土壤水分微波反演方法进展和发展趋势

土壤水分是连接地表水循环和能量循环的关键参量,精确获取该参量对于理解气候变化、地表水文过程、地气间能量交换机理等具有重要意义。微波遥感由于其较为合适的探测深度和坚实的理论基础在观测地表浅层土壤水分上具有很大优势,结合反演方法可以获取空间连续的土壤水分含量,有助于更加客观认知土壤水分的时空演变机理。随着微波遥感数据的不断丰富,多种微波遥感土壤水分反演方法相继涌现,为了更好地了解其发展和趋势,本文总结了当前土壤水分微波反演常用的卫星遥感数据并分析其发展趋势,后从主动微波反演、被动微波反演和多源协同反演3个方面梳理了各类土壤水分微波反演方法的原理、发展和优缺点,最终总结出目前微波遥感土壤水分反演方法的发展趋势：即土壤水分微波反演方法的时空普适性逐渐增强、面向高时空分辨率的土壤水分微波协同反演方法快速发展以及土壤水分微波反演方法的智能化水平不断提高。     

EXPERIMENTAL STUDY ON SOIL MOISTURE USING DUAL-FREQUENCY MICROWAVE RADIOMETER

1INTRODUCTIONSoil is the basis of human's living. Soil moisture plays asignificant role in studying the matter and energy ex-changes in global hydrology sphere. The evaporation ofsoil moisture has an influence on the water vapor cycle.Meanwhile soil moisture is also one of the firsthandmeasurable parameters in crop yield estimation and wa-ter resources management (JACKSON et al., 1993). Theinfluence of the interaction of land and atmosphere onsoil moisture can bring about anomalous cli…     

A method for surface roughness parameter estimation in passive microwave remote sensing

Surface roughness parameter is an important factor and obstacle for retrieving soil moisture in passive microwave remote sensing.Two statistical parameters,root mean square (RMS) height (s) and correlation length (l),are designed for describing the roughness of a randomly rough surface.The roughness parameter measured by traditional way is independence of frequency,soil moisture and soil heterogeneity and just the ″geometric″ roughness of random surface.This ″geometric″ roughness can not fully explain the scattered thermal radiation by the earth's surface.The relationship between ″geometric″ roughness and integrated roughness (contain both ″geometric″ roughness and ″dielectric″ roughness) is linked by empirical coefficient.In view of this problem,this paper presents a method for estimating integrated surface roughness from radiometer sampling data at different frequencies,which mainly based on the flourier relationship between power spectral density distribution and spatial autocorrelation function.We can obtain integrated surface roughness at different frequencies by this method.Besides "geometric" roughness,this integrated surface roughness not only contains "dielectric" roughness but also includes frequency dependence.Combined with Q/H model the polarization coupling coefficient can also be obtained for both H and V polarization.Meanwhile,the simulated numerical results show that radiometer with a sensitivity of 0.1 K can distinguish the different surface roughness and the change of roughness with frequency for the same rough surface.This confirms the feasibility of radiometer sampling method for estimating the surface roughness theoretically.This method overcomes the problem of ″dielectric″ roughness measurement to some extent and can achieve the integrated surface roughness within a microwave pixel which can serve soil moisture inversion better than the ″geometric″ roughness.     

Remote sensing of ecosystem services: An opportunity for spatially explicit assessment

Ecosystem service is an emerging concept that grows to be a hot research area in ecology. Spatially explicit ecosystem service values are important for ecosystem service management. However, it is difficult to quantify ecosystem services. Remote sensing provides images covering Earth surface, which by nature are spatially explicit. Thus, remote sensing can be useful for quantitative assessment of ecosystem services. This paper reviews spatially explicit ecosystem service studies conducted in ecology and remote sensing in order to find out how remote sensing can be used for ecosystem service assessment. Several important areas considered include land cover, biodiversity, and carbon, water and soil related ecosystem services. We found that remote sensing can be used for ecosystem service assessment in three different ways: direct monitoring, indirect monitoring, and combined use with ecosystem models. Some plant and water related ecosystem services can be directly monitored by remote sensing. Most commonly, remote sensing can provide surrogate information on plant and soil characteristics in an ecosystem. For ecosystem process related ecosystem services, remote sensing can help measure spatially explicit parameters. We conclude that acquiring good in-situ measurements and selecting appropriate remote sensor data in terms of resolution are critical for accurate assessment of ecosystem services.     

