中国西部地区基于经验模型的土壤水分反演

地表土壤水分含量的时空分布信息是十分重要的,常常作为水文模型、气候模型、生态模型的输入参数,同时,也是干旱预报、农作物估产等工作的重要指标。被动微波遥感是监测土壤含水量最有效的手段之一。相比红外与可见光,它具有波长长,穿透能力强的优势。相比主动微波雷达,被动微波辐射计具有监测面积大、周期短,受粗糙度影响小,对土壤水分更为敏感,算法更为成熟的优势。目前,已研究出许多反演土壤水分的方法.本课题的主要内容是借助AMSR-E土壤水分影像数据、MODIS归一化植被指数(NDVI)影像数据和MODIS分类影像数据,利用ENVI软件进行遥感图像数据处理,运用统计分析方法建立NDVI与土壤水分的经验模型,研究中国西部地区稀疏植被覆盖区土壤水分的反演。     

MPDI在微波辐射计植被覆盖区土壤水分反演中的应用

大尺度上的土壤水分变化监测对于建立全球的水循环模型意义重大，是实现气候变化预测和洪涝监测的基础。星载辐射计为实现大尺度上土壤水分的监测提供了监测途径。但是在星载辐射计观测时，地表植被层的吸收和散射作用会对土壤向上的微波辐射产生衰减影响，这种影响在反演土壤水分的过程中必须予以计算和消除。原有的反演算法中，在计算这部分影响的时候，需要大量的关于地表植被状况的辅助数据，而这些即时的辅助数据往往不易获得。以AMSR—E数据为例，研究证明了微波极化差异指数（MPDI）能够反映地表植被覆盖状况。以中国华北、华东地区为实验区，选择2004年4月8日的AMSR—E亮温数据和MODIS数据为样本数据，建立起MPDI与NDVI之间的负指数关系方程。基于对NDVI的认识，得到植被覆盖度高、中、低三种状况所对应的MPDI域值，以此域值为依据对中等植被覆盖度地区作出自动判断，并用MPDI计算植被层不透明度。     

综合主动和被动微波数据监测土壤水分变化

微波遥感测量土壤水分的方法主要分主动和被动两种，它们都是基于干燥土壤和水体之间介电常数的巨大差异。估算植被覆盖土壤表面土壤水分必须要考虑地表粗糙度和植被覆盖影响的问题。植被覆盖土壤表面的后向散射包括来自植被的体散射，来自地表的面散射和植被与地表间的交互作用散射项。本研究建立了一个半经验公式模型，用来计算体散射项，综合时间序列的主动和被动微波数据，消除植被覆盖的影响，估算地表土壤水分的变化状况。并应用1997年美国SGP‘97综合实验中的机载800m分辨辐射计ESTAR数据计算表面反射系数，综合Radarsat的SCAN-SAR数据得到体散射项，然后，由NOAA/AVHRR和TM计算得到的NDVI值加权分配50m分辨率的体散射项，最后计算50m分辨率的表面反射系数的变化值，从而得到土壤水分的变化情况，验证数据表明该计算结果与实测值一致。     

粗糙度对被动微波遥感反演土壤水分影响的试验研究

土壤水分是气象预报、农情监测及水文模型的重要参数之一,利用被动微波遥感技术可以有效获取土壤水分。本文分析被动微波遥感反演土壤水分的国内外研究现状,在前人相关理论与方法的研究基础之上,基于土壤的微波辐射特性,通过双波段(C、Ku)微波辐射计对不同水分、不同表面粗糙度的土壤微波辐射特性进行了试验研究,分析土壤湿度与微波发射率、土壤粗糙度与微波遥感指数之间的定量关系,并建立了土壤湿度与微波发射率、粗糙度与微波遥感指数间的经验模型。     

沙漠地区微波地表发射率年内变化规律与气候因子的关系分析

以塔克拉玛干沙漠为研究区域,利用2008年AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)二级亮温资料和全球资料同化系统(global data assimilation system,GDAS)的地表、大气参数产品,反演研究区晴空条件下的微波地表发射率,进而根据不同的土壤类型,分析了沙漠微波地表发射率频谱年内变化规律及其与气候因子的关系。结果表明:沙漠地表发射率与土壤类型密切相关,且不同土壤类型的发射率季节变化规律显著性不同;土壤含水量、地表温度与地表发射率的年内变化规律之间存在着显著相关性,地表发射率随土壤含水量、地表温度的增高而降低;地表植被覆盖度、植被含水量和地表粗糙度也是地表发射率的影响因子,其值均取决于土壤含水量,而土壤含水量受大气总水汽量和土壤类型的共同制约;以砂土为主的沙漠地表发射率更多受到沙漠深度的影响,随着沙漠深度的增加而减小。     

