被动微波遥感近地表土壤冻融状态数据产品对比及分析

近地表土壤冻融循环过程是陆面过程的"开关",对地表能量过程、水文过程、植被动态、温室气体交换和生态系统功能等都具有重要影响.除了依靠传统观测手段判别地表冻融,被动微波卫星遥感技术已被成熟运用于全球尺度地表冻融研究中.利用被动微波卫星遥感亮温监测地表冻融大致经历了理论基础和算法的研制、算法参数的验证和应用以及建立数据集三...     

冻土遥感研究进展——可见光、红外及主动微波卫星遥感方法

多年冻土和季节冻土分别占北半球裸露地表的24%和55%。近地表土壤冻融的范围、冻结起始日期、持续时间及冻融深度对寒季/寒区的植被生长、大气与土壤间能量、水分及温室气体交换都具有极其重要的影响。卫星遥感结合地面观测资料研究局地到区域尺度的季节冻土和多年冻土已取得诸多成果。综述了近几十年来卫星遥感技术在冻土研究中的应用。监测多年冻土和地表冻融循环通常需要综合利用可见光、红外、被动微波及主动微波(包括合成孔径雷达SAR和散射计)遥感数据,任何单一波段的传感器都无法满足研究需求。SAR图像能提供空间分辨率较高的寒季/寒区近地表土壤冻融状态的起始日期、持续时间和区域演变等信息,但目前在轨SAR的重访周期相对于春秋季的土壤冻融循环变化过长;星载被动微波传感器具有多通道观测且重访周期较高,但空间分辨率很低的特点;光学和热红外传感器的时空分辨率介于SAR和被动微波遥感之间,但应用于冻土研究时需要具备多年冻土分布和冻融深度与环境因子相关关系的先验信息。总体而言,微波遥感是探测无雪覆盖近地表土壤冻融循环的有效技术手段,而利用热红外传感器反演的地表温度研究土壤冻融过程具有极大潜力。应用卫星遥感反演的积雪范围、雪深、融雪、地表类型、...     

冻土遥感研究进展:被动微波遥感

多年冻土和季节冻土分别占北半球裸露地表的24%和55%.近地表土壤冻融的范围、冻结起始日期、持续时间及冻融深度对寒季/寒区植物生长、大气与土壤间能量、水分及温室气体交换都具有极其重要的影响.自20世纪70年代以来,应用卫星遥感结合地面观测资料研究局地到区域尺度的季节冻土和多年冻土已取得诸多成果,而遥感在冻土研究中的最直接应用是利用微波探测近地表土壤冻融状态.相对于主动sAR,星载被动微波传感器具有多通道观测且重访周期较高,空间分辨率很低的特点.重点评述了近几十年来被动微波辐射计在冻土研究中的算法发展及其应用前景,主要包括双指标算法、时间序列变化检测算法及判别树算法3类,其核心均是基于冻土的低温特征和"体散射变暗"效应.发展可靠实用的微波遥感土壤冻融状态判别算法,提供区域和全球尺度上的土壤冻融状态信息,对水文学、气象学以及农业科学、工程地质研究与应用都具有重要意义.     

被动微波反演裸露区土壤水分综述

被动微波具有全天候、穿透性以及不受云的影响等特征,使其在反演土壤水分时具有很大的优势。通过研究发现,被动微波遥感是反演土壤水分的各种技术中最有效的方法之一。概括了主要的被动微波传感器并从被动微波遥感的原理出发,针对被动微波遥感裸露区地表随机粗糙面的模型以及土壤水分反演算法作了简要介绍。     

