电阻率成像法在土壤水文学研究中的应用及进展

缺乏有效的监测技术是制约土壤学和水文学中尺度问题研究的主要瓶颈。近年来,以电阻率成像法为代表的地球物理学方法被引入到非饱和带土壤水文过程的研究中来,为解决尺度问题提供了新的强有力的工具。结合土壤电阻率与土壤特性之间的岩土物理学关系,电阻率成像法可以实现对土壤特性或状态的多尺度无损连续监测。阐述了电阻率成像法的基本过程、特征及其在土壤水文过程研究中的初步应用。同时,深入探讨了电阻率成像法应用于非饱和带水文过程研究中存在的问题和未来的应用潜力。     

电阻率层析成像法在土壤水文学中的应用

电阻率层析成像法（Electrical Resistivity Tomography, ERT）已被广泛用于土壤水文过程研究,充分了解ERT在土壤水文学中的应用及进展是研究土壤水文过程的关键。利用科技文献挖掘与可视化工具CiteSpace,对从Web of Science数据库核心合集中获取的1992—2020年的717篇论文,从国家机构合作、作者合作与共被引、关键词共现与聚类、关键词突发性检测、文献共被引及聚类和文献突发性检测等六个视角进行分析。结果表明,2000—2010年期间是ERT发展的繁荣时期,ERT技术的发展使得其研究方向从理论向应用转变,研究对象从最初的深层地质勘探向非饱和带水文过程的研究扩展,研究尺度从点尺度向中尺度拓展。ERT在生态水文、农业、地球物理等领域的应用使得其研究方向趋于多元化,在土壤水文过程研究中涉及作物根系吸水、根系对水分的再分配、降雨入渗、优先流和深层土壤水分等。这对于了解地球物理技术－电阻率层析成像法的发展态势具有一定的参考价值。     

基于探地雷达的土壤水分测定方法研究进展

农田和小流域尺度土壤水分空间和时间分布信息的快速、准确、无损获取是土壤学、农学以及生态环境学等相关科学研究的重要需求.探地雷达作为一种新型地球物理技术, 近年来在多个领域有了应用和推广.本文针对探地雷达技术在土壤水分监测方面应用的科学问题, 在总结国内外相关研究的基础上, 重点阐述了探地雷达技术测定土壤含水量的基本原理、土壤含水量和土壤介电常数的常用关系式、探地雷达技术测定土壤含水量的研究方法及其在国内外的研究进展, 评价了各方法的优势和不足及其在农田土壤中的适用性, 并提出存在的问题和研究展望, 以期为相关科学研究以及探地雷达在我国农田土壤上应用开创新的领域提供参考.     

山东昌邑海洋特别保护区土壤水盐运移现场原位自动监测研究

随着经济社会的发展,对土壤性质进行时间与空间的监测研究对农业发展和环境保护显得尤为重要,而通过地球物理方法可以对土壤进行原位自动监测。基于温纳法自主开发了一套土壤盐渍化原位、长期监测系统,并利用该系统在潍坊昌邑海洋自然保护区进行了原位测试。通过分析土壤电阻率的变化可以对土壤的水盐运移过程进行辨识,对土壤盐渍化过程进行监测、评估、预测,从而为盐渍区域的修复与可持续利用提供参考信息。监测数据表明,监测区域水盐由下自上运移强烈,容易发展为表聚型盐渍土。在降雨过程中,由于雨水淋洗作用,土壤剖面盐分重新分布。淋洗后表层土壤脱盐现象及下部区域盐峰下移过程明显,土壤剖面0~10 cm处为脱盐区域,10~35 cm处为盐峰下移区域。     

基于遥感信息预测土壤水分研究

土壤水分是水文学、气象学、土壤学、生态学以及农业科学等研究领域中的一个重要的参数。总结了当前国内外基于遥感信息监测土壤水分的原理和方法,特别是对数据同化法进行了着重阐述。通过对各类方法的比较,认为数据同化法是监测土壤水分最有前景的方法之一。     

