衛(wèi)星遙感技術(shù)在黑龍江省土壤墑情監(jiān)測中的應(yīng)用

湯 梁

（黑龍江省水旱災(zāi)害防御保障中心，哈爾濱 150000）

0 引 言

從古至今，干旱一直是導(dǎo)致糧食減產(chǎn)和水資源短缺的最主要因素，對糧食安全、生態(tài)安全、社會穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展都造成了一定影響。干旱災(zāi)害也是黑龍江省最主要的自然災(zāi)害之一，每年都給城鄉(xiāng)居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不同程度的影響，嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟的正常運行。特別是20 世紀(jì)90 年代以來，干旱災(zāi)害表現(xiàn)出頻次增高、范圍擴大、持續(xù)時間延長和災(zāi)害損失加重等特點。在干旱災(zāi)害防御工作中，土壤墑情的高低是判斷干旱的重要指標(biāo)之一，也是啟動應(yīng)急響應(yīng)開展各類抗旱行動的判別依據(jù)。當(dāng)前黑龍江省采取多種方式獲取土壤墑情數(shù)據(jù)，全方位做好土壤墑情監(jiān)測工作，及時掌握旱情發(fā)展變化，既堅持傳統(tǒng)的人工抗旱報表方法和氣象部門的人工取土測墑外，還通過衛(wèi)星遙感技術(shù)以及固定移動土壤墑情監(jiān)測儀器獲取墑情數(shù)據(jù)。但抗旱報表法和人工觀測法都存在時間滯后性、人工成本高、不便捷、不靈活等弊端，因此發(fā)展現(xiàn)代化的衛(wèi)星遙感技術(shù)和自動監(jiān)測技術(shù)是未來土壤墑情監(jiān)測的大勢所趨。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用

1.1 遙感監(jiān)測的定義

遙感監(jiān)測方法主要是利用氣象衛(wèi)星的熱通道資料來反演土壤的含水量，是一種大范圍的土壤墑情監(jiān)測方法。遙感監(jiān)測常用的方法有熱慣量法和作物缺水指數(shù)法等，前者主要用于裸露土壤或作物生長前期，后者雖可用于作物生長旺盛期，但其計算復(fù)雜，要求地面氣象因素較多，在實踐應(yīng)用中有較大困難[1]。

1.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)測方法是基于有限的測站通過人工進行的點監(jiān)測方式，一般通過人工獲取土樣，采用烘干法獲得少量的、有限的點上數(shù)據(jù)，例如目前黑龍江省氣象部門每旬僅能固定監(jiān)測齊齊哈爾、杜蒙、佳木斯、延壽、牡丹江等70 多個墑情站點數(shù)據(jù)，并以每一個站點數(shù)據(jù)代表一定面積的土壤墑情信息，以此來代表全省的土壤墑情情況。傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測在人力、物力、財力等因素的制約下，難以迅速而及時地獲得大面積的土壤墑情。衛(wèi)星遙感旱情監(jiān)測方法是面上的監(jiān)測，具有監(jiān)測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實時性強和業(yè)務(wù)應(yīng)用性好等特性，可有效彌補地面觀測系統(tǒng)成本高、空間覆蓋率低的觀測滯后的缺點，能夠為各級旱災(zāi)防御部門提供及時高效的決策支持服務(wù)[2]。因此，衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)在時間上、空間上、感官上都比傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測方法有著明顯的優(yōu)勢。

1.3 遙感監(jiān)測的劣勢

土壤墑情的遙感監(jiān)測主要采用可見光、近紅外、熱紅外及微波波段，基本原理是采用上述波段構(gòu)建有關(guān)指數(shù)，如植被指數(shù)、溫度指數(shù)等，建立這些指數(shù)與地面實測土壤水分之間的相關(guān)模型，通過模型反演得到土壤水分。模型的精度取決于相關(guān)指數(shù)對研究區(qū)土壤水分的耦合性，同時不同的遙感數(shù)據(jù)對土壤水分的耦合機理也不一樣，需要綜合考慮研究區(qū)土壤類型、作物種類、以及大氣水分及云覆蓋度等因素來選擇合適的數(shù)據(jù)[3]。這就造成我們需要對同一個研究區(qū)不同時段、不同種植結(jié)構(gòu)、不同溫度設(shè)置不同的反演參數(shù)模型以及大量的計算過程，導(dǎo)致了衛(wèi)星遙感技術(shù)計算任務(wù)重、適應(yīng)性差，同時由于衛(wèi)星遙感技術(shù)屬于高新技術(shù)領(lǐng)域，對于基層的抗旱工作者比較難于接受和理解以至于無法在基層大范圍推廣和使用。

