[发明专利]一种多尺度土壤墒情协同观测装置

说明书

技术领域

本发明是农田水利及防洪抗旱业务中使用的一种多尺度土壤墒情协同观测装置(MSM-COD/M)，它被用于点、区域和卫星像元等多尺度下土壤墒情的协同观测，意义在于同步获取不同空间尺度下的土壤墒情，服务于农业旱情观测业务及土壤墒情模型率定、验证与尺度问题等科学研究，为提高灌溉效益和水资源利用率提供技术和数据支持，属于水利行业技术应用领域。

背景技术

土壤水分布在地面以下、地下水面以上的土壤层中，也被称作土壤中的非饱和带水分，是一种重要的水资源(在农田水利中也被称作土壤墒情或土壤湿度)。土壤水是土壤与作物、大气相互作用的重要因子，是作物生长、发育的基本条件，对地表蒸散发、水分运移、碳循环有很强的控制作用，是气候、水文、生态、农业等领域衡量土壤干旱程度的重要指标。土壤水的时空分布与变化对陆地-植被-大气间水量平衡具有显著的影响，准确定量地观测土壤水分，对研究区域水循环、观测干旱的发生及发展过程、指导当地农业生产实践、合理进行水资源调控等工作均具有重要意义。

随着科学技术的发展，出现了多种土壤水观测技术，按测量的空间尺度可大体划分为三种：一是点尺度，主要包括烘干法、中子法、时域反射仪法(TDR)、频域反射仪法(FDR)等，这些方法测定的数据能较准确地反映观测点的土壤含水量，但都存在耗时费力并对土壤具有一定破坏性等问题；二是区域尺度，主要包括探地雷达(GPR)技术和近地面环境宇宙射线中子法等，是无危害，非接触，不破坏土壤，不受土壤质地、密度、盐分等影响的土壤水测量方法，适合几十公顷等较大面积的土壤墒情持续观测，该技术在不断完善；三是卫星像元尺度，卫星遥感反演土壤水是通过测量土壤表面反射或发射的电磁能量、指数等，建立遥感信息与土壤含水量之间的关系，从而反演出地表土壤水分的过程，按遥感波段划分主要有可见光-近红外法(反射率法、植被指数法)，热红外法(热惯量法、作物缺水指数法、温度状态指数法)和微波遥感法(主动微波法、被动微波法)等，具有快速、覆盖范围大和定期重复观测等优势。但是遥感方法只能对表层土壤进行观测(一般小于20cm)，尤其是反演结果的地面同尺度验证一直是该方法推广应用的瓶颈。充分认识各种方法的利弊，取长补短，开展多尺度土壤墒情的协同观测，对于提高观测数据的应用效果，更好服务于生产实践，具有积极意义。

以下介绍本发明应用到的点、区域和卫星像元三种空间尺度上的土壤墒情观测技术方法：

点尺度的土壤水传感器无线观测网络(WSN)。地面观测相对于其他观测手段而言更加直接，因此常被认为是真值。随着用于野外点尺度土壤水分测量的传感器变得越来越精巧、廉价、可靠和低功耗，大量部署这些传感器已完全成为可能。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是指将传感器技术，自动控制技术，数据网络传输、存储、处理与分析技术集成的现代信息技术，具有自动、实时、可控的数据获取能力，还具有小型化、集成化和高效节能的突出优势，便于野外大范围安装布设和维护。但真正意义上的地毯式测量相对于地表异质性是无法穷举的。同时，单点观测缺乏对遥感像元尺度的代表性，尤其是在非均一地表条件下，两者之间的尺度不匹配，两者之间的差异难以解释。只有考虑地表变量的时空变异特征，提高观测点布局的代表性，才能为正确评估遥感产品精度，实现遥感真实性检验提供数据支持。

遥感像元尺度的土壤水反演(本发明采用条件温度植被指数(VTCI)法)。研究表明，卫星遥感反演得到的归一化植被指数(NDVI)和地表温度(LST)之间存在明显的负相关关系，其与土壤湿度密切相关。当作物供水正常时，植被指数和作物冠层的温度在生长期内保持在一定范围内，如果遇到干旱，作物供水不足，生长受到影响时，卫星遥感植被指数降低，这时作物没有足够的水分供给叶面蒸发，被迫关闭一部分气孔，导致作物冠层的温度升高。研究表明，NDVI-Ts构成的特征空间有两种可能的存在关系，即三角形关系和梯形关系。在NDVI-Ts构成的三角形空间的基础上，研究者提出了条件植被温度指数(VTCI)。土壤湿度与条件温度植被指数之间存在着较好的线性相关关系，根据观测的土壤湿度，以及获得的条件温度植被指数，建立二者的线性关系，推求土壤湿度空间分布信息。然而利用遥感技术反演土壤墒情也存在一些不足，如遥感像元较大，而地面观测数据通常是点尺度，进行统计关系回归存在尺度不匹配问题、反演结果的地面同尺度验证无法开展、人为确定干/湿边的做法也会带来主观因素的影响等。