【毕业学位论文】（Word原稿）基于MODIS数据的大区域土壤水分遥感监测研究环境工程硕士论文

中国农业科学院硕士学位论文 I 密级 论文编号 中国农业科学院 硕士研究生学位论文 基于 据的大区域土壤水分遥感监测研究 O: 国农业科学院硕士学位论文 文 摘 要 土壤水分是作物生长的控制性因子之一 。大区域的土壤水分监测一直是学术界的一大难题。本文回顾了干旱的描述方法、常规的干旱指标、常用的干旱分级定等方法。传统的土壤水分监测方法只能采集到点和小范围的土壤水分信息，难以满足科学研究和政府部门对土壤水分客观、实时、大面积监测的需要，而采用遥感信息源结合地面调查数据的方法可以满足这些需要。本文 介绍了常用的遥感监测土壤水分的方法和研究进展。主要的方法有：热惯量法、微波法、热红外、距平植被指数法、植被供水指数法、植被缺水指数法、绿度指数法。各种遥感方法采用的原理不尽相同，各自的适用范围也不同。常用的遥感监测土壤水分采用 为信息源， 有 5 个波段，星下点空间分辨率为 替代、更新产品，拥有 36 个波段，最大空间分辨率 250m。 可比拟的优势，因此传统的基于 台遥感监测土壤水分的方法有必要转移 到 台上来，提高监测的精度。目前文献表明这方面的研究尚少，本文将做一个有益的探索。 本文将主要研究基于 热惯量法、植被供水指数法监测土壤水分。热惯量法主要适合裸露的土壤和作物生长的早期。植被供水指数法主要适用于作物生长的旺盛期，基本覆盖地面的时段。对于热惯量法采用 、 31、32 波段。植被供水指数法采用 1、 2、 31、 32 波段。结合地面气象站点实地测量的土壤水分数据来验证热惯量法和植被供水指数法的可靠性和精度。得出以下结论：感影像 监测大区域裸露土壤、作物生长早期和作物地表覆盖高时段的土壤水分是可行的。遥感监测的土壤水分与地面实测数据的拟和线性关系模型、指数模型、对数模型的拟和精度相差不大，为了计算方便一般采用线性模型。热惯量法监测土壤水分的最佳深度为 20于深层的土壤水分监测是无效的，或者说效果不明显，需要深入的研究。植被供水指数法也同样只适合表层土壤水分监测，并且精度较低。分别用直线、对数、指数模型对植被供水指数与土壤相对含水量进行拟和，各种模型在不同土壤深度，监测精度差别并不大。植被供水指数法监测土壤水分影响因素较多，需要 进一步研究各种条件下的稳定模型。讨论了近一步提高热惯量法和植被供水指数发监测精度的方向和需要注意的问题。 关键词： 土壤水分监测， 惯量法，植被供水指数法，反照度 中国农业科学院硕士学位论文 is of in is a in In we of of in to of of a or a to t of In of we of So we a to I t do it In a in is to is is by is in of is to is by In to to It Its to to of 00to t to of so we a to a to At we to a of we 中国农业科学院硕士学位论文 ey 录 第一章 前 言 . 1 究意义 . 1 情的概念和描述指标 . 1 用的干旱分等定级方法 . 2 规的旱情监测方法 . 5 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 . 6 感监测土壤水分主要 方法介绍及研究进展 . 6 惯量法原理与研究进展 . 6 波遥感法监测原理与进展 . 7 红外法原理与研究进展 . 8 平植被指数法原理与研究进展 . 8 被供水指数法原理与研究进展 . 9 物缺水指数法原理与研究进展 . 9 度指数法原理与研究进展 . 10 感监测土壤水分方法的比较 . 10 文研究方法的选择 . 11 第三章 基于 据的土壤水分监测方法研究 . 12 究内容 . 12 究方法 . 12 惯量的计算方法 . 12 被供水指数的计算方法 . 13 键参数的反演 . 