国内外干旱遥感监测技术发展动态综述

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介路京选男陕西人教授级高级工程师主要从事技术在水利上的应用研究文章编号国内外干旱遥感监测技术发展动态综述路京选曲伟付俊娥中国水利水电科学研究院遥感技术应用中心北京摘要干旱是我国影响范围昀广和造成经济社会损失昀为严重的一种自然灾害干旱缺水已成为制约我国可持续发展的一个瓶颈及时发现干旱并准确预报旱情发展动态对抗旱减灾至关重要本文在简述国内外遥感技术总体发展态势基础上从干旱监测的遥感数据源开始系统地总结了目前国内外干旱遥感监测的主要方法以及发展状况包括土壤含水量的遥感反演法热惯量法冠层温度法植被指数法微波遥感法等提出了加强我国干旱遥感监测技术研究的建议以期推动我国干旱遥感监测的全面应用关键词干旱遥感监测土壤水分中图分类号文献标识码受特定的自然地理与气候条件所决定我国是世界上各种自然灾害频发且非常严重的国家之一其中以旱灾损失和影响昀为严重近些年来随着我国人口的不断增长和经济社会的快速发展干旱灾害日趋严重干旱发生的频率不断增强受旱的范围不断扩大局地性或区域性的干旱灾害几乎每年都会出现干旱灾害已不只发生在贫水区丰水区的干旱灾害事件也频繁发生影响的范围也不仅仅是农业和农村城市和生态也日益受到干旱灾害的困扰城乡居民饮用水安全粮食安全和生态环境安全受到严重威胁干旱现象相对于其他气象灾害更为复杂具有发展缓慢但影响范围广大的特点有气象干旱水文干旱和农业干旱之分及时准确掌握干旱发生的程度与范围成为有效应对干旱灾害的前提因此加强干旱灾害的监测与预测预报是增强抗旱工作主动性和提高防灾减灾能力的一个重要环节遥感技术以其独有的宏观快速大范围经济等优势从一开始就被应用于干旱监测中近年来国内外在利用遥感手段监测大范围干旱灾害方面取得长足进展并相继实现了不同程度的业务化运行本文在简单概述国内外遥感技术总体发展态势基础上从干旱监测的遥感数据源开始较为系统地总结了目前国内外干旱遥感监测的主要方法以期推动我国干旱遥感监测的全面应用国内外遥感技术总体发展态势自上世纪初莱特兄弟发明人类历史上第一架飞机起航空遥感就开始了它在军事上的应用此后在地质工程建设地图制图农业土地调查等方面得到了广泛应用人造卫星把遥感技术推向了全面发展和广泛应用的崭新阶段从年第一颗地球资源卫星发射升空以来美国法国俄罗斯欧空局日本印度中国等国家和地区都相继发射了众多对地观测卫星随着传感器技术航空航天技术和数据通讯技术的不断发展现代遥感技术已经进入一个能动态快速多平台多时相高分辨率地提供对地观测数据的新阶段光学传感器的发展进一步体现为高光谱分辨率和高空间分辨率特点光谱分辨率已达纳米级波段数已达数十甚至数百个目前的商用卫星空间分辨率已达分米级为协调时间分辨率和空间分辨率这对矛盾各种小卫星群计划正在成为现代遥感的另一发展趋势例如可用颗小卫星在内完成一次对地重复观测可获得优于的高分辨率影像除此之外机载和车载遥感平台以及超低空无人机等多平台的遥感技术与卫星遥感相结合使遥感应用更加多样遥感技术与空间科学电子科学地球科学计算机科学以及其他边缘学科交叉渗透相互融合已逐渐发展成为一门新型的地球空间信息科学按遥感仪器所选用的波谱性质遥感可分为电磁波遥感技术声纳遥感技术物理场如重力和磁力场遥感技术电磁波遥感技术是利用各种物体?物质反射或发射出不同特性的电磁波进行遥感的可分为可见光红外微波等遥感技术按照感测目标的能源来源不同遥感又可分为主动遥感技术和被动遥感技术两种按照记录信息的表现形式遥感还可分为图像方式和非图像方式两种按照遥感器使用平台的不同遥感一般又可分为航天航空与地面遥感技术按照遥感应用领域的不同遥感也可分为资源环境气象海洋遥感技术等遥感技术已经在陆地水资源土地资源植被资源地质城市海洋测绘考古环境调查监测和规划管理等方面得到广泛应用由于卫星遥感对自然界环境动态监测远较常规方法全面仔细精确且能获得全球自然环境动态变化的大量数据与图像对于研究区域性的水文过程乃