土壤水力特性的空间尺度效应研究进展

研究土壤水力特性的空间尺度效应,在生态水文模拟和农业水肥精准管理方面具有重大意义。水力特性空间变异研究方法主要有统计法、随机模拟法、土壤转换函数法和分形理论法;由于土壤中物理、化学和生物等过程作用的尺度不同,导致其空间变异方式亦不相同,当前主要采用地统计学、谱分析、多重分形和小波分析等方法研究水力特性的尺度效应。研究过程中仍有一些问题需解决,其中尺度转换始终是非常重要的问题,并且要与GIS等技术相结合。     

北京山区侧柏林蒸散拆分研究

以北京山区广泛分布的侧柏林为研究对象,分别采用水文学实测法(树干液流计结合大型蒸渗仪)和稳定同位素法对林分蒸散量进行定量拆分研究。结果表明:(1)在日尺度上,该林分的蒸散量和蒸腾量均显现为"单峰"型的变化曲线。林分总的蒸散量和蒸腾量均在正午前后达到最大值,分别为1.27,1.13 mm/h;(2)实测法和稳定同位素法对侧柏林蒸腾量占总蒸散量的计算结果分别为80.21%～89.63%和79.10%～98.71%。相比水文学实测法,稳定同位素法在小时尺度上误差为(3.97±3.53)%,而在日尺度上误差为(1.89±0.67)%。该林分蒸散主要来自于植被蒸腾,林木蒸腾耗水远大于土壤蒸发耗水。     

地理信息系统在流域生态水文过程模拟研究中的应用

生态水文学是研究生态格局和生态过程变化水文学机制的科学。该学科的一个重要研究方向是探讨不同时空尺度上和一系列环境条件下的生态水文过程，包括生态水文物理过程、生态水文化学过程及其生态效应。这必然要求建立相关生态水文模型。生态水文过程影响因素众多．而且具有明显时间和空间变异性．需要多时相、多信息源的历史动态变化信息以及多方法和多学科的综合。目前．GIS在信息的动态获取、分析处理、可视化以及二次开发等方面的技术和方法取得了长足的进步，为实现生态水文过程研究提供了有力支持。     

生态水文学及有关概念浅析

生态水文学(Ecohydrology)是近10年来发展起来的一门新兴边缘学科,主要从流域尺度上研究水文与生态之间的相互关系,探索实现流域生态平衡与水资源可持续利用的新途径.在我国,近年来生态水文学已经引起学术界的高度重视,但研究工作尚处于起步阶段.国际上,虽然美国、欧洲、加拿大等已经开展了比较多的研究,但对于生态水文学的定义等基本问题尚存在不同的看法.在简述生态水文学发展概况的基础上,对生态水文学及有关基本概念进行分析和讨论,包括生态水文学的定义、生态系统途径、生境质量及其要素、影响生态整体性的环境因素、分析方法以及河流生态学概念等,以深化对生态水文学的认识.     

基于电阻率成像技术的土层精细划分

土壤层次的精确划分关系到土壤学相关研究结果的精确程度。为对田间尺度上层状土壤进行无损精细分层,采用电阻率成像技术,同时结合电阻率曲线纵向上的变化特征精细划分土壤层次,并将精细分层结果应用于层状土壤电阻率空间变异性研究。结果表明:运用电阻率曲线法对反演电阻率数据进行精细划分后,形成结果图能很好的满足研究过程中可视化呈现及精细化表达等需要;根据温纳四极反演电阻率曲线法将研究区内的剖面浅层土壤划分为5—13,13—24,24—50,50—70cm 4个层次;5—13cm(耕作层)电阻率值的变异系数最高(0.28),13—24cm(犁底层)平均电阻率值最低(17.35Ω·m)。研究成果可为土壤水文学和精准农业等相关研究提供技术支撑。     

土壤水分反演的特征变量选择研究综述

土壤水分是水、能量和生物地球化学循环中不可忽略的组成部分,土壤水分信息对水资源管理、农业生产以及气候变化等相关研究有着重要意义。基于遥感数据的土壤水分反演算法是获取土壤水分信息的重要手段,通过对影响土壤水分反演的因素进行梳理,将影响因素抽象为包括土壤特征,植被特征,以及气象特征在内的特征变量,并以此为主线对土壤水分的反演研究进行回顾与梳理。分析了利用不同特征变量反演土壤水分时存在的问题和发展趋势,指出土壤水分反演过程中存在特征变量理论研究不足、综合应用不深的问题,强调耦合使用各类特征变量以提高水分反演精度是未来的研究热点。     