13 术路线 . 17 究区域 . 19 据的获取和处理 . 20 壤水分实测 数据 . 20 感数据获取与处理 . 21 中国农业科学院硕士学位论文 V 第四章 结果与讨论 . 24 惯量模型的计算结果 . 24 被供水指数模型的计算结果 . 37 论 . 46 论 . 46 参考文献 . 48 致谢 . 52 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 前言 1 第一章 前 言 究意义 水是人类赖以生存和可持续发展最重要的物质基础，具有不可替代性。水资源短缺是由其总量的有限性和分布的不均匀性所决定。从总量上看，基于庞大的人口基数，目前我国的人均水资源占有量为 2200相当于世界人均占有量的 1 4，居 世界第 109 位，每公顷耕地水资源占有量约 21260相当于世界耕地平均占有水量的 1 2。到 21 世纪中叶我国总人口将达到 16 亿 ，人均水资源占有量将降至 1600 1700需关系更趋紧张。从水资源的地域分布来看，我国位处东亚季风区，幅员广袤、地形复杂，气候多样。从天然降水角度看，各地年平均降水量极为悬殊、差异巨大，受各地经济发展水平的限制，工业用水重复利用率参差不齐，城镇居民用水拮据和浪费并存，作为用水大户的农业，由于各地生产侧重点和农艺习惯不同，水资源利用效率和对缺水的耐受能力差别很大 。内陆大部分地区受大陆性季风气候控制，各年之间季风环流状况的不稳定性，体现在降雨量年际、年内变化很大，有限的降水也多集中在春末、夏季及初秋，造成水资源时间分配上的不均匀。水资源的空间分布也极不均匀，如：长江以北人口占全国人口的 耕地面积占全国面积的 43%，而水资源量仅占全国的 华北地区人口占全国人口的 耕地面积占全国面的 而水资源量只占全国的 水荒矛盾最为突出，干旱与水资源短缺是我国将长期面对的难题（李纪人等， 2002）。 我国水资源总量上的不丰富与时空分布上的 不均匀就决定了我国大范围干旱的频繁发生。据不完全统计，我国较大的干旱灾害平均每两年发生一次， 1949 年以后，平均每年受灾面积达到 30321 万亩，占全国各种气候灾害总面积的 干旱已成为制约我国农业生产和经济发展的主要因素。 而且土壤水分是土壤的重要组成部分，也是作物生长的控制性因子之一。土壤中很多化学、生物和物理过程所必须的因素。土壤水分对地表的众多物理过程起着重要作用，如水分平衡、能量平衡和作物的产量等（王鹏新， 2001）。 土壤水分也是气象学、土壤学、水文学、生态学等领域所关注和研究的重要内容之 一。土壤水分的宏观、动态分布规律对于许多学科的研究有积极的意义（裴浩等， 1999）。 因此在大区域尺度上探讨一套客观、动态、实时、准确的土壤水分监测方法，对于各级政府和领导及时了解旱情程度和分布，采取有效的防、抗旱措施，科学的指挥农业生长，具有重要的现实意义。 情的概念和描述指标 干旱是降水时空分布不均长时间缺乏降雨而形成的气象现象。农业干旱是指：作物生长过程中因供水不足，阻碍作物的正常生长而发生的水量供应不足现象，即土壤含水量降中国农业科学院硕士学位论文 第一章 前言 2 低到影响农作物的正常生长发育。干旱的发生并不完全取决于降水 ,它还与地形、土壤、植被等条件有关。 对干旱的监测，常规的方法是采用地面观测作物、植物由于供水不足导致生长状况受到抑制的状况，并加以定性描述。同时也采用测定相应状况下土壤含水率的方法给予定量描述。 干旱统计时间周期一般采用农业年，在北半球的我国，将上年的 9 月至本年 8 月称为一个农业年。统计时段通常采用春、夏、秋、冬日历季。结合实际情况在一个季节内再以“早、初、晚、伏”等描述。 干旱的描述与评估分实时评估和延时评估两类。实时评估是对当前农作物生长阶段受旱状况做出及时具体的评估，目的在于提供 旱情信息，以便及时采取抗旱措施消除旱灾指导农牧业生产。延时评估是对农作物或植物部分或整个生长期内的受旱过程进行的事后评估，借此分析自然和社会的影响因素，掌握干旱及其形成和演变的基本规律，为更长周期的防旱减灾提供信息依据和经验积累。