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土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測站、土壤墑情監(jiān)測設(shè)備

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土壤水分的遙感測試技術(shù)

來源: http://www.youping.net  更新時間:2012-12-27 16:01:17  閱讀
  土壤是一種具有復(fù)雜孔隙系統(tǒng)的自然體,其中的孔隙為水和空氣所充滿。土壤中的水受到重力、土粒表面分子引力、水分子引力等各種力的作用,表現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)。目前,遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤水分監(jiān)測領(lǐng)域已取得了一系列成功的經(jīng)驗,該領(lǐng)域的探索與研究是目前遙感技術(shù)發(fā)展比較活躍的領(lǐng)域之一。由于土壤的物理性質(zhì)(質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機質(zhì)等)對水的滲透、流動和蒸發(fā)有重要影響,同時地形在分異作用以及氣候的變化對土壤水分也有重大影響,加之植被的蒸騰作用與水分平衡關(guān)系密切,人為的灌溉、排水及耕作和土壤管理措施都對土壤水分狀態(tài)有不同的影響,因而,土壤水分的遙感研究是一項難度較大的工作。
  世界上遙感工作比較先進的國家都不同程度地對土壤水分進行了研究。加拿大在70年代初采用航空及航天遙感信息,用土壤水分檢測儀器對土壤水分和地下水進行了系統(tǒng)的研究,并出版了這方面的研究專著;日本自70年代初研究了不同土壤的光譜反射率,并用多光譜像片評價土壤水分;英國利用陸地衛(wèi)星資料研究了局部地區(qū)的土壤水分狀況,該國大氣動力學(xué)家豪頓(Hougton)利用NOAA氣象衛(wèi)星云圖,研究了地球南北兩極soohP。氣壓場的運動對世界水旱災(zāi)的影響,建立了相關(guān)模式,從而對水旱災(zāi)進行預(yù)測,并特別指出它與我國西北地區(qū)水旱災(zāi)存在著正相關(guān);印度在80年代初利用MSS和TM資料評估了部分地區(qū)的土壤干旱程度;獨聯(lián)體國家在土壤水分的遙感研究領(lǐng)域也作了大量的工作,并研制了一些適用于土壤水分監(jiān)測的遙感傳感器;我國主要從80年代后期開始對土壤水分進行比較全面系統(tǒng)的研究。
  1 土壤水分遙感研究的理論依據(jù)
  任何物體對外來的電磁波都有反射、吸收和透射作用,同時,任何物體只要溫度高于絕對零度,它就會不斷地向外發(fā)射電磁波;不同物體的反射、吸收、透射及發(fā)射電磁波的能力不盡相同,地面(土壤水、植被等)反射、吸收、透射和發(fā)射電磁波的特征差異,都可作為探測和區(qū)別目標物的有用信息。不同的地物反射光譜特征不盡相同,主要表現(xiàn)在反射強度和波譜曲線的形態(tài)兩個方面,這正是遙感技術(shù)利用地物反射電磁波信息來識別和區(qū)分目標的基礎(chǔ)。
  土壤及其水分具有不同的光譜反射特性,影響它們的內(nèi)在和外在因素很多,對于特定環(huán)境條件下的土壤來說,其水分狀況往往處在一種動態(tài)變化之中;通過各種傳感器來接收土壤水分的光譜信息,并經(jīng)過相應(yīng)的信息處理技術(shù),結(jié)合地面必要的調(diào)查,估測土壤水分狀況是可行的。
  土壤光譜測試是研究土壤水分狀況的一項基礎(chǔ)性工作,國內(nèi)土壤光譜測試資料自70年代以來陸續(xù)發(fā)表,室內(nèi)測試將我國23類主要土壤的光譜分為平直型、緩斜型、陡坎型和波浪型4種,室內(nèi)及室外測試都說明了土壤光譜與有機質(zhì)、Fe2O3及土壤含水量有著密切關(guān)系;通過研究還表明,同一土壤含水量的增減,使土壤表面顏色改變,并使土壤反射率相應(yīng)增減,但極少影響土壤反射光譜的曲線特征,基于這種效果,土壤光譜測試在研究土壤水分過程中具有重要的橋梁作用。
