān)測(cè)中具有突出的優(yōu)勢(shì)，但易受地表覆蓋無(wú)影響，這給微波遙感在植被覆蓋率高的區(qū)域研究土壤含水量造成困難。

四、高光譜遙感的應(yīng)用

高光譜遙感，是指在電磁波譜的可見(jiàn)光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術(shù)，其成像光譜儀可以收集到上百個(gè)非常窄的光譜波段信息。相較于微波遙感，高光譜遙感的反射率光譜曲線(xiàn)可以表達(dá)出地物細(xì)微的變化。目前，利用高光譜信息對(duì)土壤水分含量進(jìn)行估算主要分為成像方式和非成像方式。

（1）成像方式

成像方式即通過(guò)衛(wèi)星攜帶的高光譜傳感器來(lái)獲取地表反射、發(fā)射的電磁波信息，對(duì)地面接收、處理后獲得的高光譜影像進(jìn)行分析，建立土壤含水量與土壤反射率之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量的監(jiān)測(cè)[2]。目前研究中常用的成像高光譜數(shù)據(jù)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譜儀在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或野外獲取土壤的光譜信息，建立土壤光譜信息與土壤含水量之間的關(guān)系模型，反演土壤含水量。由于土壤的光譜信息不僅受到土壤含水量的影響，還受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、礦物質(zhì)成分等因素的影響，因此需要定量描述土壤含水量等參數(shù)對(duì)反射率的影響[2]。

（3）高光譜遙感定量反演土壤含水量的研究進(jìn)展

由于當(dāng)前航空航天高光譜遙感傳感器較少，或精度難以滿(mǎn)足要求，而多光譜遙感影像不能獲取土壤含水量診斷波段，難以用于土壤含水量遙感反演，因此，當(dāng)前多利用非成像高光譜儀獲取土壤室內(nèi)或室外的光譜數(shù)據(jù)，建立土壤反射率與土壤水估算模型，進(jìn)行土壤含水量遙感定量反演。在研究中應(yīng)充分考慮粗糙度等表面特征對(duì)反演土壤含水量的影響，為土壤含水量反演提供完整的技術(shù)支持與理論依據(jù)。

遙感技術(shù)以其可實(shí)現(xiàn)大面積觀(guān)測(cè)，高分辨率等特點(diǎn)，在土壤含水量的反演中得到了廣泛的應(yīng)用。微波遙感、熱紅外遙感和高光譜遙感用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤含水量都有各自放入優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，由于遙感可以實(shí)時(shí)高效的提供大范圍精準(zhǔn)的土壤含水量信息，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感在監(jiān)測(cè)土壤含水量的領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛，更加有效。

參考文獻(xiàn)

[1]顧燕，張鷹，李歡.基于實(shí)測(cè)光譜的潮灘土壤含水量遙感反演模型研究[J].濕地地理，2013，11（2）：167-172.

[2]劉影，姚艷敏.土壤含水量高光譜遙感定量反演研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2016，32（7）：127-134.

[3] 姜淼，李國(guó)春.微波遙感土壤濕度研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2006（4）：21-23.

[4] 郭英，沈彥俊，趙超.主被動(dòng)微波遙感在農(nóng)區(qū)土壤水分監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用初探[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，19（5）：1162-1167.

作者簡(jiǎn)介：

朱比樂(lè)（1996.11-），女，浙江省金華人，浙江師范大學(xué) 本科生

胡嘉敏（1996.12-），女，浙江省臺(tái)州人，浙江師范大學(xué) 本科生

（作者單位：浙江師范大學(xué)）