两者相辅相成，互为补充。 干旱指标 (指数 )是旱情描述的数值表达。干旱等级就是将不同干旱指标转化为可以公度的用以衡量旱情严重程度的定量分级，是不可以公度的干旱指标的归一化表征。他们都效能不同地起着量度、对比和综合分析旱情的作用。干旱的观测角度不同，相应的指标也有所差别。一般有 以下几个方面。 （ 1） 气象干旱指标 采用气象上的指标对生长某一阶段的降水、蒸发情况给予描述，如：降水距平、无雨 日数和降水与蒸发的比值等。这些指标反映了该时段作物或植物的气象环境。 （ 2） 水文干旱指标 采用河川径流、地下水低于一定供水阈值的历时和亏缺量等水文特征值给予描述。 （ 3） 农业干旱指标 由于不同受旱对象在不同生长阶段的耐旱特性相差极为悬殊，仅仅描述旱情对受旱作物或植物的影响状况固然重要，但为了更好地定量予以描述，在农业上通常用墒情特征描述干旱，将当前土壤实际含水率与作物 生长适宜含水率进行比较，得出干旱的严重程度。土壤含水量有两种度量方法：一是重量含水率，即单位重量土样中的含水量；另一种是体积含水率，即单位体积土样中的含水量。两者可以通过土壤的容重给予转换。 用的干旱分等定级方法 史料记载灾情确定干旱等级 将 1、 2 级定为涝级， 3 级为正常， 4、 5 级为干旱。 4 级干旱一般指单季、单月成灾较轻的干旱和局地干旱； 5 级是指持续时间长，影响范围大和灾情严重的干旱，判断干旱与否及程度的参照依据是多年平均状况。 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 前言 3 降水量距平确定干旱等级 依 据站点或地区相应的年或 5 9 月的面平均降水量，按下式确定干旱等级。 对 4 级干旱则有： 1 . 1 7 0 . 3 3 P 对 5 级干旱则有： 1 式中： P 、 年 (或 5 9 月 )降水量、多年平均降水量和多年降水量标准差。 1 个月降水量较往常偏少 8 成以上为干旱 ， 1 个月无降水为重旱；连续 2 个月降水量偏少 5 8 成为干旱，偏少 8 成以上重旱；连续 3 个月降水量偏少 3 5 成为干旱；偏少 5 成为重旱。 春季（ 4 月 5 月上旬）降水量 80%为湿润。在春播、夏播、秋播期间表层干 土层厚度 5然这种标准是有生物物理基础的。 物需水亏缺百分比率（指标 作物需水亏缺百分率： 1 0 0 %作物需水量降水量 作物需水量 重旱。几种主要作物需水量见下表： 表 几种主要作物的不同生育期需水量（ in of 小麦 夏玉米 春玉米 棉花 生育期 需水期 生育期 需水期 生育期 需水期 生育期 需水期 播种越冬 种出苗 18种出苗 12苗现蕾 60冬反青 苗拔节 45苗拔节 65蕾开花 70青拔节 节抽雄 70节抽雄 110花吐絮 250节 开花 雄灌浆 80雄灌浆 50絮以后 70花成熟 浆成熟 80浆成熟 121生育期 450生育期 生育期 300生育期 375 中国农业科学院硕士学位论文 第一章 前言 5 规的旱情监测方法 传统的土壤水分监测方法，主要是根据有限的土壤水分测量站点测定作物、植物由于供水不足导致生长状况受到抑制的状态，并加以定性的描述。同时采用测量相应状况下土壤含水量的方法给予定 量的描述。经典的土壤水分测量方法主要有称重法、土壤湿度计法、负压计法、蒸渗法、中子水分探测法、电阻法、 （时域反射）等。虽然它们测定的多个土层深度，精确性较高，但是测点稀疏，代表的范围有限，数据收集实效性差，不能保证同步性。在宏观大区域尺度上土壤水分监测速度慢而且花费大量的人力物力，监测范围有限，只能以点的数据代替面的数据。所有这些都不利于有关部门及时准确的掌握大范围的土壤水分情况。土壤水分监测的精度对于农业、植被生长监测、气候和天气预报、径流预报等领域的研究需要也有很大的影响。传统方法难以满足实时、 大范围监测的需要。