  2 土壤水分遙感研究的一般方法及途徑
  基于遙感技術(shù)來研究土壤水分有著不同的方法,工作目的及條件的不同,實施的途徑也不盡相同。從遙感平臺的角度來講,衛(wèi)星遙感、航空遙感及地面遙感均可用于土壤水分遙感監(jiān)測;從傳感器的角度來講,各種傳感器性能雖有差異,只要有對土壤水分比較敏感的波段,用于土壤水分監(jiān)測是可能的。目前的傳感器,如成像雷達、多光譜掃描儀、紅外掃描儀、紅外溫度計以及微波掃描儀等用于土壤水分監(jiān)測效果較好。
  3 國內(nèi)外土壤水分遙感研究概況
  土壤水分遙感作為一個難度較大的研究領(lǐng)域,各國學(xué)者都試圖在該領(lǐng)域有所突破。
  3.1 可見光及紅外遙感
  在0.3~3.0拌m區(qū)所接收的信息是反射太陽的輻射。在這個光譜區(qū),不同類型的裸露土壤反射率一般隨波長的增加而增加,不同類型土壤的反射率也不同;對于給定的土壤類型,反射率隨水分含量的增加而減少;但是,不同類型土壤間的反射率差別可能和不同土壤水分引起的差別一樣大,或者更大,加上太陽高度、大氣條件和地表狀況等引起的誤差,要定量估算土壤水分是比較困難的。美國在60年代末、70年代初就研究了土壤水分(包括沙漠區(qū)的土壤水分)對反射率的影響,發(fā)現(xiàn)干燥土壤具有較高的反射率,并發(fā)現(xiàn)水分含量達到吸濕極限之前,反射率幾乎不變。然后水分增多,導(dǎo)致反射率降低。70年代初,日本部分學(xué)者測量了幾種土壤的反射率,并利用多光譜像片評價土壤水分,建立了藍波段和綠波段的膠片密度和含水量之間的多元回歸方程;80年代末期,日本為了研究大區(qū)域的土壤水分分布狀態(tài),以熱慣量模式,采用NOAA衛(wèi)星資料的CCT磁帶,結(jié)合近地層小氣候及地下熱流量觀測,以中國東北部的吉林省為中心進行了區(qū)域土壤水分調(diào)查,取得了良好的效果。墨西哥水利資源部與美國NASA合作,利用遙感資料在不同土壤類型區(qū)進行了水資源的調(diào)查工作,評價了土壤的干旱程度,并編制了相應(yīng)的圖件。
  我國一些學(xué)者用可見光、紅外及熱紅外波段遙感圖像提供的反射率和輻射溫度信息,結(jié)合有關(guān)的輻射資料,用熱慣量法估算了裸土條件下的土壤水分;由于在有植被覆蓋的條件下監(jiān)測土壤水分相當困難,中科院遙感所部分學(xué)者從估算作物蒸散入手,建立了作物缺水指數(shù),根據(jù)作物缺水指數(shù)和土壤水分的關(guān)系,估算了有植被覆蓋條件下的作物蒸散和土壤水分;并在野外試驗基礎(chǔ)上,利用NOAA一AVHRR圖像和有關(guān)的氣象資料,解決了遙感圖像與地面氣象數(shù)據(jù)的結(jié)合問題,并建立了一套相應(yīng)的圖像處理方法,通過對河南省中、北部72個縣的蒸散和土壤水分狀況的研究,開拓了大區(qū)域研究土壤水分的科學(xué)途徑。我國部分學(xué)者從理論上分析了地表日溫差、熱慣量和土壤含水量三者的關(guān)系,探討了由地表土壤日溫差推求熱慣量,再由熱慣量推求土壤含水量的方法,建立了氣象衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測土壤含水量模型。北京農(nóng)業(yè)大學(xué)盧志光等人利用紅外測溫儀觀測作物冠層溫差,進而研究土壤水分,為大面積應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測土壤水分提供了依據(jù)。
  3.2 微波遙感
  如果說可見光及紅外遙感可以詳細、直觀地把人眼可以看見的景物再現(xiàn)出來,或以目標的輻射溫度以及熱圖像方式顯示出來的話,微波(1mm~1m)遙感則以全天候的工作特性及對植被和土壤的穿透能力,能較好地應(yīng)用于全球規(guī)模上的土壤溫度監(jiān)測。70年代,土壤濕度無源微波遙感的研究進入高潮。1978年wilheit發(fā)表了土壤微波發(fā)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)等學(xué)者先后用衛(wèi)星輻射計測量了不同類型的土壤濕度;1980年美國的Agristars在用航天遙感進行農(nóng)業(yè)和資源狀況調(diào)查時,專門進行了土壤濕度微波遙感的研究。