被动微波遥感估算雪水当量研究进展与展望

被动微波遥感可以透过云层，全天候地提供地表一定深度的信息。星载被动微波遥感传感器的时间分辨率很高，在冰冻圈动态研究中有着重要的地位。在最近的二三十年中，大量被动微波遥感的应用都是在美国、加拿大、欧洲等地，而我国在这方面的研究相对较少。首先介绍了被动微波遥感数据在监测积雪方面的国内外研究进展，对现存的雪水当量（SWE）估算算法（和模型）的适用性进行讨论。然后，详细讨论了我国西部的青藏高原地区雪水当量的估算，阐明了利用SSM／I数据估算青藏高原地区雪水当量的复杂性，并指出了其复杂性产生的原因，提出了解决问题的方法，为该地区积雪动态的进一步研究提供了理论依据。     

被动微波遥感反演地表温度研究进展

热红外遥感技术在地表温度反演中已经获得了丰厚的果实,反演精度可达到1 K,然而,大气中云雾和尘埃对热红外遥感探测地表温度影响很大,限制了热红外遥感反演地表温度的应用.相反,被动微波遥感受大气干扰小,可穿透云层获取地表辐射信息,并具有全天候、多极化等特点,在地表温度反演中具有独特的优越性.但是微波信号也受多种因素的影响,其反演地表温度的算法目前尚不成熟,有待进一步研究.根据不同微波辐射计特征,系统讨论并评估了被动微波反演地表温度的经验模型、物理模型以及半经验模型及其发展过程,指出目前研究的难点和缺点,为今后相关研究提供参考.     

积雪被动微波遥感研究进展

积雪是冰冻圈中最活跃的要素之一,被动微波遥感具有高时间分辨率且能够迅速覆盖全球,在积雪时空变化监测中作用突出.总结分析了积雪被动微波遥感的主要模型,并对其方法、特点和适用性进行了较详细评述,重点介绍了NASA算法在雪深和雪水当量反演中的应用、反演结果的不确定性以及对它的改进.讨论新兴的积雪数据同化方法,介绍了同化被动微波观测以改进雪深和雪水当量反演精度的研究案例.评述了我国积雪被动微波遥感的进展,并且对未来可能的研究方向做出展望.     

基于被动微波遥感的积雪深度和雪水当量反演研究进展

积雪是冰冻圈重要组成要素之一,也是对天气和气候响应最为敏感的自然要素。被动微波能够穿透云层、积雪和大气进行全天候、全天时地工作,在估算积雪深度、雪水当量等积雪参数上有很大优势。综述了国内外基于被动微波遥感的积雪参数反演研究的进展,首先介绍了被动微波遥感监测积雪的基本理论,以及被动微波遥感数据;然后将当前的积雪深度和雪水当量反演算法总结为4类:(1)基于统计的线性反演算法;(2)基于微波积雪模型的反演算法;(3)基于先验知识的非线性反演算法;(4)数据融合与数据同化。随后介绍了常用的7种积雪数据产品,并讨论了影响积雪深度和雪水当量反演精度的几个因素,最后对未来积雪参数反演研究方向做出了展望。     

近十年淮南矿区地表热环境时空演变分析

地表温度是描述陆表过程和反映地表特征的重要参数.研究矿区地表温度的时空演变特征,对于理解煤矿开采活动对矿区生态环境的影响具有重要意义.淮南矿区是我国东部典型的高潜水位煤矿区,为了探究该区域地表温度的时空异质性与开采扰动的关系,利用2008—2018年5期Landsat影像进行地表温度的反演和下垫面信息提取,结合热力景观...     

地表粗糙度参数化研究综述

粗糙度反映了地表的起伏程度,是许多陆面过程的关键影响因子。然而,人们对地表系统认识的不足,造成现有的各种地表粗糙度参数化方案均存在一定的问题。从地表测量技术、粗糙度相关参数和遥感研究3个方面对地表粗糙度参数化研究现状进行了综述。针式廓线法和激光廓线法是当前主流的地表测量技术,而三雏激光扫描和摄影测量技术已展示出了较大的潜力。基于统计方法和基于分形理论的粗糙度相关参数具有截然不同的物理意义,但地表复杂的多尺度特性使得很难用一类参数进行描述。光学遥感与微波遥感均具有广阔的前景,其中前者需要注意与经典粗糙度参数化方案相结合,后者则需拓展在下一代遥感平台上的技术与方法。还针对不同尺度粗糙度参数的比较与转换,地表粗糙度的空间异质性与各向异性,以及三维表面粗糙度参数化等当前地表粗糙度参数化研究中的一些关键问题进行了讨论。     

