中国西部科技 ２０１ １年０５月（上旬）第１０卷第１３期总第２４６期 遥感监测干旱的方法综述 宋 炜 （广州市房地产测绘所， 广东广州５１ ０６００） 摘要：土壤水分是土壤的重要组成部分，在地一气界面间物质、能量交换中起着重要的作用。遥感技术具有大面积同 步观测，时效性，全天候性、经济性的特点，为大面积动态监测土壤水分提供了可能。本文简述了目前的几种主要遥感 监测土壤水分的方法：热惯量法、温度植被指数法、作物缺水指数法、高光谱法和微波遥感法。并分析了各种方法的原 理和优劣，最后总结并展望了土壤水分遥感监测方法的发展趋势。 关键词：土壤水分；遥感；综述；进展 ００Ｉ：１ ０．５９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ６７１—６５９６．２０１ １．１ ５．０２０ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｓｏｉｌ，ａｎｄ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｃｈａｎｇｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｌａｒｇｅ ａｒｅａ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ，ｔｉｍｅｌｙ，ａｌｌ－Ｗｅａｔｈｅｒｌｙ，ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙ，ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｍａｋｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｓｓｉｂｌｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ｂｙ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｂｒｉｅｆｌｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｅｒｔｉａ ａｐｐｒｏａｃｈ，ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ｓｃｈｅｍｅ，Ａ Ｔ－ＮＤＶＩ ｓｐａｃｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｃｒｏｐ ｗａｔｅｒ ｄｅｆｉｃｉｔ ｉｎｄｅｘ ｍｅｔｈｏｄ，ｈｙｐｅｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｒｉｅｎｔａｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｂａｇ ｏｆ ｔｒｉｃｋｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｎ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｂｙ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｏｉ１ ｍｏｉｓｔｕｒｅ；Ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ；Ｓｕｍｍａｒｙ；Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｌ 引言 式中Ｐ为热惯量（Ｊｍ Ｋ Ｓ ）， 为热导率（Ｊｍ－ Ｓ Ｋ ）， 从全球范围看，旱灾已经成为影响面最广、造成经济 损失最大，坡认为是世界上最严重的自然灾害类型。我国 是一个干旱及早灾频繁发生的国家。随着社会经济的发展 和人口膨胀，我国水资源短缺现象日趋严重，在全球变暖 和干旱化的背景下，旱灾研究成为可持续发展的重大课 题。因此探讨一套客观、动态、实时的土壤水分监测方 法，对干旱抗灾减灾，国民经济和社会的可持续发展有十 分巨大的意义 。 Ｐ为土壤密度（Ｋｇｒｎ。）ｃ为比热（ＪＫｇ Ｋ。）。 