基于随机森林的遥感干旱监测模型的构建

利用遥感数据进行大面积旱情监测是现有干旱监测的重要方法之一,然而传统的遥感干旱监测方法主要侧重于对土壤湿度或植被状况等单一干旱响应因子进行监测,对综合多因子的干旱监测研究较为有限。随机森林是一种机器学习方法,具有学习过程快速、运算速度快、稳定性好、预测精度高的优点,近年来被应用于生态环境等多个领域。本文利用2001-2010年4-9月的MODIS数据提取的植被状态指数（VCI）、温度状态指数（TCI）和土地覆盖类型（LC）,TRMM降水资料计算的TRMM-Z指数及SRTM-DEM、土壤有效含水量（AWC）等多个遥感及土壤资料提取的干旱因子为自变量,以气象站点的综合气象干旱指数（CI）为因变量,利用随机森林模型构建遥感干旱监测模型,并以河南省为研究区进行了评价和分析。该模型在2009-2010年的监测值和实测CI值的具有显著的相关性,并且二者干旱等级的一致率为81%。在2001-2010年4-9月间,模型监测值与气象站点的标准降水蒸散发指数（SPEI）总体干旱等级一致率为74.9%,较为一致,其中9月的模型结果与SPEI的干旱等级一致率最高,达到82.4%,空评估率和漏评估率最低;与10 cm土壤相对湿度的相关系数在0.475-0.639之间,达到极显著水平。河南省2011年4-6月干旱事件同样验证了本文构建的模型旱情监测结果,说明本模型能较好地就应用于监测区域旱情监测。     

干旱遥感监测方法及其应用发展（可下载全文）

 干旱是世界上影响范围最广和造成社会经济损失最严重的一种自然灾害。本文从干旱遥感监测的不同角度出发,总结了目前干旱遥感监测的主要方法、应用状况及优缺点。主要包括针对裸土地表类型的热惯量法、微波法,针对植被覆盖地表类型的可见光、近红外、短波红外等波段反射率数据的归一化植被指数法、距平指数法、条件植被指数法、归一化差值水分指数、归一化干旱指数、植被供水指数等,以及热红外遥感数据的温度植被干旱指数、温度条件指数、作物缺水指数、水分亏缺指数等。最后,提出了加强干旱遥感监测技术研究的建议,同时指出将可见光和微波相结合的指数模型的研究是干旱遥感监测可能的发展方向。     

光学信息分解被动微波土壤湿度方法

土壤水分是一个重要生态参量,以被动微波反演土壤水分,不受天气影响,且其算法成熟.但是星载被动微波数据的空间分辨率较低,可适合大区域尺度研究.本文将1km分辨率光学数据MODIS和25km分辨率被动微波数据AMSR- E2级土壤湿度产品结合,利用NDVI-Ts特征空间,去除植被影响,结合前人提出的裸土蒸散模型,将研究区被...     

中国生态环境遥感四十年

生态环境是人类社会生存与发展的基础。快速发展的遥感技术显著推动着生态环境遥感监测能力的提升,有效支撑了国家生态文明建设。从1980年天津—渤海湾环境遥感试验开始,经历了近40年的发展,遥感监测技术已经广泛应用于生态、大气、水、土壤等生态环境保护各个方面,取得显著成效。本文回顾了我国生态环境遥感技术近40年的发展,通过典型或重要应用案例,系统梳理了遥感技术在生态环境监测、对地观测能力、支撑生态文明建设等方面应用的发展历程。生态环境遥感监测能力发展主要表现在应用领域逐步扩大、监测精度明显提升、监测时效大幅增强;对地观测能力发展主要分为国外卫星为主期、环境卫星发展期、高分卫星应用期3个阶段;支撑生态文明建设的重大事件主要包括全国生态状况定期调查评估、污染防治攻坚战、应急与监督执法等方面。本文结合国家战略和技术发展,对今后生态环境遥感的发展提出了一些思考。     