基于试验反射光谱数据的土壤含水率遥感反演

土壤含水率是土壤水循环研究中不可或缺的参数,已广泛应用于土壤水分的监测。土壤光谱特性的研究是土壤含水率光学遥感定量反演的基础。该研究首先通过野外调查收集土样;然后,在实验室条件下制备不同水分梯度的土壤样品,并利用便携式地物光谱仪采集不同水分梯度土壤样品的反射光谱;最后,通过试验光谱数据分析建立一个基于指数函数的土壤含水率遥感反演模型,并对结果进行精度评价。结果表明,基于指数函数的土壤含水率反演模型可以较好的反演土壤水分特征,在640 nm处土壤含水率的估计值与真实值之间的决定系数为0.7062,RMSE为3.49%。相关研究为表层土壤含水量的遥感监测提供新方法和新思路。     

PROSAIL模型和水云模型耦合反演农田土壤水分

土壤水分的实时、动态监测对农业生产及作物估产有着非常重要的意义。该文提出一种光学和雷达遥感半经验耦合模型,该模型通过引入植被覆盖度将作物覆盖下的散射贡献与裸露地表的直接散射贡献区分开,结合水云模型和PROSAIL模型对农田区域土壤水分进行反演研究。结果表明：该耦合模型模拟得到的后向散射系数与实测值之间具有较好的线性关系,在HH和VV极化下决定系数R2分别为0.792和0.723,RMSE分别为0.600和0.837 dB。同时该模型对农田区域土壤水分的反演精度也较高,其R2为0.809,RMSE为0.043 cm3/cm3。因此该模型可以有效分离农田作物及裸露土壤对雷达信号的影响,准确建立地表直接后向散射贡献与土壤水分的关系,为大面积复杂地表类型覆盖区域的土壤水分反演提供研究思路和理论支持。     

基于实测高光谱指数与HSI影像指数的土壤含水量监测

为了探索土壤含水量与高光谱植被指数的内在关系,实现土壤含水量的快速且准确监测,以ASD光谱仪测定的研究区植被高光谱数据和环境卫星HSI高光谱影像数据为基础数据计算得到26种光谱植被指数,通过灰度关联分析法(grey relational analysis)对不同深度(0~10,10~30,30~50 cm)土壤含水量与实测光谱指数和影像光谱指数进行分析和筛选,确定了与土壤含水量相关性较高的5个光谱植被指数,采用多元线性回归法(multiple linear regression)分别构建了基于实测数据和影像数据的高光谱植被指数土壤含水量反演模型,并用实测高光谱植被指数模型对HSI影像植被指数模型进行校正。结果表明:2种土壤含水量反演模型对0~10 cm层的土壤含水量均有较高的拟合度,判定系数(R2)均高于0.589,并具有较好的稳定性;实测高光谱植被指数模型精度优于HSI影像植被指数模型,判定系数(R2)分别为0.668和0.589;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R2)从0.589提升到0.711,均方根误差(RMSE)为0.0014。该研究方法进行土壤含水量监测是可行的,为进一步提高土壤含水量定量遥感监测提供一定参考。     