至全球性的水循环水量平衡等重大水文课题更具有无可比拟的优越性卫星遥感技术能提供长期的动态情报帮助预报旱情融雪径流和暴雨洪水监测洪水动向调查洪水泛滥范围以及受涝面积和受灾程度等地理信息系统和遥感是一对不可分割的姐妹技术遥感一方面是地理信息系统中重要的信息源另一方面遥感调查中需要利用地理信息系统中的数据包括各种地图地面实测数据统计资料等来改善遥感数据的分类精度和制图精度地理信息系统是以地理空间数据库为基础对与空间相关的数据进行采集管理操作分析模拟和显示以技术数字流域技术水信息学技术等为核心的现代信息技术已经成为水利现代化的重要标志和发展趋势正在迅速而深远地影响和改变着相关专业人员的思维方式和工作模式水利工作已经离不开这些现代信息技术的支持干旱遥感监测的主要卫星数据及其特点旱情监测遥感数据源的选择主要是根据实用经济和需求精度等因素而定国内外应用昀广的是卫星目前在轨有颗空间分辨率大概在左右地面重复观测周期为该数据具有周期短时间序列长覆盖范围宽时效性强数据量小后处理方便以及成本低等优点缺点是空间分辨率与波谱分辨率低而且受云层覆盖的影响较大是美国新一代地球观测卫星扫描宽度达已投入业务运行的和两颗卫星分别于年底和年中发射星上所搭载的中等分辨率成像光谱仪是其昀有特色的仪器之一其免费接收的数据获取政策更使人们能够容易得到空间分辨率时间分辨率和包括个光谱通道的高光谱分辨率的卫星资料基于资料国内外许多科学家进行了干旱监测技术研究并已取得大量成果主动微波遥感是利用合成孔径雷达数据来反演土壤水分在国内外越来越受到重视所面临的主要问题是如何在模型中去除表面粗糙度的影响和在不同植被覆盖条件下建立土壤水分反演模型被动微波遥感监测陆地表面土壤水分含量的算法相对来说历史更长技术更为成熟除了和主动微波遥感一样具有全天候和全天时的优势之外被动微波遥感也不需要专门的能源装置具有仪器比较简单可运行在较高卫星轨道受地表粗糙度和地形影响相对要小重返周期短和适合大面积实时动态监测等优点是由日本国家空间发展局开发于年月日由美国宇航局卫星搭载发射的该传感器测量范围内个频率的亮温用微波辐射传递模型将地表地球物理变量和观测到的亮温联系起来实现土壤水分的反演以的空间分辨率观测土壤水分提供格网的重采样产品从年月日至今积累了大量的日观测数据欧洲航天局计划于近期发射土壤湿度和海洋盐度卫星其有效载荷将是历史上首次发射的星载综合孔径微波成像辐射计采用干涉式成像技术可实现土壤湿度的被动成像探测地面海面分辨率达到其波段穿透植被的能力比以前的传感器更强在反演植被覆盖地区的土壤水分方面具有更大的潜力国内外干旱遥感监测技术发展动态综述路京选曲伟付俊娥光学遥感的图像覆盖范围相对较广价格也较低但是容易受到天气条件影响微波遥感具有全天时和全天候的工作特征但图像价格较高此外传感器的重访周期对农业旱灾的遥感监测应用也十分重要较长的重访周期在一定程度上影响了农业旱灾监测中遥感数据源的选择由于每天可以至少获得研究区上空的次图像和是当前昀适合于农业旱灾遥感监测的卫星传感器采用光学和微波遥感相结合以提高土壤水分反演精度和效率将是未来旱灾遥感监测的重要发展方向土壤含水量的遥感反演方法土壤含水量的变化不仅导致土壤光谱反射特性的变化同时导致植被出现不同程度的生理适应反应从而使植被光谱特性发生变化土壤含水量又是一个集成了很多地表水文气象特征的环境指标是固体地表与大气之间的界面它不仅能够在大尺度上影响地气之间的相互作用更能够在中小尺度上起重要作用因此不仅成为干旱遥感监测的重要指标也是气象学水文学土壤学生态学等研究所关注的重要内容国外利用遥感技术监测土壤水分始于世纪年代末先后开展了土壤水分与光谱反射率的关系以及微波土壤水分反演方法的研究年代以后土壤水分遥感反演监测技术迅速发展出现了地面航空航天等多平台以及可见光近中远红外热红外和微波等多波段相结合的局面进入年代后遥感监测土壤水分与干旱的研究工作得到了全面而迅速的发展监测方法包括热惯量模式土壤水分光谱法能量平衡法和微波遥感等与国外相比我国对土壤水分遥感反演技术的研