Soil-vegetation-atmosphere radiative transfer model in microwave region

The radiative transfer is one of the significant theories that describe the processes of scattering, emission, and absorption of electromagnetic radiant intensity through scattering medium. It is the basis of the study on the quantitative remote sensing. In this paper, the radiative characteristics of soil, vegetation, and atmosphere were described respectively. The numerical solution of radiative transfer was accomplished by Successive Orders of Scattering （SOS）. A radiative transfer model for simulating microwave brightness temperature over land surfaces was constructed, designed, and implemented. Analyzing the database generated from soil-vegetation-atmosphere radiative transfer model under Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System （AMSR-E） configuration showed that the atmospheric effects on microwave brightness temperature should not be neglected, particularly for higher frequency, and can be parameterized. At the same time, the relationship between the emissivities of the different channels was developed. The study results will promote the development of algorithm to retrieve geophysical parameters from microwave remotely sensed data.     

STUDY ON GIS FOR YIELD ESTIMATION BY REMOTE SENSING IN JILIN MAIZE BELT

ＳＴＵＤＹ　ＯＮ　ＧＩＳ　ＦＯＲ　ＹＩＥＬＤ　ＥＳＴＩＭＡＴＩＯＮ　ＢＹ　ＲＥＭＯＴＥ　ＳＥＮＳＩＮＧ　ＩＮ　ＪＩＬＩＮ　ＭＡＩＺＥ　ＢＥＬＴＳＴＵＤＹＯＮＧＩＳＦＯＲＹＩＥＬＤＥＳＴＩＭＡＴＩＯＮＢＹＲＥＭＯＴＥＳＥＮＳＩＮＧＩＮＪＩＬＩＮＭＡＩＺ...     

典型地物波谱库的数据体系与波谱模拟

本文讨论典型地物波谱知识库的数据体系与地物波谱模拟的相关问题 ,并给出波谱知识库支持的农业定量遥感应用示例。波谱知识库的数据体系强调波谱参数与环境参数的配套 ,波谱数据测量是在相关规范的支持下完成的 ,质量控制贯穿于数据采集的全过程。波谱模拟通过遥感物理模型完成 ,模拟波谱计算包括地表参数的时间、空间扩展与遥感物理模型运算。最后以作物生长模型结合植被组分光谱模型和冠层遥感模型为核心 ,构造了定量遥感的农业示例。     

克里格法的土壤水分遥感尺度转换

 尺度效应往往会制约着定量遥感反演的精度,对地学信息进行空间尺度转换是生产实践的必然要求,而常用的尺度转换模型多利用光谱数据进行差值计算,不适合升尺度和降尺度转换。由于土壤含水量数据具有区域变化量的随机性和结构性特点,本文以15m分辨率的ASTER图像像元为基本单元,采用点克里格法完成ASTER 15m至7.5m分辨率的土壤含水量数据降尺度转换,从分维数的相似程度上来看,转换结果是合理的;并利用块状克里格法对地面实测样点数据进行点到7.5m分辨率的面数据升尺度转换,将升尺度和降尺度转换结果与实测样点均值相比较,结果表明:7.5m分辨率的实测样点土壤水均值误差在1.5782-5.019之间,块状克里格法获取的升尺度土壤含水量数据与点克里格法获取的降尺度土壤含水量数据之间误差则为1.2825-5.0481,可见克里格法考虑了点与周边的关系,所获得的土壤含水量值要优于未考虑空间异质性的土壤含水量平均值。     

高时间分辨率遥感在土壤质地空间变化识别中的应用

在土壤信息推测研究中,遥感技术通常被作为辅助手段,用来提供地形和植被数据,并利用它们与土壤之间的关系推导土壤空间信息。然而,在平原等地形平缓的农业区,易于观测的地形和植被等环境因素,通常与土壤的协同程度较低,不能有效用于推测土壤质地等属性的空间变化。对于这类地区,如何寻找新的易于获取的变量,以准确地揭示土壤属性的空间变化,是需要解决的问题。本文提出了利用高时间分辨率遥感捕捉这类地区土壤质地空间变化的方法。采用光谱-时间响应线对多时相的光谱数据进行组织表达,使用光谱信息散度定量刻画不同光谱-时间响应线之间的差异。结果显示,在相同的地形和植被条件下,土壤质地相同的区域,其地表动态反馈模式明显相似;土壤质地不同的区域,其反馈模式也明显不同;土壤质地越相似,反馈模式也呈相似趋势。这表明,高时间分辨率遥感获取的地表动态反馈能够有效地指示土壤质地的空间差异。本文的工作表明了高时间分辨率遥感在土壤空间变化识别方面的应用潜力。     