在实际应用中，常用表观热惯量ＡＴＩ代替热惯量Ｐ：ＡＴ／： （１一Ａ）／ＡＴ，ＡＴ＝ 一 …式中丁ｍ 、 分别是一天最高、 最低温度，Ａ为全波段反照率。有了表观热惯量ＡＴＩ后，常用 线性经验公式计算土壤水分Ｗ，即Ｗ＝ａ ＡＴＩ＋ｂ。 国内开展土壤水分遥感监测试验研究大体上从八十年代 中期的“七・五”期间才开始起步。张向前等人（１９８４）利 用航空摄影数据第一次制作了国内热惯量图。隋等 （１９９０） 通过简化能量平衡方程，直接使用卫星资料推算 出一个表观热惯量，并以此量和土壤水分建立关系式来监测 旱情。张仁华（１９９１） 在热惯量模式的改进方面提出了一 个现实的克服显热的、潜热输送干扰的、适用于裸地的热惯 传统的土壤水分测定方法代表范围有限，数据的实时性较 差，动态性很难保证，人力财力消耗大，效率非常底，数 据的稳定性受站点和操作人员影响因素也较＿人，数据更新 也困难。而随着２Ｏ世纪６０年代以来遥感技术的兴起，利用 遥感监测土壤水分克服了以上的困难，取得巨大的成功。 遥感方法具有常规检测手段无法比拟的时效性和动态性， 同时遥感影像是整个面上的宏观反映，特别适合大范围实 时的干旱监测。遥感检测土壤水分的方法发展了很多，总 的来说分为光学遥感和微波遥感两个方面。 量模式，提高了表观热惯量估算的精度。张可慧等（２００２） 构造了不同深度土壤含水量和ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ的不同模型并对 精度进行了比较分析，建立了适合河北广大地区的土壤水分 遥感模型。刘振华等（２００６）考虑植被因素的影响，将热惯 ２ 光学遥感监测土壤水分 ２．１热惯量法 量模型的应用从裸土扩展到植被覆盖区，在植被覆盖区域使 用双层模型中的土壤能量平衡方程，同时在热传导的边界条 件中引入显热通量和潜热通量。 热惯量是土壤的＿。 种热特性，是引起土壤表层温度变 化的重要 素，影响一十壤温度日较差的大小。同时由于水 分有较大的热容量和热传导率使较湿的土壤具有较大的热 惯量，冈此上壤水分与土壤热惯量间有重要的联系。 土壤热惯量（ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｅｒｔｉａ）可表示为：Ｐ： 收稿日期：２０１ １一Ｏ３—１Ｏ修回日期：２０１ １一Ｏ３～２７ ２．２植被温度指数 植被指数与地面温度是描述土地覆盖类型特征的两个重 要参数，与土壤水分含量密切相关，两种数据的合理融合能 使地表信息更加丰富，更有利于反映土壤的水分状况。 ． 作者简介：宋炜【１９８３一），男，江西樟树籍，研究生，助理工程师，研究方向为遥感应用。 ４２ ｒ＿］ 垄 Ｓａｎｄｈｏｌｔ等 利用简化的ＴＳ—ＮＤＶＩ特征空间提出了温 数之间的数学关系。土壤的介电常数的变化反映了土壤水分 含量的变化。但通常遥感器不能直接测得土壤的介电常数， 而是获得土壤的后向散射系数。对于粗糙表面的散射的研究 主要有几何光学模型（ＧＯ）、物理光学模型（ＰＯＭ）、小波扰动 模型（ＳＰＭ）。这些模型各有各的适应范围，其中几何光学模 型和物理光学模型都是基于基尔霍夫模型，只是前者是在驻 留相位近似下得到的，后者是在标量的近似下得到的。基尔 霍夫模型要求地表相关长度大于～个电磁波波长。而小波扰 度植被干旱指数ＴＶＤＩ概念，表示为：ＴＶＤ１＝≠、＿ 。 ，式中 ｍｍ为ＮＤＶＩ对应的最低表面温度，对应着Ｔ—ＮＤＶＩ特征空间 为ＮＤＶＩ对应的最高表面温度，对应着Ｔ—ＮＤＶＩ特 的湿边， 征空间的干边。 国内学者在此基础上也做了大量的研究。刘良云等 （２００２）利用Ｔｓ与ＮＤＶＩ关系进行地物分类，提取了植被覆 盖和土壤湿度的信息；齐述华等（２００３）利用ＡＶＨＲＲ数据 通过建立Ｔｓ—ＮＤＶＩ特征空间研究全国干旱分布。 ２．３作物缺水指数 作物缺水指数（ＣＷＳＩ）的最初提出主要是建立于能量平 衡基础上，是以植物叶冠表面温度和周围空气温度的测量 值，以及太阳净辐射的估算值计算的，实质上反映出植物 蒸腾与最大可能蒸发的比值。作物缺水指数ＣＷＳＩ定义 为： ＣＷＳＩ＝１一 印，式中ＣＷＳＩ为作物缺水指数，Ｅ为实际蒸散， Ｅｐ为潜在蒸散。 