土壤水分的遥感测试技术
来源： http://www.soil17.net 更新时间：2012-12-27 16:01:17 阅读次
土壤是一种具有复杂孔隙系统的自然体，其中的孔隙为水和空气所充满。土壤中的水受到重力、土粒表面分子引力、水分子引力等各种力的作用，表现出不同的物理状态。目前，遥感技术应用于土壤水分监测领域已取得了一系列成功的经验，该领域的探索与研究是目前遥感技术发展比较活跃的领域之一。由于土壤的物理性质（质地、结构、有机质等）对水的渗透、流动和蒸发有重要影响，同时地形在分异作用以及气候的变化对土壤水分也有重大影响，加之植被的蒸腾作用与水分平衡关系密切，人为的灌溉、排水及耕作和土壤管理措施都对土壤水分状态有不同的影响，因而，土壤水分的遥感研究是一项难度较大的工作。
世界上遥感工作比较先进的国家都不同程度地对土壤水分进行了研究。加拿大在70年代初采用航空及航天遥感信息，用土壤水分检测仪器对土壤水分和地下水进行了系统的研究，并出版了这方面的研究专着；日本自70年代初研究了不同土壤的光谱反射率，并用多光谱像片评价土壤水分；英国利用陆地卫星资料研究了局部地区的土壤水分状况，该国大气动力学家豪顿（Hougton）利用NOAA气象卫星云图，研究了地球南北两极soohP。气压场的运动对世界水旱灾的影响，建立了相关模式，从而对水旱灾进行预测，并特别指出它与我国西北地区水旱灾存在着正相关；印度在80年代初利用MSS和TM资料评估了部分地区的土壤干旱程度；独联体国家在土壤水分的遥感研究领域也作了大量的工作，并研制了一些适用于土壤水分监测的遥感传感器；我国主要从80年代后期开始对土壤水分进行比较全面系统的研究。
1 土壤水分遥感研究的理论依据
任何物体对外来的电磁波都有反射、吸收和透射作用，同时，任何物体只要温度高于绝对零度，它就会不断地向外发射电磁波；不同物体的反射、吸收、透射及发射电磁波的能力不尽相同，地面（土壤水、植被等）反射、吸收、透射和发射电磁波的特征差异，都可作为探测和区别目标物的有用信息。不同的地物反射光谱特征不尽相同，主要表现在反射强度和波谱曲线的形态两个方面，这正是遥感技术利用地物反射电磁波信息来识别和区分目标的基础。
土壤及其水分具有不同的光谱反射特性，影响它们的内在和外在因素很多，对于特定环境条件下的土壤来说，其水分状况往往处在一种动态变化之中；通过各种传感器来接收土壤水分的光谱信息，并经过相应的信息处理技术，结合地面必要的调查，估测土壤水分状况是可行的。
土壤光谱测试是研究土壤水分状况的一项基础性工作，国内土壤光谱测试资料自70年代以来陆续发表，室内测试将我国23类主要土壤的光谱分为平直型、缓斜型、陡坎型和波浪型4种，室内及室外测试都说明了土壤光谱与有机质、Fe2O3及土壤含水量有着密切关系；通过研究还表明，同一土壤含水量的增减，使土壤表面颜色改变，并使土壤反射率相应增减，但极少影响土壤反射光谱的曲线特征，基于这种效果，土壤光谱测试在研究土壤水分过程中具有重要的桥梁作用。
2 土壤水分遥感研究的一般方法及途径
基于遥感技术来研究土壤水分有着不同的方法，工作目的及条件的不同，实施的途径也不尽相同。从遥感平台的角度来讲，卫星遥感、航空遥感及地面遥感均可用于土壤水分遥感监测；从传感器的角度来讲，各种传感器性能虽有差异，只要有对土壤水分比较敏感的波段，用于土壤水分监测是可能的。目前的传感器，如成像雷达、多光谱扫描仪、红外扫描仪、红外温度计以及微波扫描仪等用于土壤水分监测效果较好。
3 国内外土壤水分遥感研究概况
土壤水分遥感作为一个难度较大的研究领域，各国学者都试图在该领域有所突破。
3.1 可见光及红外遥感
