热红外遥感在农田环境水分监测中的应用进展

水是重要的自然资源。随着全球人口的大量增长，水资源变得越来越宝贵。农业用水是造成水资源短缺的主要因素之一，农业灌溉用水量占世界总用水量的70%左右［1-2］。目前全球水资源短缺形势的日益严峻，因此必须有效节约农业生产环节中的水资源消耗。此外，日益频发的农业干旱风险加重了农业用水的需求负担［3］。干旱环境下，农作物的水分蒸散量会增加，作物的灌溉用水需求会进一步升高。因此，及早地发现和监测农作物的水分胁迫情况是很重要的。利用遥感技术可以快速、有效地获得农作物种植区域的大面积影像数据，该技术具有重要的农业监测使用价值［4-6］。热红外遥感能探测远距离外的植被等地物所反射或辐射的红外信息，所拍摄的影像可以表征地面物体的性质、状态和变化规律［7］。热红外遥感在农业上的应用越来越广泛，主要应用在对土壤和植被水分的监测方面。

热红外遥感可测量物体表面发出的辐射并将其转换为温度。地球上的地物在自然环境中都会发生辐射。辐射量则是表面温度发射率的函数［8］。作物冠层温度通常与作物的蒸腾速率有关。大多数情况下土壤表面温度可用土壤水分含量和大气蒸发力的相关函数式表示［9］。因此，基于热红外遥感确定作物冠层温度，并将其作为量化作物水分胁迫的一种指标，在农业生产中尤其在农田灌溉管理决策中具有重要意义。此外，热红外遥感还可以量化土壤水分和土壤蒸散发状态。许多研究已经使用热红外遥感技术评估了多种农作物的水分胁迫状态［10-13］。另有一些研究指出，尽管热红外遥感能够提取作物水分胁迫的时空信息，但是在使用热红外遥感图像时必须考虑如下几个问题：图像的拍摄时间和空间分辨率、获取图像时的环境大气条件、热红外传感器的高度和视角、作物种类和作物生长期的变化［14-15］。

利用热红外遥感监测地表土壤水分含量对干旱预警具有重要意义。近些年来星载热红外遥感技术快速发展，可以实现对没有地面观测站点的区域进行大范围、快速的热辐射遥感观测。在此基础上，全球的主要空间机构提供了多种用于区域和全球尺度土壤水分观测的产品［16-18］。无人机遥感的快速兴起使得基于无人机平台搭载热红外传感器的土壤含水量监测研究成为热点。

1 热红外遥感监测农田土壤水分

土壤中水分的空间分布和时间动态性变化是影响生态圈生物多样性的主要因素。植物可以吸收来自土壤中的水分（植物可用土壤水）进行生理代谢过程。因此了解土壤在局部区域的水分迁移和循环对明确大气蒸发和植被蒸腾作用具有重要意义［19］。尤其是在农业生产中，保证作物生长期内水分的监测，对旱情预警、灌溉管理以及其他精细化管理意义重大，而运用红外线遥感技术能够很好地监测农田环境中土壤水分的变化情况。针对农田环境和作物生长期的不同情况，主要采用裸土土壤水分热红外遥感反演与植被覆盖下的农田土壤水分热红外遥感两大类方法进行土壤水分监测。

1.1 用于土壤水分遥感监测的热红外技术特点

目前，大多数研究认为，在对土壤系统内的水和能量通量进行监测和建模时，如何有效且充分地描述土壤水分的时空异质性是关键问题之一［20］。模型对土壤中水分和能量流通过程实现有效模拟的前提是获得关于较大尺度的土壤异质性和水分传输模式的先验知识。此外，土壤水分是研究水文和生物过程的关键变量［21］。土壤水分是该过程最重要的驱动因素，其作用大约占到生态系统多功能性变化的65%［22］。赵利君等研究发现，土壤水分含量增加促使草原环境下植物多样性的发展，另外计算了土壤水分的相对生态指标值，并发现不同类型的草地对放牧的反应差异很大［23］。草地类型从干旱型到湿润型不断变化，其对应的放牧效果也在呈不断增加的趋势。除此之外，自然环境中还存在着较为极端的环境条件，在该生态系统中，土壤水分和土壤碳物质的空间分布支配着土壤生物群落的分布。

传统的使用遥感技术监测土壤特征、水文特征以及土壤水分时空动态变化的方法主要分为2种：一种是直接监测土壤中没有植被或植被覆盖有限的区域，例如基于主动合成孔径雷达遥感的水分变化监测方法；另外一种是基于无源微波传感器或光学遥感数据对植被覆盖下的土壤水分进行间接观测，该方法使用植被特征替代土壤和土壤水分特征。对于间接测量土壤水分的方法，研究表明，使用光学热红外遥感技术可获得较好的观测结果。总的来说，目前已经出现的基于星载遥感数据的土壤水分监测产品在全球尺度下具有较高的监测精度，同时也得到了广泛应用。对于区域或田块尺度而言，由于现有的星载遥感数据大多不具备足够的时空分辨率，因此无法有效利用。然而，随着机载传感器和近地传感器的发展（例如具备一定穿透能力的雷达传感器的兴起），田块尺度下的土壤含水量监测成为可能［24］。

文章来源：《土壤》 网址: http://www.trqks.cn/qikandaodu/2021/0118/853.html