RS、GIS、GPS在西北农业大开发中的应用前景

在西北农业大开发中的应用前景王鹏新，龚健雅（武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室湖北武汉430079）李小文（北京师范大学资源与环境科学系北京100875）独立地，也可以相互补充地为农业生产和开发提供强大的技术支撑。它们能快速准确地获取农业生产系统的多维信息，尤其是时间维的信息，能综合性地管理和处理属性数据和空间数据，并能为农业生产的决策提供相应的技术服务，进而精确地指导农业生产，促进生态环境的良性发展。论述了3S技术在西北地区农业开发中的应用前景，着重于土壤水分的遥感反演以及干旱和荒漠化的动态监测。

1引言它们是目前对地观测系统中空间信息获取、管理、分析和应用的三大支撑技术，能够对空间实体快速地进行精确定位，同时宏观地获取信息，对所得到的特定位置空间信息进行综合分析。3S的精确农业技术是S863计划（面向21世纪的国家高技术研究发展的中长期计划）在农业高技术领域的三个前沿项目之一遥感是指在不接触目标物的情况下，从遥远的平台去获取、处理、应用目标物特征信息的科学和技术。它借助于专门的光学、电子学和电子光学探测仪器，把遥远的物体所辐射或反射的电磁波信号记录下来，再经过光学或计算机加工处理，变成人眼可以识别的图像，从而揭示出所探测物体性质及其变化规律。遥感技术能够为我们提供不同时空分辨率和光谱分辨率的观测数据，这对农业资源和作物生长等的动态监测十分有用。GIS属空间信息系统，用于采集、存储、分析和传播地球表面的信息，是一种集计算机软硬件、时间、人员、组织和机构安排的系统。

GPS是以卫星为基础的无线电测时定位导航系统，主要用于实时快速地提取目标物的空间位置等。目前的定位精度可达数十米，而运用差分技术可使其定位精度达1m.本文从西北地区干旱、生态环境脆弱等实际出发，探讨了3S技术在西北地区农业开发中的应用前景，重点论述了应用NOAA卫星增强型甚高分辨率辐射计土壤水分以及动态地监测干旱和荒漠化。

2土壤水分的遥感反演自1969年Manabe在全球气候模型中引入交互作用的土壤水分概念以来，土壤水分一直被认为是重要的陆地表面参数之一。土壤表面含水量控制着将太阳辐射变为潜热通量和感热通量的大小及其在太阳辐射中所占比例，同时也控制着降水的入渗和地表的径流。土壤水分分布模式的时空变异很大，从时间尺度来讲，从几分钟到几个月，从空间尺度来讲，从几厘米到数千公里，而土壤水分亏缺经常表现为大面积发生，所以监测土壤水分亏缺和确定其范围**可行的方法是应用卫星遥感技术遥感技术与应用此，应用遥感技术了解、观测和模拟土壤水分分布模式是研究土地表面特性*具吸引力和挑战性的工作。

热惯量的实质是地物阻止其温度变化幅度的一种特性，它是物体本身固有的热特性。当地物吸收或释放的热量相等时，地物温度变化的振幅与地物的热惯量成反比，因此在地物的周日温度变化中，热惯量起着决定性的作用〔4〕。Price系统地阐述了热惯量方法以及热惯量的遥感成像，并提出了表观热惯量的概念〔5〕。隋洪智等和马蔼乃分别用NOAA数据研究了华北平原土壤含水量的遥感信息模型。

2.1亮度温度的计算卫星传感器上所获得的土地表面温度叫做亮度温度。AVHRR第4、5波段可提供热红外波段的遥感数据，其波段范围分别为10.3～11.3μm和11.5～12.50μm.将普朗克光谱辐射方程式经过转化后可用于求解第4、5波段的亮度温度：式中：C为第i波段滤光器的中心波数，单位为cm为第i波段亮度温度，单位）为第i波段光谱辐射能量，可通过下式求得：式中：DN为第4、5波段传感器所获得的数字值，c和d为常数（定标系数），可从AVHRR提供的数据中获得。