随着遥感技术的发展，多时相、多光谱、高光谱遥感数据反映了大面积的地表信息，这些信息从定位、定量方面能够反映出土壤水分状况。 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 6 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 国内外对遥感监测土壤水分方法做了大量的研究。遥感监测土壤水分有很多种方法，主要的遥感监测土壤水分的方法有：热惯量法、微波遥感法（主动微波遥感法、被动微波遥感法）、热红外法、距平植被指数法、植被供水指数法、作物缺水指数法、绿度指数法等。选择使用的遥感信息源不同，使用的 波段也不相同，各种方法有各自的范围和局限性。 感监测土壤水分主要方法介绍及研究进展 惯量法原理与研究进展 水有较大的热容量和热传导率使含水量较高的土壤具有较大的热惯量，热惯量也是土壤阻止温度变化的一个度量，它反映了土壤的热学特征。热惯量可由遥感监测地表土壤反射率和温度的变化得到。热惯量法是国内外研究较多的一种遥感监测土壤水分的方法。 国外： 人（ 1971,1974）最早应用了热模型 ； 1978 年热容量制图卫星（ 射成功，随后具有较高分辨率的 列 气象卫星相继投入使用，推动了土壤水分遥感监测方法的研究。 1977,1982,1985） 经过系统的研究，阐述了热惯量的遥感成像原理，提出了表观热惯量（概念，从而使采用卫星提供的可见光、近红外波段反射率和热红外辐射温度差来计算热惯量并估算出土壤水分成为可能。 人（ 1990,1992）提出了辐射亮度热惯量（ 的概念，且认为 国内：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。隋洪智等（ 1990） 等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（ 的，并以此量和土壤水分建立关系式来监测旱情；肖乾广等（ 1994）从土壤热性质出发，在求解热传导方程的基础上，引入“遥感土壤水分最大信息层”的概念，并以此理论建立多时相的综合土壤湿度统计模型；余涛（ 1997） 等通过改进求解土壤表层热惯量的方法，考虑了地表显热和潜热项，在试验的基础上确定一些模型参数，从而实现了利用 值进而反演土壤表层水分含量分布的目的；李杏朝（ 1996），陈怀亮（ 1997）， 在利用表观热惯量模型时，在 持下，对不同类型的地理样本或者土壤质地进行分析，消除土壤质地的影响，提高监测的精度。张可慧等（ 2002） 构造不同土壤深度土壤水分和 不同模型（回归和幂指数模型）。张仁华 1991 在热惯量模式的改进方面提出了一个现实的排除显热 的、潜热输送干扰的热惯量模型。喻光明 1994,1995 在阐述了渍害遥感识别的原理的基础上，分析了渍害土壤的热惯量变化规律，建立渍害遥感模型，并进行了应用性试验。我国在热惯量法研究取得的了一定的进展，但总体上仍处于试验阶段，还不能满足研究和业务化运行的需要。传统的热惯量法一般使用为遥感信息源，随着 列卫星的运行，有必要将传统的遥感监测方法转移到 台上来。目前还没有文献，显示使用 据 进行热惯量中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 7 法的研究，本文将做一个有益的探索。 波遥感 法监测原理与进展 土壤的介电特性明显地依赖于土壤含水量的变化，水的介电常数大约为 80，而干土仅为 3，它们之间具有较大的反差。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。微波遥感本身也是一个研究热点。微波遥感具有全天时、全天候、多极化和对植被及土壤表层有一定的穿透能力等特点。微波遥感监测土壤水分主要有被动微波法和主动微波法两种。主动微波法，应用 X 波段侧视雷达为主，方法主要是后向散射系数法；被动微波法，在植被覆盖区，微波辐射测量土壤湿度的有效采样深度为 2 5选择波长更具优越性。 