多角度遥感估算稀疏团粒分布型土壤表面粗糙度方法初探

表面粗糙度是影响土壤在微波波段发射和散射辐射的主要因素之一,也是微波遥感研究与应用的重要参量。由于微波后向散射还受介电特性、穿透深度等因素的影响,在微波遥感应用中往往难以单独考虑介质表面粗糙度,给参数估算与反演带来了一定困难。在可见光、近红外波段,粗糙度作为土壤表面重要的结构参数之一,直接影响着土壤的二向反射分布特征。因此,本文尝试利用光学多角度观测信息,反演土壤表面粗糙度。基于地表二向反射几何光学模型,假设裸土像元由随机分布于平坦表面的土壤团粒组成,将团粒近似为半椭球体,建立裸露土壤表面二向反射模型,模拟不同粗糙度条件下土壤表面像元的二向反射分布特征。进一步尝试采用多角度观测数据反演模型,估算土壤团粒的几何结构参数,进而计算土壤表面均方根高度,作为表面粗糙度的衡量指标。地面实测多角度数据的初步验证结果表明,多角度光学遥感估算土壤表面粗糙度的方法是可行的。     

利用主被动微波遥感结合反演土壤水分的理论模型分析

为了更好地进行土壤水分反演,发展了一种基于热带降雨观测计划(TRMM)的主被动微波结合反演裸露地表土壤水分的算法.为了提高反演精度,同时利用TRMM搭载的测雨雷达(PR)和微波成像仪(TMI)进行观测.另外,针对PR/TMI数据,还建立了包含大范围的土壤水分和粗糙度参数的AIEM模型数据库.通过分析AIEM模型对地表后...     

裸露地表微波热采样深度统计模型

被动微波遥感反演土壤水分对应的土壤深度是土壤水分产品真实性检验和应用中必须确定的问题。本研究利用理论模型对影响土壤热采样深度的参数进行了分析。在此基础上,通过回归分析的方法发展了一个估算被动微波遥感土壤热采样深度的统计模型,并通过微波辐射测量实验对模型进行了验证。研究证明,理论模型模拟裸露地表发射率平均误差为0.032,基于理论模型发展的热采样深度统计模型的误差在0.5 cm左右。该统计模型可以通过土壤含水量、温度、质地和观测频率4个较容易获取的参数计算土壤微波辐射的热采样深度,为被动微波遥感土壤水分产品的真实性检验工作中地面土壤水分测量以及土壤水分遥感产品的应用提供参考。     

测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析

微波具有穿透性,相对于可见光与红外探测器而言,微波探测器不仅能反映叶片层植被信息,还能反映较深层木质生物信息。笔者利用6.6 GHz与18.7 GHz被动微波辐射计对夏季玉米进行了不同角度(0°~60°每5°一个间隔)、不同极化(V与H极化)及不同方位(顺垄、垂直垄、垄向45°)的微波辐射特性观测试验。试验中玉米从幼苗到抽穗共分8期进行了测量,每期都利用LAI-3000实地获得了LAI数据,以此代表植被的生长状态。研究结果表明,随着观测角度和LAI的增大,V和H极化的亮温都有明显变化;微波植被指数随观测角度和LAI的变化都有明显规律;测量方位对玉米的微波辐射特性有明显的影响;土壤对植被的微波辐射影响随植被的长高而减弱。     

地基雷达的微波面散射模型对比与土壤水分反演

为了探究地基合成孔径雷达(c GBSAR)后向散射信号的时空变化规律和研究雷达土壤水分反演的影响因素,在内蒙古闪电河流域的昕元牧场站进行了地基雷达观测试验,本文结合以上观测试验的地基雷达数据进行波段、入射角度、极化通道3个雷达参数以及地表粗糙度参数对雷达的后向散射系数影响的分析,然后利用以上分析结果选择地表微波面散射模型,最后利用选定的地表微波面散射模型构建人工神经网络数据集来反演地表土壤水分。结果表明:(1)在地基雷达视场内,各地表微波面散射模型的模拟结果与地基雷达实测的L波段全极化数据拟合效果最佳的是AIEM-Oh模型。(2)通过对20°—60°范围内的雷达入射角度的AIEM-Oh模型后向散射系数模拟的绝对残差分析发现,雷达入射角为25°、41°和53°时模拟结果最接近雷达实测值。(3)最后通过分析土壤水分反演结果发现,当雷达入射角度为41°时的土壤水分反演精度最高,相关系数R是0.8080,RMSE是0.0385 m~3m~3。本文的结论是雷达后向散射信号受到雷达入射角度和地表粗糙度相互作用的影响,因此通过考虑地表粗糙度来合理的选取雷达入射角能够提高土壤水分的反演精度。