在0.3~3.0拌m区所接收的信息是反射太阳的辐射。在这个光谱区，不同类型的裸露土壤反射率一般随波长的增加而增加，不同类型土壤的反射率也不同；对于给定的土壤类型，反射率随水分含量的增加而减少；但是，不同类型土壤间的反射率差别可能和不同土壤水分引起的差别一样大，或者更大，加上太阳高度、大气条件和地表状况等引起的误差，要定量估算土壤水分是比较困难的。美国在60年代末、70年代初就研究了土壤水分（包括沙漠区的土壤水分）对反射率的影响，发现干燥土壤具有较高的反射率，并发现水分含量达到吸湿极限之前，反射率几乎不变。然后水分增多，导致反射率降低。70年代初，日本部分学者测量了几种土壤的反射率，并利用多光谱像片评价土壤水分，建立了蓝波段和绿波段的胶片密度和含水量之间的多元回归方程；80年代末期，日本为了研究大区域的土壤水分分布状态，以热惯量模式，采用NOAA卫星资料的CCT磁带，结合近地层小气候及地下热流量观测，以中国东北部的吉林省为中心进行了区域土壤水分调查，取得了良好的效果。墨西哥水利资源部与美国NASA合作，利用遥感资料在不同土壤类型区进行了水资源的调查工作，评价了土壤的干旱程度，并编制了相应的图件。
我国一些学者用可见光、红外及热红外波段遥感图像提供的反射率和辐射温度信息，结合有关的辐射资料，用热惯量法估算了裸土条件下的土壤水分；由于在有植被覆盖的条件下监测土壤水分相当困难，中科院遥感所部分学者从估算作物蒸散入手，建立了作物缺水指数，根据作物缺水指数和土壤水分的关系，估算了有植被覆盖条件下的作物蒸散和土壤水分；并在野外试验基础上，利用NOAA一AVHRR图像和有关的气象资料，解决了遥感图像与地面气象数据的结合问题，并建立了一套相应的图像处理方法，通过对河南省中、北部72个县的蒸散和土壤水分状况的研究，开拓了大区域研究土壤水分的科学途径。我国部分学者从理论上分析了地表日温差、热惯量和土壤含水量三者的关系，探讨了由地表土壤日温差推求热惯量，再由热惯量推求土壤含水量的方法，建立了气象卫星热红外遥感监测土壤含水量模型。北京农业大学卢志光等人利用红外测温仪观测作物冠层温差，进而研究土壤水分，为大面积应用遥感技术监测土壤水分提供了依据。
3.2 微波遥感
如果说可见光及红外遥感可以详细、直观地把人眼可以看见的景物再现出来，或以目标的辐射温度以及热图像方式显示出来的话，微波（1mm~1m）遥感则以全天候的工作特性及对植被和土壤的穿透能力，能较好地应用于全球规模上的土壤温度监测。70年代，土壤湿度无源微波遥感的研究进入高潮。1978年wilheit发表了土壤微波发射的相干模型；次年Bt:rke和Paris提出了非相干模型；Eagleman和Lin（1976）、Aehmugge（1977）等学者先后用卫星辐射计测量了不同类型的土壤湿度；1980年美国的Agristars在用航天遥感进行农业和资源状况调查时，专门进行了土壤湿度微波遥感的研究。
近20年来，土壤微波辐射的研究取得了不少进展。包括发展和应用车载、机载和星载多频段辐射计，测量不同湿度条件下土壤的热辐射和辐射亮度温度，测定一些波段上不同结构不同湿度的土壤介电常数，以及粗糙表面对亮度温度的影响等。我国于1977年用中科院长春地理所研制的3cm微波辐射计以伊尔-14飞机作平台，在新疆哈密地区进行了30多次航空遥感飞行试验，并在长春净月潭遥感实验站等地进行了多频段、双极化和不同观察角的土壤亮度温度的测量，研究了散射系数和裸土水分的关系，土壤散射系数和入射角及极化方式的关系，散射系数和土壤表面粗糙度的关系；同时，对区别不同土壤水分含量的可能性进行了研究，这些工作为后来土壤水分的研究奠定了基础。