1.4 遙感技術(shù)在黑龍江的應(yīng)用

黑龍江省基于衛(wèi)星遙感影像和地面土壤墑情數(shù)據(jù)，采用植被指數(shù)地表溫度多項式回歸模型，通過模型率定反演土壤含水量，實現(xiàn)黑龍江省耕地旱情監(jiān)測。模型采用MODIS 地表反射率產(chǎn)品(MOD09GA)、地表溫度(MOD11_L2)等數(shù)據(jù)以得到地表溫度（LST）和植被指數(shù)（NDVI）等遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品?；谛l(wèi)星遙感影像和土壤墑情數(shù)據(jù)，采用地表溫度植被指數(shù)多項式監(jiān)測模型，按土壤類型、分期進行模型率定，基于模型率定系數(shù)，利用植被指數(shù)、地表溫度遙感圖像反演土壤含水量，并對異常值、非耕地進行處理，得到土壤含水量分布圖?；谕寥篮窟b感監(jiān)測結(jié)果實現(xiàn)旱情等級圖生成、旱情專題圖制作、旱情報告制作等，得到旱情專題產(chǎn)品，展示了具體旱情監(jiān)測成果。

2 土壤墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 自動監(jiān)測系統(tǒng)

自動土壤墑情監(jiān)測是利用頻率發(fā)射法原理來測定土壤含水量的自動化方法，儀器安裝并進行標(biāo)定后開始監(jiān)測土壤墑情數(shù)據(jù)。自動墑情監(jiān)測儀器的標(biāo)定原理是將人工取土烘干法獲得的土壤含水量與實測的傳感器頻率值進行比較分析，建立土壤含水量與測定頻率之間的關(guān)系[4]。

2.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢

建設(shè)自動墑情監(jiān)測系統(tǒng)，要合理布設(shè)監(jiān)測站點，選擇合格的監(jiān)測儀器，按照規(guī)程施工，委派技術(shù)水平高、工作能力強，具有強烈責(zé)任心的工作人員使用、維修、養(yǎng)護，才能夠及時準(zhǔn)確獲得接近于實際情況、客觀的土壤墑情數(shù)據(jù)，才可以大大發(fā)揮自動墑情監(jiān)測站省時、省力、監(jiān)測頻率高、監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)的優(yōu)點。

2.3 自動監(jiān)測系統(tǒng)的劣勢

人工墑情站或是自動墑情站都是對某一個點或者某一個小區(qū)域進行監(jiān)測，嚴(yán)格意義上講干旱災(zāi)害不能用幾個點來表示一個區(qū)域的干旱，這是墑情監(jiān)測站先天性的缺陷。在國家防汛抗旱一期工程、二期工程，以及未來的自動化、信息化建設(shè)大背景下，自動墑情監(jiān)測站的數(shù)量會越來越多，會造成維修養(yǎng)護費用高、征地問題越來越突出，最終把省人力變成耗人力，把低成本變成了高耗能。由于黑龍江省處于高緯度地區(qū)，低溫、土壤種類、種植結(jié)構(gòu)等因素影響自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性，影響了墑情自動監(jiān)測系統(tǒng)效能和作用的發(fā)揮。

2.4 自動監(jiān)測系統(tǒng)在黑龍江省的應(yīng)用

為了在全國范圍內(nèi)發(fā)揮國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)的作用，積極應(yīng)對各種抗旱應(yīng)急事件，特別是加快重點易旱地區(qū)的抗旱管理系統(tǒng)建設(shè)，促進經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展，2003 年和2013 年，國家分別開展了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程和二期工程建設(shè)，黑龍江省分別在哈爾濱、齊齊哈爾、黑河、大慶、佳木斯、牡丹江、七臺河、伊春、鶴崗等72 個地方設(shè)置了固定墑情自動監(jiān)測站，為開展全省自動墑情監(jiān)測打開了新的局面。

3 思考與建議

3.1 多渠道監(jiān)測旱情發(fā)展變化

衛(wèi)星遙感監(jiān)測和自動土壤墑情系統(tǒng)等現(xiàn)代科技監(jiān)測手段雖然可以快速獲取土壤墑情信息，但是我們依然不能放棄傳統(tǒng)土壤墑情的獲取方式。氣象、水文部門依然要堅持采取烘干法獲取土壤墑情；旱災(zāi)防御部門要堅持貫穿國家、省、市、縣的農(nóng)業(yè)災(zāi)情報表統(tǒng)計制度；要發(fā)揮從空中俯瞰旱情的衛(wèi)星遙感優(yōu)勢，也要發(fā)揮自動監(jiān)測系統(tǒng)定期、定時的土壤信息自動采集作用。期盼通過任何單一的監(jiān)測手段就獲取全面、穩(wěn)定、持續(xù)、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)都是不現(xiàn)實的想法，最終我們要建立多渠道、立體化旱災(zāi)監(jiān)測體系，為各級旱災(zāi)防御工作提供決策支撐。