2.2土地表面温度的反演土地表面温度指的是地面表层温度，对裸土来说，就是土壤表面温度。应用遥感技术反演土地表面温度的原理是基于地表热红外波段的光谱辐射，理论基础是地表面所发射的辐射能量随着其表面温度的增大而迅速增大。反演出的土地表面温度系指在像素尺度上的平均温度。在过去几十年间，应用第4、5波段数据已开发出了多种反演土地表面温度的分窗口算法。虽然这些算法的计算方式大不相同，但按其表达式可分为两类。

2.2.1分窗口算法的一般形式分窗口算法的一般表达形式为：其中：T为土地表面温度A、B为系数，是由大气和其它相关因素对第4、5波段热光谱辐射及其传输的影响决定。这一算法由Price提出〔8〕，并广泛地应用于土地表面温度的研究。作者对从地面到传感器的辐射传输过程中大气对辐射传输的影响作了几条简化后得到：从80年代中期以来，为了提高分窗口算法的准确度，已对Price方法作了几次修改。可参考文献〔92.2.2分窗口算法的其它形式分窗口算法的其它形式指的是用不同于式（3）的方法获得土地表面温度。Becker等提出了一种局部分窗口算法〔12〕，该算法适用于从天底观察小于46°视角的情况。

其中：A、P和M为待定系数，它们受从地面到传感器间的辐射传输过程中的许多因素的影响。对来说，A和由下式求出：分别为第4、5波段的地面比辐射率。从式（6）和（7）可以看出，和是地面比辐射率（X）的函数。

Kerr等提出了一种在干旱半干旱条件下土地表面温度的分窗口算法〔13〕。在干旱半干旱环境下，植被覆盖稀疏，土地表面是由植被覆盖和裸土组成。

根据式（8）可估算植被冠层表面温度T和裸土表面温度其中：a和为系数，表示大气总的影响和地面比辐射率的影响。

干旱半干旱条件下，土地表面温度与T和的关系可用下式表示：其中：C为干旱半干旱条件下植被覆盖的分数，可以由归一化植被指数（NDVI）估算：为所研究区域裸土时NDVI的*小为整个像素尺度被植被覆盖时NDVI的*大值，NDVI为像素尺度上归一化植被指数（NDVI）的当前值（NDVI的定义见本文第2部分）。

2.3土壤水分反演模型的建立建立土壤表面水分含量与热惯量的经验或半经验模型可以用于大面积的土壤表面含水量的反演。

土壤含水量（W）是热惯量P和土壤相对密度的函数，即：通过提取土壤相对密度d和通过AVHRR数据计算土壤热惯量P，就可以根据该经验公式求得w，s，从而建立基于AVHRR数据的土壤含水量模型。对某一区域来说，d可以认为是不变的，本文以对数模型为例，建立区域级的W与P间的经验关系模型为：其中：a、b均为待定系数。

2.3.1土壤热惯量与土壤表观热惯量的关系在对地表边界条件进行简化的条件下，用傅里叶级数法求解周日温度变化的一维热传导方程，就可得出真实热惯量（P）与表观热惯量（ATI）的关系其中：S为太阳常数，C为太阳辐射的大气透射率，是太阳赤纬和当地纬度的函数，因此，S基本上代表了地表白天所能接收到的净太阳辐射k为地球自转角速度B为常数。

2.3.2表观热惯量的计算土壤表观热惯量的定义为：其中：T为反照率，ΔT为昼夜温差。

2.3.3反照率和昼夜温差的计算反照率的定义是地物全波段的反射率。由于太阳能量主要集中在0.25～1.5μm内很窄的范围，因此，可以用可见光和近红外波段的反射率近似地计算地物全波段的反射率。He等得出了用AVHRR遥感数据求得反照率的经验公式为其中：d分别表示第1、2波段的反射率（参考本文第2部分）。

