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(duì)糧食安全、生態(tài)安全、社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。特別是20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，干旱災(zāi)害表現(xiàn)出頻次增高、范圍擴(kuò)大、持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)和災(zāi)害損失加重等特點(diǎn)。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(dòng)應(yīng)急響應(yīng)開(kāi)展各類(lèi)抗旱行動(dòng)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(cè)工作，及時(shí)掌握旱情發(fā)展變化，既堅(jiān)持傳統(tǒng)的人工抗旱報(bào)表方法和氣象部門(mén)的人工取土測(cè)墑外，還通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)以及固定移動(dòng)土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器獲取墑情數(shù)據(jù)。但抗旱報(bào)表法和人工觀測(cè)法都存在時(shí)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(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)是未來(lái)土壤墑情監(jiān)測(cè)的大勢(shì)所趨。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用

1.1 遙感監(jiān)測(cè)的定義

遙感監(jiān)測(cè)方法主要是利用氣象衛(wèi)星的熱通道資料來(lái)反演土壤的含水量，是一種大范圍的土壤墑情監(jiān)測(cè)方法。遙感監(jiān)測(cè)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(zhǎng)前期，后者雖可用于作物生長(zhǎng)旺盛期，但其計(jì)算復(fù)雜，要求地面氣象因素較多，在實(shí)踐應(yīng)用中有較大困難[1]。

1.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

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

1.3 遙感監(jiān)測(cè)的劣勢(shì)

土壤墑情的遙感監(jiān)測(cè)主要采用可見(jiàn)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(shí)測(cè)土壤水分之間的相關(guān)模型，通過(guò)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(duì)研究區(qū)土壤水分的耦合性，同時(shí)不同的遙感數(shù)據(jù)對(duì)土壤水分的耦合機(jī)理也不一樣，需要綜合考慮研究區(qū)土壤類(lèi)型、作物種類(lèi)、以及大氣水分及云覆蓋度等因素來(lái)選擇合適的數(shù)據(jù)[3]。這就造成我們需要對(duì)同一個(gè)研究區(qū)不同時(shí)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(jì)算過(guò)程，導(dǎo)致了衛(wèi)星遙感技術(shù)計(jì)算任務(wù)重、適應(yīng)性差，同時(shí)由于衛(wèi)星遙感技術(shù)屬于高新技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于基層的抗旱工作者比較難于接受和理解以至于無(wú)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(xiàng)式回歸模型，通過(guò)模型率定反演土壤含水量，實(shí)現(xiàn)黑龍江省耕地旱情監(jiān)測(cè)。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(xiàng)式監(jiān)測(cè)模型，按土壤類(lèi)型、分期進(jìn)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(duì)異常值、非耕地進(jìn)行處理，得到土壤含水量分布圖。基于土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)旱情等級(jí)圖生成、旱情專(zhuān)題圖制作、旱情報(bào)告制作等，得到旱情專(zhuān)題產(chǎn)品，展示了具體旱情監(jiān)測(cè)成果。

2 土壤墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)土壤墑情監(jiān)測(cè)是利用頻率發(fā)射法原理來(lái)測(cè)定土壤含水量的自動(dòng)化方法，儀器安裝并進(jìn)行標(biāo)定后開(kāi)始監(jiān)測(cè)土壤墑情數(shù)據(jù)。自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)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(shí)測(cè)的傳感器頻率值進(jìn)行比較分析，建立土壤含水量與測(cè)定頻率之間的關(guān)系[4]。

2.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

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

2.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的劣勢(shì)

人工墑情站或是自動(dòng)墑情站都是對(duì)某一個(gè)點(diǎn)或者某一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格意義上講干旱災(zāi)害不能用幾個(gè)點(diǎn)來(lái)表示一個(gè)區(qū)域的干旱，這是墑情監(jiān)測(cè)站先天性的缺陷。在國(guó)家防汛抗旱一期工程、二期工程，以及未來(lái)的自動(dòng)化、信息化建設(shè)大背景下，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的數(shù)量會(huì)越來(lái)越多，會(huì)造成維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高、征地問(wèn)題越來(lái)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(lèi)、種植結(jié)構(gòu)等因素影響自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效能和作用的發(fā)揮。

2.4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在黑龍江省的應(yīng)用

為了在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)揮國(guó)家防汛抗旱指揮系統(tǒng)的作用，積極應(yīng)對(duì)各種抗旱應(yīng)急事件，特別是加快重點(diǎn)易旱地區(qū)的抗旱管理系統(tǒng)建設(shè)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展，2003 年和2013 年，國(guó)家分別開(kāi)展了國(guó)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(tái)河、伊春、鶴崗等72 個(gè)地方設(shè)置了固定墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，為開(kāi)展全省自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)打開(kāi)了新的局面。