我国学者也对作物缺水指数展开了积极的研究，张仁 华是国内最早研究使用红外遥感信息反映作物缺水状况的 学者，通过对Ｊａｃｋｏｎ的ＣＷＳＩ理论模式的研究，认为遥感面 与作物冠层的饱和水气面不重合，并重新定义了潜在蒸 发，建立了一个作物缺水的微气象模式；田国良等在河南 省北部利用ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ图像和各气象站资料，根据作物 缺水指数半定量给出了土壤旱情分布图；申广荣等以 ＧＩＳ为工具实现图像、图形、数据一体化处理，用作物缺 水指数实现了黄淮海平原旱情监测。 ２．４高光谱法 高光谱遥感技术具有高光谱分辨率的特点，能够提供 连续的反射光谱曲线，而连续的反射光谱曲线可以表现出 地物的细微变化。光谱微分技术处理“连续”的光谱是遥 感中常用的数学方法，高光谱分辨率微分光谱在遥感中很 有应用潜力。 在太阳光谱范围（３８Ｏ～２５００ｎｍ）的光谱反射信息也 能够用于估算土壤表层水分。随土壤水分的增加土壤光谱 反射率在整个波长范围内降低，尤其在７６０，９７０，１１９０， １４５０，１９４０和２９５０ｎｍ等水分吸收波段。土壤水分含量与水 分在吸收波段的吸收强度之间具有很好的线性关系。通过 选择最佳波段运用相对反射率、微分光谱、差分等方法， 对土壤水分进行定量反演，可以取得了较好的精度。 ３ 微波遥感监测土壤水分研究 人们发现土壤的介电特性明显地依赖于土壤的水分变 化，水的介电常数大约为８Ｏ，而干土仅为３，随着土壤水 分的增加土壤介电常数也将增大。微波遥感监测土壤水分 是目前研究最多的监测土壤水分方法。具有全天时、全天 候、多极化和对植被及土壤有一定的穿透能力等特点。由 于植被对微波信号造成较大干扰，一般对有植被覆盖区和 裸土区分开研究。 ３．１裸地的微波遥感监测方法 在裸地进行微波遥感监测土壤水分的理论依据是，其 后向散射系数主要受到土壤的介电常数和土壤粗糙度的影 响。微波遥感模型旨在建立电磁参数与地表物理和几何参 动模型是针对当表面相关长度小于波长时提出来的。由于实 际地表是连续的，上述模型都不能很好地描述地表的真实状 态。近些年，人们意识到ｓＰＭ，ＰＯＭ以及ＧＯ模型在粗糙度方面 部有一定的局限性。自然地表的真实状况超越了这些模型粗 糙度的范围。近年来，随着雷达传感器和极化技术的发展， 通过多模式（多波段、多极化、可变入射角）地表散射计数 据分析雷达后向散射系数与频率、极化、入射角及地表参数 （介电常数、表面均方根高度、相关长度）问的相关关系， 发展了～些极化雷达 时反演介电常数和地表粗糙度的经验 模型，ＯＨＯｈ模型、Ｄｕｂｏｉ ｓ模型和Ｓｈｉ模型，这些模型主要适 用于裸露地表区域。 ３．２植被覆盖区的微波遥感方法 植被对主动微波的影响主要是吸收和散射到达冠层的微 波信号。吸收主要是由于植被本身所含的水分，而植被的散 射则受以下几个因子的影响： （１）植被本身的介电常数， 它决定于植被的含水量。 （２）冠层中散射体的尺度大小及 分布。 （３）冠层中散射体的几何形状及分布。 （４）冠层中 散射体的取向及分布。 （５）植被冠层的几何形状，包括植 被的行向和间距、郁闭度等。 （６）植被底层土壤的粗糙度 和介电常数。 现有的植被散射模型较多，比较有代表性的有以下几 种。 ５．２．１经验模型 在～定程度上，在特定的波长、入射角、极化方式和特 定的植被环境下后向散射系数会随着土壤湿度的增加而增 加。这是建立经验模型的理论基础。 经验模型建立简单方便，具有较高的精度，但是所建立 的模型往往只实用于特定植被类型和特定植被生长期，在很 大程度上模型质量还依赖于所获取的数据质量。要建立广泛 适用于不同植被条件的散射模型，弄清影响植被散射的主导 因子，还有赖于各种理论模型的建立和分析。 ５．２．２理论模型和一些半经验模型 经过近儿十年来国内外学者不断的研究，人们建立了许 多植被散射理论模型。Ｋａｒａｍ Ｍ Ａ和Ｆｕｎｇ Ａ Ｋ根据辐射传输 模型建立的植被散射模型中，植被被当作具有圆盘状散射体 的随机介质，网盘的取向是随机的，并且考虑了因为圆盘取 向的不同而引起的散射场极化方式的变化；Ｅｏｍ Ｈ Ｊ等以针 状粒子为散射体建立了针叶植被的散射模型，在模型中考虑 了针状粒子取向对于后向散射系数的影响，认为后向散射系 数随入射角的变化丰要取决于针状粒子的取向；ＦＵＮＧ Ａ Ｋ等 在建立模型时考虑了散射体处于Ｆｒｅｓｎｅｌ区域的作用，结果 表明Ｆｒｅｓｎｅｌ作用能够使圆盘状叶子的后向散射系数减小， （下转第７４页） ４３ 中国西部科技 ２０１ １年０５月（上旬）第１０卷第１３期总第２４６期 ２．