由NOAA卫星白天和夜间过境时分别反演出的土地表面温度可求出昼夜温差。

3干旱的动态监测3.1条件植被指数法植被指数是用定量化的手段描述植被覆盖度或者植被的活力，它是基于植物叶绿素在0.69μm的强吸收特征，通过植物在可见光（AVHRR第1波段）和近红外波段（AVHRR第2波段）反射率的比值或线性组合实现对植被状态信息的表达。植被指数有多种表达形式，其中*常用的是归一化植被指归一化植被指数的定义为：其中：d分别表示第1、2波段的反射率，可由AVHRR第1、2波段传感器所获得的数字值算出。

计算方法与式（2）相似。条件植被指数（Vegetation息，而且包含了NDVI的历史变化信息，它的内涵定义为：分别代表所研究年*小值。

上式分母部分是植被指数动态变化范围，在一定意义上反映了当地植被的生境分子部分在一定意义上表示了当地气象信息，若NDVI和之间差值小或接近于零，表示该时段作物长势很差。

若同一地区连续几旬的值都小于某一范围，表示植被状况变差，就预示了该地存在旱情及旱情发展的可能性。

3.2条件温度指数法西北干旱半干旱地区，降水稀少且分布不均，在多雨季节，由于大气中薄云的影响，可以使某一时期内的变小，从而造成干旱的假象。为了消除这一影响，可采用条件温度指数（Temperature义与的定义相似，但它强调了温度与NDVI的关系，即高温对植物生长不利。

其中：T为某一年第个时期的第4波段亮度温度的值，T和分别代表第个时期的历史*大值和*小值。

选择的原因是：与第5波段相比，第4波段卫星传感器获得的辐射亮度受大气中的水蒸汽的影响小。TCI愈小，表示愈干旱。

4荒漠化的动态监测在干旱半干旱环境下，低的植被覆盖度对土壤的保护能力很小，从而导致严重的侵蚀过程（风蚀和水蚀）和土地退化。所谓荒漠化，是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和半湿润干旱地区的土地退化〔17〕，它是人类不合理的经济活动和脆弱生态环境相互作用的结果。荒漠化在主要土地利用类型方面的表现形式是草地退化、耕地退化和林地退化，从而使耕地资源减小，草地质量下降，生态环境丧失。西北是风沙危害*严重的地区，日前，沙漠、戈壁和风沙土地面积共174万km占国土面积的18.2〔18〕。如黑河上中游甘肃农业开垦中对水资源的长期超量开发导致了下游内蒙古额济纳绿洲的萎缩和居延海的干枯今天的民勤绿洲正遭受因上游武威的开发而导致的生态危机应用低空间分辨率的卫星数据，如NOAA可在获得植被覆盖度的基础上，对遥感数据进行分类，进而用于大面积的荒漠化监测应用高空间分辨率的卫星数据，如LandsatMSS/TM，进行荒漠化的详查。作者用LandsatMSS/TM数据对20多年来内蒙古典型干草原的草地退化特征研究后发现，应用遥感影像不仅可以研究草地退化程度，而且可以研究退化草地的时空分布特征。应用GPS技术可对荒漠化地区尤其是其边界进行精确定位。

应用技术实时实地地存储、分析、管理和更新荒漠化地区的空间数据和属性数据，GIS数据库的数据源主要是用RS和GPS技术获取。

〔6〕隋洪智，田国良，李建军，等。热惯量法监测土壤水分〔A〕。田国良。遥感动态研究〔C〕。北京：科学出版社，1990.

〔7〕马蔼乃。遥感信息模型〔M〕。北京：北京大学出版社，1997.

〔18〕陆大道，薛风旋。1997中国区域发展报告〔M〕。北京：商务印〔19〕王晓方，申茂向。走出中国荒漠化防治的误区：局部改善、整体扩大局势何时扭转〔M〕。中华人民共和国科学技术部农村