农业干旱遥感监测指标及其适应性评价方法研究进展

在利用遥感数据进行长时间、大范围农业干旱遥感监测过程中,如何针对不同区域、不同作物生长阶段选取最合适的监测指标,对于及时、准确地评估干旱对作物生长的影响,实现合理水资源调度和有效抗旱减灾决策都具有重要意义。该文以遥感监测农业干旱的适应性为论述主线,对常用的农业干旱遥感监测指标及其适应性评价方法,从4个方面进行了系统归纳总结:1)国内外农业干旱监测适用的遥感卫星数据源;2)监测农业干旱适用的光谱敏感波段;3)农业干旱遥感监测指标自身的适用性与局限性;4)农业干旱遥感监测指标适应性的评价方法。在此基础上,指出今后在农业干旱遥感监测指标及其区域适应性研究中,需综合考虑作物与其生长环境之间的关系;增加光谱信息,降低遥感数据获取过程中的信噪比;选择农业干旱遥感监测指标适宜的时空尺度;重点解决部分植被覆盖时,如何选择合适的监测指标;加强高光谱技术在精细农业干旱遥感监测指标反演中的研究;进一步在机理上发掘监测指标自身的敏感性和适应性等6个方面的问题及发展趋势。     

实测高光谱和HSI影像的区域土壤含水量遥感监测研究

基于典型研究区植被冠层实测高光谱数据和HSI高光谱影像数据,通过相关分析选择与不同深度土壤含水量响应敏感波段,建立两者的土壤含水量反演模型,并用实测高光谱土壤含水量反演模型校正HSI影像土壤含水量反演的模型。结果表明:土壤含水量响应敏感波段区域为450~650 nm和850~920 nm;两种土壤含水量反演模型对土壤深度为0~10 cm的土壤含水量估算效果最好,其中实测冠层高光谱土壤含水量反演模型精度高于HSI影像土壤含水量反演模型,判定系数(R~2)分别为0.659和0.557;经过校正的HSI影像土壤含水量反演模型精度有了较大的提高,判定系数(R~2)从0.557提升到0.719,均方根误差(RMSE)为0.043 5,较好地提高了区域尺度条件下土壤含水量监测精度,因此运用该方法进行土壤含水量遥感监测是可行的,为进一步提高区域尺度下土壤含水量定量遥感监测提供参考借鉴。     

基于累积分布函数匹配的多源遥感土壤水分数据连续融合算法

数据融合是解决不同来源遥感数据无法直接对比分析这一瓶颈的有效方法。实时更新的SMOS土壤水分数据(soil moisture and ocean salinity)可开展实时干旱评价(2010年至今),但由于序列短无法开展频率及演变分析。CCI(climate change initiative)土壤水分数据是联合了多种主被动遥感数据合成的长序列数据产品(1979—2013年)。为提高不同来源遥感数据的融合精度,该研究基于累积分布匹配原理构建了多源遥感土壤水分连续融合算法,将SMOS和CCI融合成长序列、近实时的遥感土壤水分数据。经验证分析,累积概率曲线相关性中表征干旱的低值区纳什效率系数由0.52提高到0.99,且融合后土壤水分数据可以较准确地反映当地的干旱事件。该研究提出的多源遥感土壤水分连续融合算法显著提高了现有融合算法的融合精度。     

基于模糊判别成分分析法的高光谱作物信息提取与分类

东北地区是中国主要的玉米种植区,同时也是中国易发生干旱的地区,干旱常态化严重制约着该地区玉米生产的稳定发展。以辽宁省春玉米为研究对象,在明确春玉米不同发育期干旱变化特征的基础上,基于FY-3A、MODIS、春玉米发育期和土壤相对湿度观测等数据,建立春玉米干旱遥感监测指标集,构建各发育期不同土层深度的土壤相对湿度遥感监测模型,并以2000年为例开展了辽宁省春玉米干旱监测的应用研究,结果表明：1993-2012年辽宁省春玉米在各个发育期均有干旱发生,其中1999-2002年为干旱高发期,乳熟期干旱最为严重;多指数协同配合能提高遥感手段对土壤相对湿度的监测能力,其中陆表水分指数对土壤相对湿度监测能力较强,其次是水分指数;利用构建的春玉米各发育期土壤相对湿度遥感监测模型,监测2001-2004年部分发育期和土层深度的干旱状况,总体监测准确率为73.32%;实现了2000年辽宁省春玉米发育期干旱等级动态监测,所得监测结果与当年农业气象观测记录在发育阶段和空间上都有很好的一致性,遥感监测结果正确。因此,此项研究对于大范围准确跟踪监测春玉米干旱,以及提高春玉米生产的防灾减灾能力具有重要意义。