在微波波段，水的介电常数（可达80）明显地不同于干土的介电常数（约3-5）。因此，不同水分的土壤表现出不同的介电特性，产生了微波辐射亮度温度与土壤湿度的函数变化；土壤的热发射率可从干土的95左右变化到湿土的0.6以下。由于昼夜和季节的变化以及水分的重力渗透作用的影响，土壤中温度和湿度具有不同的分布廓线。复旦大学金亚秋等人用4种频段的微波辐射计测量了土壤的微波辐射亮度温度和土壤表面湿度的关系，采用多相混合的土壤介电常数的经验解析式和非均匀温度湿度廓线半空间耗散介质的起伏逸散定理及WKB法，计算了不同频段的辐射亮度温度，建立了辐射亮度温度和土壤湿度的定量函数关系。从目前的研究进展来看，微波遥感监测土壤水分有广阔的应用前景，但还必须深入地进行一些基础性的研究与探索。
4 土壤水分遥感研究的问题与展望
各国的土壤及遥感工作者，在土壤水分遥感领域取得了一系列成果。并探索出了一些可行的方法及途径，该领域的研究仍然存在诸多问题，尚需不断探索与改进。
4.1 传感器性能的改进
用于监测土壤水分的传感器，必须要有较高的地面分辨率，同时要有对土壤水分较为敏感的波段。目前，一些传感器分辨率达不到要求，波谱段较窄，特别是近红外及热红外波段少，对提取土壤水分信息极为不利；另外，一些传感器的性能不稳定，对土壤水分的监测也造成很大不便。这些问题的改进，是土壤水分研究的基础，对提高土壤水分监测精度有较大的促进作用。
4.2 研究方法的相互结合
单纯地采用一种方法可能会产生较大的偏差，必须借助于其它辅助措施进行修正。例如，采用热红外波段所测的是地表浅层信息，探测的土壤深度有限，存在着估算值低于表面层土壤水分真值的可能性；有的学者尝试了用雷达图像的散射系数法、NOAA一AvHRR数字图像的热惯量法和作物缺水指数法监测土壤水分；并对这些方法与常规气象方法、绿度指数法和温差法监测土壤水分的效果进行了比较分析，发现微波监测土壤水分有较为广阔的前景。
4.3 模型的优化与改进
把光谱反射率、红外温度或亮度值等其它一些遥感数据通过一定的模型与土壤水分建立起关系，受到多种直接及间接因素的影响，有时要经过复杂的中间转换过程。数学型参数的选取，形式的确定都是至关重要的，必须研究各种因素之间的内在联系，有目的地建立起科学的预测模型。
土壤水分的遥感监测是一项复杂的工作，除解决好上述问题外，还必须研究不同地区、不同土壤类型之间存在着的规律性差异，合理地选择光谱波段的组合形式，利用合理的图像。
世界上遥感工作比较先进的国家都不同程度地对土壤水分进行了研究。加拿大在70年代初采用航空及航天遥感信息，用土壤水分检测仪器对土壤水分和地下水进行了系统的研究，并出版了这方面的研究专着；日本自70年代初研究了不同土壤的光谱反射率，并用多光谱像片评价土壤水分；英国利用陆地卫星资料研究了局部地区的土壤水分状况，该国大气动力学家豪顿（Hougton）利用NOAA气象卫星云图，研究了地球南北两极soohP。气压场的运动对世界水旱灾的影响，建立了相关模式，从而对水旱灾进行预测，并特别指出它与我国西北地区水旱灾存在着正相关；印度在80年代初利用MSS和TM资料评估了部分地区的土壤干旱程度；独联体国家在土壤水分的遥感研究领域也作了大量的工作，并研制了一些适用于土壤水分监测的遥感传感器；我国主要从80年代后期开始对土壤水分进行比较全面系统的研究。
1 土壤水分遥感研究的理论依据
任何物体对外来的电磁波都有反射、吸收和透射作用，同时，任何物体只要温度高于绝对零度，它就会不断地向外发射电磁波；不同物体的反射、吸收、透射及发射电磁波的能力不尽相同，地面（土壤水、植被等）反射、吸收、透射和发射电磁波的特征差异，都可作为探测和区别目标物的有用信息。不同的地物反射光谱特征不尽相同，主要表现在反射强度和波谱曲线的形态两个方面，这正是遥感技术利用地物反射电磁波信息来识别和区分目标的基础。