究起步相对较晚从世纪年代中期开始国内有学者首先从土壤水分对土壤反射光谱的影响开始进行了土壤水分遥感研究的前期工作年代以后我国土壤水分遥感反演的理论和应用迅速发展热惯量地表温度植被指数后向散射系数亮度温度等被用来作为指示因子建立了众多的土壤水分遥感反演模型光学遥感反演土壤水分包括射线技术可见光和近红外技术热红外技术种射线技术的基础是利用潮湿地区和干旱地区天然陆地辐射量存在的差异而可见光和近红外技术主要是通过测量地面对太阳辐射的反射来估计土壤含水量在应用过程中都不是特别有效热红外技术和微波技术比较常用前者的基础是测量日温变化后者的基础是测量土壤介电特性变化进而建立这些变化与土壤含水量的关系常见的热红外土壤水分反演方法包括热红外法热惯量法以及温度植被指数法种热红外法利用昼夜或白天不同时间下垫面温度变化可间接反应土壤水分的原理但只适用于裸土或者植被覆盖度低的地方热惯量法目前比较常用它认为土壤热惯量是土壤温度变化的一种内在因素控制着土壤的温度日较差可通过土壤温度日较差的遥感获取来反演土壤水分含量微波数据由于穿透能力强可以在有植被遮蔽的地方进行测量也可以在多云天气条件下进行测量在监测土壤水分方面的应用广泛研究表明利用微波方法探测其波长?厚度的土壤含水量时效果比较好波长越长穿透能力越强受植被覆盖度的影响也越小波长被认为是昀适宜监测土壤水分的波段近年来随着遥感技术发展的不断深入国内外开始利用高光谱遥感技术研究土壤水分和光谱间的规律以及寻找水分敏感波段对于土壤光谱做了大量的研究但在大面积土壤水分遥感反演应用上仍处于探索阶段随着高光谱遥感理论技术的不断成熟高光谱卫星系列计划的实现和应用的推广普及高光谱土壤水分遥感反演技术的巨大应用潜力将会得到进一步的体现土壤水分遥感反演的热惯量法热惯量是物质对温度变化热反应的一种量度反映了物质与周围环境能量交换的能力由于水的热惯量比土壤高因此含水量较高的土壤昼夜温差较小热惯量模型在遥感监测区域干旱中也得到了国内外干旱遥感监测技术发展动态综述路京选曲伟付俊娥广泛的应用但一般只适用于裸土或植被覆盖度比较低的地区所以有必要将热惯量和植被指数结合起来监测干旱利用表观热惯量和归一化植被指数建立空间计算表观热惯量植被干旱指数齐述华等人利用数据建立的温度植被干旱指数在应用于大区域干旱监测中取得了很好的效果并建立了温差植被干旱指数等人昀早应用了土壤热惯量模型但模型参数难以直接利用遥感手段获取根据地表热量平衡方程和热传导方程对模式进行了改进简化了潜热通量蒸发形式并引入了一个综合描述土壤辐射率与比湿及温度等气象要素的地表参量同时还根据能量平衡方程提出了表观热惯量法目前热惯量法研究中常用表观热惯量代替热惯量研究重点包括热惯量模式的解析表达式热惯量与土壤水分的统计模型以及温度植被指数法干旱遥感监测的冠层温度法以冠层温度为基础建立作物缺水指标的研究始于世纪年代初蒸散作用与能量和土壤水分含量关系密切能量较高和土壤水分供给充足时蒸散作用也较强冠层温度则处于较低状态等人以能量平衡原理为基础提出用作物缺水指数来反映植物蒸腾与昀大可能蒸腾的比值在较均一的环境下可以把与平均日蒸发量相关联作为植物根层土壤水分状况的估算指标蒸发蒸腾越小越大供水能力越差土壤越干旱用?可得到热红外温度它与日蒸散量有简单的线性关系而用热红外温度又可以计算出日平均温度并进而计算出蒸散发能力从而作出旱情分级针对仅适合于植被覆盖度高地区的不足等人用冠层能量平衡的单层模型将植被与土壤看为一个整体对提出的冠层气温差上限方程和下限方程进行了理论解释并基于能量平衡的阻抗模式提出了涉及诸多气象因素的理论模式提出农田蒸散的双层模型把地表覆盖分为植被层和土壤层在能量和温度上有所区分引入植被覆盖度变量实现了对部分植被覆盖地区旱情的监测等人对双层模型法加以改进提出植被指数温度梯形理论等人根据以上原理考虑变化因子是植被根区的相对蒸发量提出指数实验结果表明与降水量的多少一致在作物生长季节越高说明降水越不足植被根区的相对含水量也越少植被蒸腾状态与土壤水分供给之间存在密切关系使用修正