土壤水分卫星遥感反演方法研究进展

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-04-0637

摘要/Abstract

摘要：

在全球变暖背景下，土壤水分是影响气候干旱、作物生长和环境变化的关键因素。利用遥感技术反演土壤水分，不仅能提高干旱预警能力，对于农业发展、生态保护和修复也具有重要意义。本文总结了当前土壤水分反演常用的遥感数据并分析其发展趋势，从光学、主被动微波角度详细阐述了各反演方法的原理、优缺点及发展方向，并进一步探讨了土壤水分研究的4个主要领域：主被动微波、多源数据融合、空间尺度转换及方法和模型的改进。最后，总结了遥感技术在土壤水分反演领域的演变趋势，并对未来发展提出展望。

关键词: 土壤水分, 反演模型, 多源数据, 协同反演

Abstract:

In the context of global warming, soil moisture is a key factor affecting climate drought, crop growth, and environmental change. Using remote sensing technology to estimate soil moisture not only enhances drought early warning capabilities but also holds significant implications for agricultural development, ecological protection, and restoration. This article summarizes the currently used remote sensing data for soil moisture inversion and analyzes its development trends. It elaborates in detail on the principles, advantages, and disadvantages of each inversion method from optical and active-passive microwave perspectives, and further explores four main areas of soil moisture research: active-passive microwave, multisource data fusion, spatial scale conversion, and methods and model improvements. Finally, it outlines the evolutionary trends of remote sensing technology in the field of soil moisture inversion and presents a future outlook.

Key words: soil moisture, inversion model, multi-source data, collaborative inversion

中图分类号:

S152.7

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图/表 7

表1 光学卫星数据

Tab.1 Optical satellite data

数据	卫星名称	时间分辨率/d	空间分辨率/m	波段	时间序列
AVHRR	NOAA 15	1~2	1 100	5	1998年至今
	NOAA 19				2009—2011年
	MetOp-A				2006年至今
	MetOp-B				2012年至今
	MetOp-C				2018年至今
ASTER	Terra	15	15/30/90	14	1999年至今
MODIS	Terra	1	500/100	36	1999年至今
MODIS	Aqua	1	500/100	36	2002年至今
Landsat	Landsat5	16	30/60	7	1984—2013年
Landsat	Landsat8	16	15/30/100	11	2013年至今
Sentinel-2	Sentinel-2A	10	10/60	12	2015年至今
Sentinel-2	Sentinel-2B	10	10/60	12	2017年至今

表2 微波遥感数据

Tab.2 Microwave remote sensing data

传感器	卫星	时间分辨率/d	空间分辨率	波段类型	时间序列
ASCAT	MetOp-A/B/C	3	12~25 km	C波段（主动）	2007年至今
AMSR-E	Aqua	2	25 km	多波段（被动）	2002年至今
AMSR-2	GCOM WI	2	25 km	多波段（被动）	2012年至今
SMOS	SMOS	1~3	35 km	L波段（被动）	2010年至今
SMAP	SMAP	3	3~40 km	L波段（主被动）	2015年至今
MWRI	FY-3	1~3	25 km	多波段（被动）	2013年至今
SAR	Sentinel-1	6	5×20 m	C波段（主动）	2014年至今
SAR	GF-3	2~3	1~500 m	C波段（主动）	2016年至今

图1 光学数据反演原理图（覃湘栋等，2021a）

Fig.1 Schematic of the optical data inversion（Qin et al.， 2021a）

表3 光学数据反演方法对比

Tab.3 Comparison of the optical data inversion methods

方法	使用数据类型	反演使用参数	优点	缺点
反射率法	可见光-近红外	地表反射率	算法简单，适用于裸土区	反演精度低，偏经验化
指数法	可见光-近红外和热红外	植被指数或缺水指数	适用于植被覆盖区域	具有滞后性，仅描述土壤水分相对状态
热惯量法	可见光-近红外和热红外	土壤热惯量	适用于裸土区	需要大量辅助数据、计算复杂