土壤及其水分具有不同的光谱反射特性，影响它们的内在和外在因素很多，对于特定环境条件下的土壤来说，其水分状况往往处在一种动态变化之中；通过各种传感器来接收土壤水分的光谱信息，并经过相应的信息处理技术，结合地面必要的调查，估测土壤水分状况是可行的。
土壤光谱测试是研究土壤水分状况的一项基础性工作，国内土壤光谱测试资料自70年代以来陆续发表，室内测试将我国23类主要土壤的光谱分为平直型、缓斜型、陡坎型和波浪型4种，室内及室外测试都说明了土壤光谱与有机质、Fe2O3及土壤含水量有着密切关系；通过研究还表明，同一土壤含水量的增减，使土壤表面颜色改变，并使土壤反射率相应增减，但极少影响土壤反射光谱的曲线特征，基于这种效果，土壤光谱测试在研究土壤水分过程中具有重要的桥梁作用。
2 土壤水分遥感研究的一般方法及途径
基于遥感技术来研究土壤水分有着不同的方法，工作目的及条件的不同，实施的途径也不尽相同。从遥感平台的角度来讲，卫星遥感、航空遥感及地面遥感均可用于土壤水分遥感监测；从传感器的角度来讲，各种传感器性能虽有差异，只要有对土壤水分比较敏感的波段，用于土壤水分监测是可能的。目前的传感器，如成像雷达、多光谱扫描仪、红外扫描仪、红外温度计以及微波扫描仪等用于土壤水分监测效果较好。
3 国内外土壤水分遥感研究概况
土壤水分遥感作为一个难度较大的研究领域，各国学者都试图在该领域有所突破。
3.1 可见光及红外遥感
在0.3~3.0拌m区所接收的信息是反射太阳的辐射。在这个光谱区，不同类型的裸露土壤反射率一般随波长的增加而增加，不同类型土壤的反射率也不同；对于给定的土壤类型，反射率随水分含量的增加而减少；但是，不同类型土壤间的反射率差别可能和不同土壤水分引起的差别一样大，或者更大，加上太阳高度、大气条件和地表状况等引起的误差，要定量估算土壤水分是比较困难的。美国在60年代末、70年代初就研究了土壤水分（包括沙漠区的土壤水分）对反射率的影响，发现干燥土壤具有较高的反射率，并发现水分含量达到吸湿极限之前，反射率几乎不变。然后水分增多，导致反射率降低。70年代初，日本部分学者测量了几种土壤的反射率，并利用多光谱像片评价土壤水分，建立了蓝波段和绿波段的胶片密度和含水量之间的多元回归方程；80年代末期，日本为了研究大区域的土壤水分分布状态，以热惯量模式，采用NOAA卫星资料的CCT磁带，结合近地层小气候及地下热流量观测，以中国东北部的吉林省为中心进行了区域土壤水分调查，取得了良好的效果。墨西哥水利资源部与美国NASA合作，利用遥感资料在不同土壤类型区进行了水资源的调查工作，评价了土壤的干旱程度，并编制了相应的图件。
我国一些学者用可见光、红外及热红外波段遥感图像提供的反射率和辐射温度信息，结合有关的辐射资料，用热惯量法估算了裸土条件下的土壤水分；由于在有植被覆盖的条件下监测土壤水分相当困难，中科院遥感所部分学者从估算作物蒸散入手，建立了作物缺水指数，根据作物缺水指数和土壤水分的关系，估算了有植被覆盖条件下的作物蒸散和土壤水分；并在野外试验基础上，利用NOAA一AVHRR图像和有关的气象资料，解决了遥感图像与地面气象数据的结合问题，并建立了一套相应的图像处理方法，通过对河南省中、北部72个县的蒸散和土壤水分状况的研究，开拓了大区域研究土壤水分的科学途径。我国部分学者从理论上分析了地表日温差、热惯量和土壤含水量三者的关系，探讨了由地表土壤日温差推求热惯量，再由热惯量推求土壤含水量的方法，建立了气象卫星热红外遥感监测土壤含水量模型。北京农业大学卢志光等人利用红外测温仪观测作物冠层温差，进而研究土壤水分，为大面积应用遥感技术监测土壤水分提供了依据。
3.2 微波遥感