3.2 建立多維度旱情預(yù)警指標(biāo)

監(jiān)測和預(yù)報預(yù)警旱情的發(fā)展變化，從來不會是僅憑單一的受旱面積或者土壤墑情就可以做出最后的判斷，應(yīng)該是建立一個整套旱情評價預(yù)警指標(biāo)。當(dāng)前黑龍江省在各時段尤其是春季和夏伏季旱情易發(fā)的前后，均要密切關(guān)注降水情況、江河來水情況、水庫蓄水情況、土壤墑情情況、地下水情況、氣溫情況、各地受旱面積情況。收集相關(guān)旱情情況后要及時組織相關(guān)部門、相關(guān)人員召開會商研判，確定旱情發(fā)生和影響的程度，謀定下一步可以采取的措施。目前，國家正在穩(wěn)步推進全國旱警水位（流量）確定工作，黑龍江省在2022 年已開展9 處，松遼委已開展3 處的基礎(chǔ)上，將在未來的幾年中陸續(xù)開展更多的旱警水位（流量）設(shè)置工作，這項工作在未來也將建立旱警水位（流量）監(jiān)測體系，并作為判別和啟動應(yīng)急響應(yīng)的重要條件。

3.3 加大現(xiàn)代監(jiān)測手段投入力度

雖然經(jīng)過國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程和二期工程的建設(shè)，但水利部門在抗旱減災(zāi)工作中仍然存在旱情信息來源少、監(jiān)測技術(shù)手段落后、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、自動化程度偏低等問題，土壤墑情的獲取依然依靠水利系統(tǒng)逐級的抗旱報表統(tǒng)計和氣象部門的人工土壤墑情測定，抗旱工作仍面臨著諸多壓力與挑戰(zhàn)。為適應(yīng)未來的旱災(zāi)防御工作，要建設(shè)全要素動態(tài)感知的水利監(jiān)測體系、高速泛在的水利信息網(wǎng)絡(luò)、高度集成的水利大數(shù)據(jù)中心，以大幅提升水利信息化、智能化水平，全方位推進智慧水利建設(shè)。對于土壤墑情監(jiān)測的業(yè)務(wù)需要，應(yīng)大力推廣衛(wèi)星遙感和自動墑情監(jiān)測站的應(yīng)用，建立一套高效、快速、準(zhǔn)確的土壤墑情自動測報體系。

3.4 增強各類監(jiān)測方法準(zhǔn)確性

由于各類土壤墑情監(jiān)測方法的原理不同，影響監(jiān)測結(jié)果的因素也不盡相同。目前比較來看，人工取土烘干法測定土壤墑情得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，一般用來校核自動墑情站的相關(guān)參數(shù)，但是即使是人工測定方法也需要操作人員嚴(yán)格按照操作規(guī)程執(zhí)行，擁有強烈的責(zé)任心和敬業(yè)精神。對于種類繁多的現(xiàn)代監(jiān)測手段，如衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)由于其需要對不同區(qū)域、不同時段、不同植物均要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，適應(yīng)性不高，因此需要工作人員對具體監(jiān)測區(qū)域的基本農(nóng)情、水情熟練掌握并及時更新參數(shù)設(shè)置以確保反演數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；對于自動墑情監(jiān)測站要獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，首先要選擇合格的監(jiān)測儀器并推薦使用插管式土壤墑情監(jiān)測儀器，要建立墑情站建設(shè)、安裝、使用、維護、養(yǎng)護、資金、人員等一整套管理制度，以確保墑情站的正常運行。

4 結(jié) 語

土壤墑情監(jiān)測工作只有在堅持科技創(chuàng)新，堅持科技前沿，堅持先進技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，堅持創(chuàng)新人才隊伍建設(shè)，美好的水利科技前景才能出現(xiàn)。掌握更多、更準(zhǔn)的土壤墑情信息，可以更加有計劃地利用水資源，優(yōu)化農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，減少水資源浪費，提高水資源利用效率。旱災(zāi)防御部門也可以掌握旱情的發(fā)展變化，及時啟動抗旱預(yù)案，科學(xué)開展抗旱行動，減少因旱災(zāi)造成的損失。因此開展土壤墑情監(jiān)測工作是一項功在當(dāng)代利在千秋的偉業(yè)，是實現(xiàn)中國式現(xiàn)代化、水利行業(yè)現(xiàn)代化的一項重要工作，是每一位與水利、農(nóng)業(yè)、氣象相關(guān)的人員均值得堅持和奉獻的基礎(chǔ)事業(yè)。