遥感影像空间格局变异函数分析研究进展

随着多光谱传感器的广泛运用,利用地物光谱响应特征提取地表信息的技术日益成熟,但是由于地表状况的复杂性和光谱响应的局限性,光谱方法在指示平均大小、空间异向性、空间分布、空间异质性等格局信息方面存在不足,因此挖掘遥感影像的空间格局特征日益受到研究者的重视。已有研究发现,变异参数与地表场景参数存在一定的对应关系,通过变异参数可以实现地表场景参数的提取,因此变异函数分析方法被广泛应用于真实遥感影像格局分析中,具体包括平均尺度提取、周期性格局探测、空间异质性表征与空间异向性描述等地表格局参数量化方面、最佳尺度选择与影像纹理分析等遥感影像信息提取方面。尽管变异函数分析方法在上述应用领域中都发挥了重要作用,但是当前利用变异函数进行遥感影像空间格局分析大多局限于定性描述层面,缺乏精确化的量化描述与分析,限制了变异函数分析方法应用的进一步拓展,究其原因在于对遥感影像格局变异函数分析的内在机制缺乏深入了解。本文回顾了近20年来变异函数分析方法在遥感格局分析领域的主要应用,并对该方法本身的优势和存在的不足进行了总结,可为变异函数这一工具在遥感影像格局分析方面的有效应用提供参考。     

基于时序遥感数据的农作物种植制度研究进展与展望

及时准确掌握农作物种植制度时空分布信息,对于确保国家粮食安全与农业结构合理具有重要意义。随着时序遥感影像质量的不断提高,基于时序遥感数据的农作物种植制度研究备受关注。本文从研究框架、遥感特征参数以及数据产品等角度,分析了基于时序遥感数据的农作物种植制度最新研究进展。研究发现:① 前农作物种植制度研究框架,主要包括耕地复种指数和农作物制图等相关内容,其问题在于需要高质量耕地分布数据支撑以及易将热带亚热带湿润区撂荒地误判为农作物等;② 于红边和短波红外的新型多维度光谱指数,有助于更好地揭示农作物生长发育过程,大尺度农作物时序遥感制图取得了系列研究成果,但需要应对不同作物光谱差异细微、同种作物在不同区域和年份存在明显类内异质性的挑战;③ 尺度中高分辨率耕地复种指数产品不断丰富,但其时效性和时空连续性有待加强;④ 欧美少数国家外,目前农作物分布数据产品覆盖的作物类型有限,我国大尺度农作物种植制度数据产品欠缺,特别是复杂多熟制农业区。随着多源遥感数据时空谱分辨率的不断提高以及云计算平台性能的不断发展,我们对以下方面进行了研究展望:① 新研究框架,建立直接提取耕作区、农作物种植模式的农作物种植制度一体化遥感监测技术框架;② 一步加强新型多维度遥感指数及其物候特征指标设计,拓展农作物种植制度监测的遥感特征参数;③ 立作物种植制度变化遥感监测技术,实现多年信息连续自动提取。     

干旱区绿洲典型地物MESMA模拟分解与验证

混合像元作为遥感信息的不确定性,一直是定量遥感科学研究的核心领域之一,干旱区由于下垫面均匀、气象条件单一等先天条件,已成为定量遥感产品真实性检验的理想场所。本文以塔里木盆地北缘的库车河绿洲为研究区,首先,针对不同地物类型分别采用不同方法进行地物端元提取;然后,以端元均方根EAR(Endmember Aver-age RMSE,EAR)和最小平均波谱角(Minimum Average Spectral Angle,MASA)值来选取最优端元;最后,用多端元光谱混合分析(Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis,MESMA)模型进行光谱混合分解,并对结果作了精度评价与比较分析。结果表明:MESMA模型能有效提高像元内基本组分丰度信息精度,从而为典型地物高精度提取提供了科学方法。     