如果说可见光及红外遥感可以详细、直观地把人眼可以看见的景物再现出来，或以目标的辐射温度以及热图像方式显示出来的话，微波（1mm~1m）遥感则以全天候的工作特性及对植被和土壤的穿透能力，能较好地应用于全球规模上的土壤温度监测。70年代，土壤湿度无源微波遥感的研究进入高潮。1978年wilheit发表了土壤微波发射的相干模型；次年Bt:rke和Paris提出了非相干模型；Eagleman和Lin（1976）、Aehmugge（1977）等学者先后用卫星辐射计测量了不同类型的土壤湿度；1980年美国的Agristars在用航天遥感进行农业和资源状况调查时，专门进行了土壤湿度微波遥感的研究。
近20年来，土壤微波辐射的研究取得了不少进展。包括发展和应用车载、机载和星载多频段辐射计，测量不同湿度条件下土壤的热辐射和辐射亮度温度，测定一些波段上不同结构不同湿度的土壤介电常数，以及粗糙表面对亮度温度的影响等。我国于1977年用中科院长春地理所研制的3cm微波辐射计以伊尔-14飞机作平台，在新疆哈密地区进行了30多次航空遥感飞行试验，并在长春净月潭遥感实验站等地进行了多频段、双极化和不同观察角的土壤亮度温度的测量，研究了散射系数和裸土水分的关系，土壤散射系数和入射角及极化方式的关系，散射系数和土壤表面粗糙度的关系；同时，对区别不同土壤水分含量的可能性进行了研究，这些工作为后来土壤水分的研究奠定了基础。
在微波波段，水的介电常数（可达80）明显地不同于干土的介电常数（约3-5）。因此，不同水分的土壤表现出不同的介电特性，产生了微波辐射亮度温度与土壤湿度的函数变化；土壤的热发射率可从干土的95左右变化到湿土的0.6以下。由于昼夜和季节的变化以及水分的重力渗透作用的影响，土壤中温度和湿度具有不同的分布廓线。复旦大学金亚秋等人用4种频段的微波辐射计测量了土壤的微波辐射亮度温度和土壤表面湿度的关系，采用多相混合的土壤介电常数的经验解析式和非均匀温度湿度廓线半空间耗散介质的起伏逸散定理及WKB法，计算了不同频段的辐射亮度温度，建立了辐射亮度温度和土壤湿度的定量函数关系。从目前的研究进展来看，微波遥感监测土壤水分有广阔的应用前景，但还必须深入地进行一些基础性的研究与探索。
4 土壤水分遥感研究的问题与展望
各国的土壤及遥感工作者，在土壤水分遥感领域取得了一系列成果。并探索出了一些可行的方法及途径，该领域的研究仍然存在诸多问题，尚需不断探索与改进。
4.1 传感器性能的改进
用于监测土壤水分的传感器，必须要有较高的地面分辨率，同时要有对土壤水分较为敏感的波段。目前，一些传感器分辨率达不到要求，波谱段较窄，特别是近红外及热红外波段少，对提取土壤水分信息极为不利；另外，一些传感器的性能不稳定，对土壤水分的监测也造成很大不便。这些问题的改进，是土壤水分研究的基础，对提高土壤水分监测精度有较大的促进作用。
4.2 研究方法的相互结合
单纯地采用一种方法可能会产生较大的偏差，必须借助于其它辅助措施进行修正。例如，采用热红外波段所测的是地表浅层信息，探测的土壤深度有限，存在着估算值低于表面层土壤水分真值的可能性；有的学者尝试了用雷达图像的散射系数法、NOAA一AvHRR数字图像的热惯量法和作物缺水指数法监测土壤水分；并对这些方法与常规气象方法、绿度指数法和温差法监测土壤水分的效果进行了比较分析，发现微波监测土壤水分有较为广阔的前景。
4.3 模型的优化与改进
把光谱反射率、红外温度或亮度值等其它一些遥感数据通过一定的模型与土壤水分建立起关系，受到多种直接及间接因素的影响，有时要经过复杂的中间转换过程。数学型参数的选取，形式的确定都是至关重要的，必须研究各种因素之间的内在联系，有目的地建立起科学的预测模型。
土壤水分的遥感监测是一项复杂的工作，除解决好上述问题外，还必须研究不同地区、不同土壤类型之间存在着的规律性差异，合理地选择光谱波段的组合形式，利用合理的图像。
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