表4 土壤水分特征指数

Tab.4 Soil moisture characteristic index

指数名称	计算公式	适用条件	文献
归一化植被指数	$N D V I = R N I R - R R e d R - N I R R R e d$	仅适用于定性土壤水分监测	（潘宁等,2019）
作物水分胁迫指数	$C W S I = (T c - T a) - (T c - T a) m i n (T c - T a) m a x - (T c - T a) m i n$	适用于植被覆盖区反演	（Jackson et al.,1981）
植被供水指数	$V S W I = B × N D V I T s$	适用于植被覆盖密度大的区域反演	（Moranet al.,1994）
植被条件指数	$V C I = N D V I i - N D V I m i n N D V I m a x - N D V I m i n × 100$	适用于植被区，但需要较长时序数据	（Kogan,1990）
距平植被指数	$A V I = N D V I i - N D V I ¯$	适用于植被区，但需要较长时序数据	（陈维英等,1994）
温度植被干旱指数	$T V D I = T s - (a m i n + b m i n × N D V I) (a m a x + b m a x × N D V I) - (a m i n + b m i n × N D V I)$	适用于植被区，但对植被覆盖要求高	（Sandholt et al.,2002）
垂直干旱指数	$P D I = R R e d + M × R N I R 1 + M 2$	适用于裸土区	（Ghulam et al.,2007a）
改进垂直干旱指数	$M P D I = P D I - f v P D I v 1 - f v$	适用于植被区，需大量辅助数据	（Pohn et al.,1974）

表4 土壤水分特征指数

Tab.4 Soil moisture characteristic index

指数名称	计算公式	适用条件	文献
归一化植被指数	$N D V I = R N I R - R R e d R - N I R R R e d$	仅适用于定性土壤水分监测	（潘宁等,2019）
作物水分胁迫指数	$C W S I = (T c - T a) - (T c - T a) m i n (T c - T a) m a x - (T c - T a) m i n$	适用于植被覆盖区反演	（Jackson et al.,1981）
植被供水指数	$V S W I = B × N D V I T s$	适用于植被覆盖密度大的区域反演	（Moranet al.,1994）
植被条件指数	$V C I = N D V I i - N D V I m i n N D V I m a x - N D V I m i n × 100$	适用于植被区，但需要较长时序数据	（Kogan,1990）
距平植被指数	$A V I = N D V I i - N D V I ¯$	适用于植被区，但需要较长时序数据	（陈维英等,1994）
温度植被干旱指数	$T V D I = T s - (a m i n + b m i n × N D V I) (a m a x + b m a x × N D V I) - (a m i n + b m i n × N D V I)$	适用于植被区，但对植被覆盖要求高	（Sandholt et al.,2002）
垂直干旱指数	$P D I = R R e d + M × R N I R 1 + M 2$	适用于裸土区	（Ghulam et al.,2007a）
改进垂直干旱指数	$M P D I = P D I - f v P D I v 1 - f v$	适用于植被区，需大量辅助数据	（Pohn et al.,1974）

表5 主动微波土壤水分反演方法

Tab.5 Active microwave soil moisture inversion method

方法	原理	优点	缺点	文献
经验法	统计学数值拟合	反演过程简单；辅助数据需求较少；局部区域应用价值高	精确度较低；普适性较差	（Cognard et al.,1995）
理论建模法	电磁波散射分析理论	输入参数具有很强的逻辑性，反演机理明确；适用性较强	输入参数多；机理模拟本身存在理想假设	（Stogryn,1967）
半经验法	理论建模和数值拟合	输入参数相对较少；稳定性好	缺乏时空普适性，需要根据研究区变化再次拟合	（Oh et al.,1992）
人工智能法	智能算法训练	可行性较强；计算效率高	对于训练样本要求较高、物理机理薄弱	（Oh, 2006）

表6 被动微波土壤水分反演方法

Tab.6 Passive microwave soil water inversion method

方法	原理	优势	劣势	文献
统计拟合法	统计学数值拟合	计算简单；局部应用价值较高	精度提升困难、缺乏机理分析、缺乏普适性	（Wang et al., 1982）
机理模拟法	基于辐射传输过程模拟确定土壤水分与亮温的函数关系	理论成熟；改进方向较为明确；反演精度较高；普适性较强	包含较多理想性假设；需要一定的辅助数据；需要先验条件且较为费时	（Zhao et al., 2011）
人工智能法	智能算法训练	较之机理模拟，计算效率高、费时少；拟合效果更好和反演精度高	物理基础薄弱、依赖训练样本选取，但良好训练样本获取较为困难	（Zhao et al., 2018）

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