塔基遥感视频监控有效性评估方法

以铁塔作为基础平台,利用其上搭载的相机或其他传感器进行近地面观测被称为塔基遥感。塔基遥感具有不易受到云层遮挡等自然因素影响、可以全天候实时获取视频信息的特点,可有效填补航空航天遥感与地面观测网络之间的尺度空缺,已在各个领域得到广泛应用。然而在面对大面积观测区域和复杂的任务目标时,塔基遥感的实际应用则受到复杂的地形及成像时空间分辨率的约束。如何评估其成像有效性成为未来塔基遥感平台优化建设的关键。为解决上述问题,本研究剖析了塔基遥感相机的成像特点和主要遮挡因素,构建起其实际覆盖范围分析方法。依托主要应用的空间分辨率需求建立分辨率分级体系,并结合实际覆盖范围和相机参数明确各项应用的可应用区域,据此评估塔基遥感视频数据有效性。以南京市江宁区“慧眼守土”塔基遥感视频监控系统为例进行实验分析,结果表明,现有塔基遥感相机受到了周边地形及塔基自身的严重遮挡,5 km内平均覆盖率仅3.20%,塔基自身造成了47.66%视角被遮挡。具有极高、高等级分辨率需求的应用实际覆盖情况较为理想,但中、低等级分辨率应用的实际覆盖情况需要进一步优化。增加相机高度、提升相机变焦能力以及增设环形轨道可以有效对塔基遥感相机的应用有效性进行优化。本研究的分析方法和结果可以为未来数据采集和各项实际应用提供支撑,成为系统评估及选址优化的参考依据。     

中国浮空器遥感遥测应用现状与展望

浮空器是一种新型的航空遥感遥测平台,适合于中小面积高分辨率的遥感遥测,尤其是中低空小型遥控飞艇,可依靠动力推进与操纵系统实现可操作飞行,具有飞行时间长、覆盖面积大、载重能力强、效费比高等特点,与其他几种航空平台相比,飞艇平台具有综合优势,在基础地理数据采集、国土资源勘查、环境监测、农业植被监测等各个领域具有广泛的应用前景。本文分析了中国有人飞机、无人机和中低空飞艇、平流层飞艇平台在遥感遥测中应用案例,以及各个航空平台的性能特点、工作方式、技术难点等,对比了各种平台的技术特点;探讨了中小型遥控飞艇平台在遥感遥测中应用的优势,研究了平流层飞艇的发展现状与关键技术;并结合国际相关领域的研究进展,对未来浮空器遥感应用的前景进行了展望。     

Assimilating ASAR data for estimating soil moisture profile using an ensemble Kalman filter

Active microwave remote sensing data were used to calculate the near-surface soil moisture in the vegetated areas. In this study, Advanced Synthetic Aperture Radar （ASAR） observations of surface soil moisture content were used in a data assimilation framework to improve the estimation of the soil moisture profile at the middle reaches of the Heihe River Basin, Northwest China. A one-dimensional soil moisture assimilation system based on the ensemble Kalman filter （EnKF）, the forward radiative transfer model, crop model, and the Distributed Hydrology-Soil-Vegetation Model （DHSVM） was developed. The crop model, as a semi-empirical model, was used to estimate the surface backscattering of vegetated areas. The DHSVM is a distributed hydrology-vegetation model that explicitly represents the effects of topography and vegetation on water fluxes through the landscape. Numerical experiments were con- ducted to assimilate the ASAR data into the DHSVM and in situ soil moisture at the middle reaches of the Heihe River Basin from June 20 to July 15, 2008. The results indicated that EnKF is effective for assimilating ASAR observations into the hydrological model. Compared with the simulation and in situ observations, the assimilated results were significantly improved in the surface layer and root layer, and the soil moisture varied slightly in the deep layer. Additionally, EnKF is an efficient approach to handle the strongly nonlinear problem which is practical and effective for soil moisture estimation by assimilation of remote sensing data. Moreover, to improve the assimilation results, further studies on obtaining more reliable forcing data and model parameters and increasing the efficiency and accuracy of the remote sensing observations are needed, also improving estimation accuracy of model operator is important.     

国家对地观测技术系统与遥感科学

遥感是应用背景极强的科学技术。从发展遥感的初衷及其后的业绩出发,阐述了服务于国家发展战略的遥感对社会贡献的重要体现。提出创建国家遥感对地观测技术体系的基本框架及“四个一体化”的设计思路。阐述遥感科学技术的性质、特点及基础、技术、应用、产品等研究间关系和系统工程化问题;任务带学科是遥感发展的方向。