20 世纪 80 年代 美国在执行“农业与资源航天遥感调查计划”中，从土壤表面粗糙度、土壤的介电常数对微波遥感土壤水分作了系统的研究，投入了大量人力物力，以被动微波遥感为主，基本使用车载和机载微波散射计或辐射计。旨在发展微波遥感土壤湿度算法，并研究其它的影响引子。 1997） 实施了南部大平原水文试验（ 核心目的之一是大尺度土壤湿度航空微波遥感制图。 动微波遥感监测土壤水分 被动微波遥感土壤湿度的最终目的是利用微波辐射计测的亮度温度反演土壤湿度。 70年代初， 亚历山大农田进行航空微 波辐射飞行试验，并同步观测了 0 15土壤水分。 （ 1974）对试验数据进行了分析，发现亮温 土壤水分（重量百分比）具有较好的线性关系。 O1985） 建立了标准化 体积百分比土壤水分之间的线性关系。 1985） 引入田间持水力 ，作为土壤湿度的一个指示因子，建立亮温与 间的线性关系。基于辐射传输方程的理论算法也得到发展和应用。 （ 1999）基于辐射传输方程，建立了 土壤水分等参数的非线性方程。理论算 法将成为今后微波遥感土壤水分算法发展的主流。 （ 1979） 、1981） 、 1986） 研究了地表粗糙度对土壤水分监测的影响。植被对土壤水分反演的影响也是不可忽视的因素，很多算法在植被密集时是无法使用。 1985） 、 1993）等、 1998）研究了植被对土壤水分监测的影响。 随着被动微波遥感土壤水分算法的进一步成熟，利用被动微波遥感对较大尺度的土壤水分进行制图的研究和试验也已经开展（ 999、 997）。 1997） 提出了一个基于 波数据的较实用的表层土壤水分指数。 继 、 后，装载在 2001 年和 2002 年发射的 卫星上的 和 承担起全球的被动微波监测任务。 波段的选择上继承了以往 3 种辐射计的优势波段，并且较大的提高了空间分辨率。利用 高的微波数据可以反演很多陆面参数，其中土壤湿度的卫星反演成为 主要目标之一。 动微波遥感监测土壤水分 大多数研究是依据统计的方法，通过试验数据的相关分析建立土壤湿度与后向散射系数中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 8 之间的经验函数，而以线性关系应用最普遍 993。主要研究雷达参数（频率、极化方式、入射角等）与土壤表面粗糙度和土壤纹理结构的关系。因此，从雷达数据获取土壤水分信息的一个最大问题是将土壤含水量的影响因子和其它的影响区分开来。 1982、 1993、 1998研究了线性关系的土壤水分和雷达参数的关系。 1981认为干的或饱和的 土壤，不适用线性关系，而是非线性的关系。粗糙度对微波遥感土壤水分的影响，主动微波大于被动微波 993。 1998、 1993考虑了粗糙度的影响进行了研究。 随着一系列携带主动微波传感器的卫星（ 列、 ）的发射升空，以及美国奋进号航天飞机的多次飞行试验获得大量的雷达图像及数据的应用，主动微波遥感土壤水分的研究将受到更广泛的重视。 国内李杏朝（ 1996）于 1994 年根据微波后向散射系数法，用 X 波段散射计测量土壤后向散射系数，与同步 获得的 X 波段、 化的机载 像一起，利用了一次用微波遥感监测土壤水分的试验，监测的相对误差仅为 12；田国良等（ 1995）利用 1987 年 11 月15 日在河南封丘取得的 X 波段机载合成孔径雷达（ 化）图像进行麦田土壤水分监测，分成 8 个不同水分等级。 红外法原理与研究进展 白天下垫面温度的空间分布能间接的放映土壤水分的分布，即下垫面温度高的，土壤含水少；下垫面温度低的，土壤含水量相对高。热红外法即是利用下垫面温度间接反演土壤水分。李杏朝（ 1996）利用 波段的资料，采用密度分割法 、日夜温差法等进行了旱情监测。罗秀陵等（ 1996）应用 波段亮温资料，结合地面气象、灾情等实时资料对四川省大面积旱情进行了监测。 热红外法虽然简单方便，但是下垫面性质复杂，温度的影响因子很多。