3 思考與建議

3.1 多渠道監(jiān)測(cè)旱情發(fā)展變化

衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和自動(dòng)土壤墑情系統(tǒng)等現(xiàn)代科技監(jiān)測(cè)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(mén)依然要堅(jiān)持采取烘干法獲取土壤墑情；旱災(zāi)防御部門(mén)要堅(jiān)持貫穿國(guó)家、省、市、縣的農(nóng)業(yè)災(zāi)情報(bào)表統(tǒng)計(jì)制度；要發(fā)揮從空中俯瞰旱情的衛(wèi)星遙感優(yōu)勢(shì)，也要發(fā)揮自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定期、定時(shí)的土壤信息自動(dòng)采集作用。期盼通過(guò)任何單一的監(jiān)測(cè)手段就獲取全面、穩(wěn)定、持續(xù)、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是不現(xiàn)實(shí)的想法，最終我們要建立多渠道、立體化旱災(zāi)監(jiān)測(cè)體系，為各級(jí)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(cè)和預(yù)報(bào)預(yù)警旱情的發(fā)展變化，從來(lái)不會(huì)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(gè)整套旱情評(píng)價(jià)預(yù)警指標(biāo)。當(dāng)前黑龍江省在各時(shí)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(lái)水情況、水庫(kù)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(shí)組織相關(guān)部門(mén)、相關(guān)人員召開(kāi)會(huì)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(guó)家正在穩(wěn)步推進(jìn)全國(guó)旱警水位（流量）確定工作，黑龍江省在2022 年已開(kāi)展9 處，松遼委已開(kāi)展3 處的基礎(chǔ)上，將在未來(lái)的幾年中陸續(xù)開(kāi)展更多的旱警水位（流量）設(shè)置工作，這項(xiàng)工作在未來(lái)也將建立旱警水位（流量）監(jiān)測(cè)體系，并作為判別和啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)的重要條件。

3.3 加大現(xiàn)代監(jiān)測(cè)手段投入力度

雖然經(jīng)過(guò)國(guó)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(mén)在抗旱減災(zāi)工作中仍然存在旱情信息來(lái)源少、監(jiān)測(cè)技術(shù)手段落后、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度偏低等問(wèn)題，土壤墑情的獲取依然依靠水利系統(tǒng)逐級(jí)的抗旱報(bào)表統(tǒng)計(jì)和氣象部門(mén)的人工土壤墑情測(cè)定，抗旱工作仍面臨著諸多壓力與挑戰(zhàn)。為適應(yīng)未來(lái)的旱災(zāi)防御工作，要建設(shè)全要素動(dòng)態(tài)感知的水利監(jiān)測(cè)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(jìn)智慧水利建設(shè)。對(duì)于土壤墑情監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)需要，應(yīng)大力推廣衛(wèi)星遙感和自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的應(yīng)用，建立一套高效、快速、準(zhǔn)確的土壤墑情自動(dòng)測(cè)報(bào)體系。

3.4 增強(qiáng)各類(lèi)監(jiān)測(cè)方法準(zhǔn)確性

由于各類(lèi)土壤墑情監(jiān)測(cè)方法的原理不同，影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的因素也不盡相同。目前比較來(lái)看，人工取土烘干法測(cè)定土壤墑情得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，一般用來(lái)校核自動(dòng)墑情站的相關(guān)參數(shù)，但是即使是人工測(cè)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(qiáng)烈的責(zé)任心和敬業(yè)精神。對(duì)于種類(lèi)繁多的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)手段，如衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)由于其需要對(duì)不同區(qū)域、不同時(shí)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(duì)具體監(jiān)測(cè)區(qū)域的基本農(nóng)情、水情熟練掌握并及時(shí)更新參數(shù)設(shè)置以確保反演數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；對(duì)于自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站要獲取準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，首先要選擇合格的監(jiān)測(cè)儀器并推薦使用插管式土壤墑情監(jiān)測(cè)儀器，要建立墑情站建設(shè)、安裝、使用、維護(hù)、養(yǎng)護(hù)、資金、人員等一整套管理制度，以確保墑情站的正常運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

土壤墑情監(jiān)測(cè)工作只有在堅(jiān)持科技創(chuàng)新，堅(jiān)持科技前沿，堅(jiān)持先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，堅(jiān)持創(chuàng)新人才隊(duì)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(jì)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(fèi)，提高水資源利用效率。旱災(zāi)防御部門(mén)也可以掌握旱情的發(fā)展變化，及時(shí)啟動(dòng)抗旱預(yù)案，科學(xué)開(kāi)展抗旱行動(dòng)，減少因旱災(zāi)造成的損失。因此開(kāi)展土壤墑情監(jiān)測(cè)工作是一項(xiàng)功在當(dāng)代利在千秋的偉業(yè)，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)式現(xiàn)代化、水利行業(yè)現(xiàn)代化的一項(xiàng)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(jiān)持和奉獻(xiàn)的基礎(chǔ)事業(yè)。