  近20年來,土壤微波輻射的研究取得了不少進展。包括發(fā)展和應(yīng)用車載、機載和星載多頻段輻射計,測量不同濕度條件下土壤的熱輻射和輻射亮度溫度,測定一些波段上不同結(jié)構(gòu)不同濕度的土壤介電常數(shù),以及粗糙表面對亮度溫度的影響等。我國于1977年用中科院長春地理所研制的3cm微波輻射計以伊爾-14飛機作平臺,在新疆哈密地區(qū)進行了30多次航空遙感飛行試驗,并在長春凈月潭遙感實驗站等地進行了多頻段、雙極化和不同觀察角的土壤亮度溫度的測量,研究了散射系數(shù)和裸土水分的關(guān)系,土壤散射系數(shù)和入射角及極化方式的關(guān)系,散射系數(shù)和土壤表面粗糙度的關(guān)系;同時,對區(qū)別不同土壤水分含量的可能性進行了研究,這些工作為后來土壤水分的研究奠定了基礎(chǔ)。
  在微波波段,水的介電常數(shù)(可達80)明顯地不同于干土的介電常數(shù)(約3-5)。因此,不同水分的土壤表現(xiàn)出不同的介電特性,產(chǎn)生了微波輻射亮度溫度與土壤濕度的函數(shù)變化;土壤的熱發(fā)射率可從干土的95左右變化到濕土的0.6以下。由于晝夜和季節(jié)的變化以及水分的重力滲透作用的影響,土壤中溫度和濕度具有不同的分布廓線。復(fù)旦大學(xué)金亞秋等人用4種頻段的微波輻射計測量了土壤的微波輻射亮度溫度和土壤表面濕度的關(guān)系,采用多相混合的土壤介電常數(shù)的經(jīng)驗解析式和非均勻溫度濕度廓線半空間耗散介質(zhì)的起伏逸散定理及WKB法,計算了不同頻段的輻射亮度溫度,建立了輻射亮度溫度和土壤濕度的定量函數(shù)關(guān)系。從目前的研究進展來看,微波遙感監(jiān)測土壤水分有廣闊的應(yīng)用前景,但還必須深入地進行一些基礎(chǔ)性的研究與探索。
  4 土壤水分遙感研究的問題與展望
  各國的土壤及遙感工作者,在土壤水分遙感領(lǐng)域取得了一系列成果。并探索出了一些可行的方法及途徑,該領(lǐng)域的研究仍然存在諸多問題,尚需不斷探索與改進。
  4.1 傳感器性能的改進
  用于監(jiān)測土壤水分的傳感器,必須要有較高的地面分辨率,同時要有對土壤水分較為敏感的波段。目前,一些傳感器分辨率達不到要求,波譜段較窄,特別是近紅外及熱紅外波段少,對提取土壤水分信息極為不利;另外,一些傳感器的性能不穩(wěn)定,對土壤水分的監(jiān)測也造成很大不便。這些問題的改進,是土壤水分研究的基礎(chǔ),對提高土壤水分監(jiān)測精度有較大的促進作用。
  4.2 研究方法的相互結(jié)合
  單純地采用一種方法可能會產(chǎn)生較大的偏差,必須借助于其它輔助措施進行修正。例如,采用熱紅外波段所測的是地表淺層信息,探測的土壤深度有限,存在著估算值低于表面層土壤水分真值的可能性;有的學(xué)者嘗試了用雷達圖像的散射系數(shù)法、NOAA一AvHRR數(shù)字圖像的熱慣量法和作物缺水指數(shù)法監(jiān)測土壤水分;并對這些方法與常規(guī)氣象方法、綠度指數(shù)法和溫差法監(jiān)測土壤水分的效果進行了比較分析,發(fā)現(xiàn)微波監(jiān)測土壤水分有較為廣闊的前景。
  4.3 模型的優(yōu)化與改進
  把光譜反射率、紅外溫度或亮度值等其它一些遙感數(shù)據(jù)通過一定的模型與土壤水分建立起關(guān)系,受到多種直接及間接因素的影響,有時要經(jīng)過復(fù)雜的中間轉(zhuǎn)換過程。數(shù)學(xué)型參數(shù)的選取,形式的確定都是至關(guān)重要的,必須研究各種因素之間的內(nèi)在聯(lián)系,有目的地建立起科學(xué)的預(yù)測模型。
  土壤水分的遙感監(jiān)測是一項復(fù)雜的工作,除解決好上述問題外,還必須研究不同地區(qū)、不同土壤類型之間存在著的規(guī)律性差異,合理地選擇光譜波段的組合形式,利用合理的圖像。
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