１档案的收集工作 档案的收集工作是档案工作中一项性较强的工 作，学校的档案绝大多数是接收上级党政领导机关的 法令汇编、文件、党刊、公报以及各部门送交上来的各种 材料，档案的来源是分散的，档案材料牵扯到各个部门各 种工作，可以说千头万绪，并不是每个部门、每个工作人 员都能及时全面地送交，这就需要档案工作人员的工作要 效的保管措施才行，例如库房内的温湿度，光度的适时调节 问题，虫害的防治问题，天气的变化等等，尤其是学校的档 案库，每年都有较长时间的假期，特别是天气变化较大的暑 假，这就要求档案工作人员除定期检查库房情况外，还应注 意阴雨天气对库房的影响，做到随时检查以便发现问题及时 处理，以确保档案材料的安全，没有很强的责任心是绝对不 行的。 更加主动细致才行。每天都应该关注各部门日常工作、活 动情况，检查有否遗漏的材料，以便及时催要，这就要求 ２．４档案的效能发挥 档案不仅仅是保管的，它们本身就是宝贵的资源，收 集、保管只是手段，合理开发利用才是目的。档案工作人员 应积极配合各部门充分地开发利用，充分合理地利用档案材 档案工作人员应不断提高政治水平，加强观念，注意 工作方法，具有不厌其烦、细致入微的态度和方式，才能 确保档案收集的完整、及时。 料，为生产、工作服务。这就要求档案工作人员具有一定的 组织协调能力，做到既利用它们又能很妥善地处理相关地和 善后事宜，所以档案工作人员应经常注意学习相关法律、法 ２．２档案的整理分类 档案必须按全宗接收和管理，这是我国档案管理工作 的一条原则，在同一个时期内又要根据性质相近或有密切 联系的全宗所构成的全宗群按一定规律和原则进行登记、 律，这样才能得心应手，使档案材料发挥它们的具体效用。 以上几项工作任何环节和内容都需要高度的责任心和主 观能动性，只有具备这种高度的责任心才能做好档案工作。 这是笔者多年从事学校档案工作的深切体会。因此，要使学 校档案工作水平不断提升和突破，就要树立牢固的责任心， 加强学习，更新理念，改革创新，为实现学校档案管理工作 的科学化、规范化、现代化做出积极地贡献。 参考文献： ［１］王贞．档案展览交流应注意的问题，北京档案．２００９（９） 医学出版社，２００８． ［３］王英玮．关于档案本质属性的思考［Ｊ】．档案学通讯，２００１，（２） 编号、归类，以全宗为单位，根据档案的不同门类、载体 和保管期限分别排列。而要保证归类科学、规范，档案工 作人员必须具有良好的专业知识，精细、精心、精致的责 任心也是必不可少的客观因素。 ２．３档案的管存环境 存档相对来说比较容易，而保管就复杂得多，责任也大得 多。目前阶段的档案材料还是以纸质为主，因纸质材料本 勰一一一 ～一呲 一一一一～一一身的特点，保管起来当然不可掉以轻心。它们对库存环境 条件的要求也很多，并不是有了设计合理的库房，材料进 来就可以一劳永逸了。档案工作人员要制定一整套行之有 ［２］杨文秀，刘爱民．社区居民健康档案（试用）（第１版）［ｚ］．北京大学 馘 蠹 ＝ｊｌｉｌ＝ｌ＝巍 （上接第４ｊ页）而针叶的后向散射系数随着不同的极化方 式、入射角和频率增加或减小。 这些模型有共同的局限性： （１）假设植被冠层在水 平方向上是连续的。 （２）假设植被在垂直方向上的性质 是单一的，以及把植被的冠层与树干同样对待，从而忽略 了树干和地表之间的作用。 （３）冠层中散射体往往都具 有同样的大小、形状和介电常数。实际应用比较多的有 一～一 一 ～一～ 一 一 ～ ＭＩＭＩＣＳ模型、ＫＡＲＡＭ模型、水云模型、农作物模型等等。 ４ 结论与展望 虽然土壤及遥感工作者在土壤水分遥感领域研究取得 一系列的成果，并探索出了些可行的方法及途径，但是该 （１）目前对于裸露土壤一般采用热惯量法；植被覆 领域依然存在诸多问题，尚需不断探索与改进。 盖下采用植被指数法。但是，对裸露土壤、部分植被覆盖 和完全植被覆盖没有明确的界定，这就造成了操作的不确 定性。因此，今后的研究应向将热惯量模型推广到植被覆 盖情况，成为广义的热惯量。将基于植被指数的模型扩展 到裸露土壤情况，向广义植被指数模型方向发展，建立适 合植物生长各个时期的模型。 ７４