热红外资料反演地面温度精度不高，相应的监测旱情精度也受到影响。 平植被指数法原理与研究进展 距平植被指数法是从植被的角度考虑。由于植被生长状况主要和水分相关（当光照、温度条件变化不大时，而且一般变化不大），水分供应量成为作物生长的关键因素，水分充足供应，植被生长良好，反之植被生长受到影响。此方 法是通过多年遥感资料，计算出常年旬平均植被指数，然后由当年植被指数与常年平均值比较，以此判断当年作物生长状况，进而对作物受旱程度做出判断。 距平植被指数 义为： A T N D V I T N D V I T N D V I （ ( ( ) )T N D V I M A X N D V T t （ 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 9 同旬各年的归一化植被指数的平均值； t 代表天数： t)是第 t 天的植被指数值； 当年该旬的植被指数，也是 10 天内最大的 。 范天锡认为该方法需要建立比较好的能代表正常年景的植被指数集，但卫星资料的存档不够长，还有资料定标问题，要取得正常年景数据集不易。 被供水指数法原理与研究进展 植被供水指数 （ 定义为： V W I T （ 2112C H C V I C H C H （ 其中： 植被的冠层温度， 归一化植被指数， 别为 1、 2 波段的反射率。 物理意义为：当植被供水正常时，卫星遥感的植被指数在一定 的生长期内保持在一定的范围，如果遇到干旱，植被供水不足，一方面植被的生长受到影响，卫星遥感的植被指数降低；另一方面当植被受旱时胁迫时，为减少水分损失，叶面气孔会不分关闭，导致叶面温度的增高，植被冠层温度升高。可以用 衡量。植被供水指数法仅适用于植被覆盖度高的地区， 值至少大于 于遥感反演冠层温度的困难性，暂时以反演的地表温度近似为植被的冠层温度。 刘丽等（ 1998,1999）利用 料建立植被供水植被法（ 测贵州省干旱模型，确定了 感图像上干旱指标和干旱面积 ，并与地面干旱指数确定的旱情作了比较，建立植被供水指数与地面干旱指数之间的回归方程。 物缺水指数法原理与研究进展 作物缺水指数法 （ 由 （ 1981）根据热量平衡原理提出的。 义为： * 1 ( ) / ( 1 )()c a c b h ca c b hr r r r W （ * 1 / ( ) c p a c b hr r r r （ 式中： 为干湿球常数（ 1，1），1），c 1）， 为饱和水汽压与温度关系的斜率，1）。 田国良等（ 1992）在河南省通过计算 利用 各气象站 5 50壤水分的关系进行土壤水分分布估算。李韵珠等（ 1995）根据邯郸地区大范围观测资料，对中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 10 小麦的作物干旱指数（ 土壤水分的关系进行了研究，并分析了 影响因素和在旱情监测中的实用性。申广荣等（ 1998）基于 术，用遥感图像、图形。数据为一体的 型监测黄淮海平原旱情。 在有植被覆盖的条件下，作物缺水指数法精度要高于热惯量法，但其计算复杂，一些要素依赖地面气象台站，实时性不能保证。 度指数法原理与研究进展 这种方法是利用卫星遥感影像获得植被绿度指数，比如：比值指数、归一化植被指数等，来估算土壤水分。这些方法简单易行，但是考虑的的因子过于简单，只反映了作物的生长状况，而水分只是影响绿度的一 个因子。普布次仁（ 1995）采用 1986 1991 年逐旬降水量和土壤湿度与归一化植被指数（ 相关分析，结果认为在中国，土壤水分与生长季外无明显相关性，应用植被绿度指数法监测土壤水分存在一定的难度。 感监测土壤水分方法的比较 （ 1）、遥感监测土壤水分方法适用范围不同：热惯量法适合监测裸地或植被生长早期，植被供水指数法适合植被覆盖度比较高的时段；微波遥感适用范围比较广，精度较高，且可以全天候、全天时使用，这是遥感监测土壤水分有可能最终解决的方法。但其成本很高，目前尚未进入实用阶段。 植被缺水指数法计算复杂，且需要地面气象台站提供参数，实时性不能保证；距平植被法需要多年累积数据集。热红外法，绿度指数法参数较少。 （ 2）、热惯量需要 12 小时昼夜两次晴空星下点的数据。卫星的轨道重合部分有限。加上云的影响，热惯量法监测受到影响，数据量偏少。 （ 3）、土壤水分遥感监测所采用的微波波段已基本确定，利用这些波段合成的各种效果较好的土壤水分遥感监测指数，为进一步提高土壤水分监测精度提高了可能性。微波遥感具有全天候、高精度等特点，是未来的土壤水分遥感监测发展方向。 （ 4）、由于土壤含水量与植被缺水的关系 取决土壤的物理参数及植被的生理特点。植物叶面气孔的开闭、土壤含水量存在滞后效应，光照强度以及作物种类、生产措施等因素的影响。这些因子均能干扰植被供水指数法的监测精度。再由于植物不同生长阶段有不同的植被指数，需要积累遥感资料，从而形成不同作物在不同生长阶段长势正常的植被指数，作为标准来比较。 （ 5） 、各种监测方法使用的范围不同，有必要使用多种方法相互配合使用，达到监测的目的。 （ 6）、土壤水分遥感监测在生产实际上的应用越来越受到重视。和其它灾害监测一样，将由试验研究向实用化、产业化迈进。 （ 7）、土壤水分监 测作为世界性的难题之一，除了理论上的一些局限外，在方法和应用上也存在一些有待深入的地方，还有一些用单一遥感方法难以解决的问题。随着研究的不断深入，特别是“ 3S”集成技术的发展，土壤水分遥感监测会达到实用要求。 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 遥感监测土壤水分的方法及研究进展 11 文研究方法的选择 本文主要研究热惯量法和植被供水指数法的土壤水分监测。主要监测农作物生长初期和作物完全覆盖地表的阶段。传统的遥感土壤水分监测研究主要是基于 台的，随着 感器的发射有必要转移到 台上来。 很多 可 比拟的优势。 技术指标比较参看第 3 章。 中国农业科学院硕士学位论文 第三章 基于 据的土壤水分监测方法研究 12 第三章 基于 据的土壤水分监测方法研究 究内容 本研究使用 像数据，利用自主开发的旱情监测软件结合通用遥感图像处理软件进行数据处理。运用多元统计分析方法建立表观热惯量、植被供水指数与土壤相对湿度的模型。研究我国北方地区河北 、 河南 、 安徽 、 山东 、 江苏、北京和天津全境 一定时期内（旬级）土壤水分监测、反演。目的是寻找借助遥感资料有效反演土壤水分的，监测土壤水分的方法，为农业部门、气象部门、林业、生态等研究者、决 策者、和生产者提供适时的土壤水分信息，以便及时制定改善田间管理和灾害防治的对策和措施。 究方法 惯量的计算方法 土壤热惯量是土壤的一种热特性，是引起土壤表层温度变化的内在因素之一，和土壤含水量密切相关，同时又影响着土壤温度日较差。热惯量定义为： (式中： P 为热惯量 ( 2/112 , 为热导率 ( 111 , 为土壤密度 ( 3, 11 。 引起土壤表层温度变化的外在因素是地表热量平衡： ( 为地表到大气的感热通量， 地表到大气的潜热通量， 为土壤的热通量。根据热传导方程，进行适当的简化，可求出的近似解析表达式： 1m a x m i 1 ) 0 . 9()S V A B E (式中 , 为太阳常数 , 为大气透明度 , 地表全波段反照率 , 1C 为太阳赤纬和经纬的函数 , 为地球自传频率 , 为地表综合参数 , 别代表地表最高与最低温度。土壤的热导率、土壤的密度、土壤的比热等特征的变化在一定条件下取决于土壤水分的变化，因此土壤热惯量和土壤水分含量之间存在一定的相关关系。事实证实在不同类型和不同深度的土壤含水量与相应的热惯量之间呈现极显著的相关性。这样通过分析土壤热惯量的变化可以达到监测土壤水分的目的。 中国农业科学院硕士学位论文 第三章 基于 据的土壤水分监测方法研究 13 为了计算方便 , 出了表观热惯