寒区植被对冻土微波辐射影响的研究

理论和实验表明,微波辐射可以用来研究冻土的特性.但当冻土的上层被植被层覆盖时,植被吸收、发射并散射微波信号,冻土的微波辐射特征就会被改变.所以,研究植被层对冻土微波辐射特征的影响,对于准确获取下层冻土的微波辐射特性及冻土的变化监测极为重要.介绍了一种基于光线跟踪原理和耦合矩阵算法的微波辐射模型,用来计算植被层的发射率,可以计算得到视场内来自不同观测角度的整体发射率,以及V和H极化的相位差.根据车载双极化微波辐射计在C,X,K,Ka等4个波段的实测数据与模拟结果的比较,分别计算出来自植被层和冻土层的辐射,从而研究寒区植被对冻土的微波辐射影响.     

Research advances in passive microwave remote sensing of surface freeze-thaw state北大核心CSCD

Soil freeze-thaw cycles have important effects on surface water and energy balance,and then affect vegetation growth,soil water content,carbon cycle and terrestrial ecosystem. Passive microwave plays an important role in monitoring global and regional surface freeze-thaw processes due to its high temporal resolution,abundant data and sensitivity to soil moisture. With the launch of passive microwave sensors at home and abroad,it provides conditions for the study of permafrost interannual variation,seasonal variation,diurnal variation and long time series of near-surface soil freeze-thaw cycle. In recent years,the study of surface freeze-thaw cycle using passive microwave data has gradually increased. Based on previous studies,this paper summarizes the types of passive microwave remote sensing data and the characteristics of the bands contained in them. Expounded the principle of passive microwave monitoring data used for freezing and thawing,focus on passive microwave data in five categories in the study of freezing and thawing monitoring algorithms,including double index algorithm,the decision tree algorithm,freeze-thaw discriminant algorithm,seasonal threshold algorithm and based on the freezing L-band relative factors discriminant algorithm threshold,and analysis of 5 kinds of algorithms are compared;The freeze-thaw products based on different algorithms and passive microwave data were combed. Finally,the problems and future research directions of passive microwave remote sensing in surface freeze-thaw applications are summarized. In the acquisition of passive microwave data,it is found that the passive microwave data is missing due to the physical characteristics of the sensor,the shape and orbit of the earth,and the low resolution of passive microwave data leads to the low precision of freeze-thaw discrimination. For the problem of missing passive microwave data,it is proposed to use the average value of passive microwave data before and after two days to fill the missing brightness temperature data,or establish statistical function to complement the missing data. For the problem of low passive microwave resolution,the current development trend is to scale down based on passive microwave data and combine with multiple data products,such as ground temperature and active microwave data,or perform probability discrimination on surface freezing-thawing state in pixels,so as to better describe surface freeze-thaw state. In terms of the algorithm for discriminating surface freezing-thawing,based on the problem that dual-index algorithm,decision tree algorithm,freezing-thawing discriminant algorithm and seasonal threshold algorithm cannot accurately distinguish snow and frozen soil,this paper proposes to adopt the method of data assimilation or start from the snow radiation and frozen soil dielectric model. Optimization of the algorithm for the snow covered surface can further improve the accuracy of freeze-thaw classification. Based on existing freeze-thaw products,Although SMAP freeze-thaw products continue to be updated,SAMP satellite was launched late,and SAMP freeze-thaw products have a short time series. In the future,the time span of this algorithm for freezing-thawing products can be extended by combining L-band data provided by SMOS satellite. The problems mentioned above and the direction of further research are of great significance for improving the accuracy of freezing and thawing discrimination and improving the understanding of the variation law of freezing and thawing cycles,and also have certain research space. © 2022 Science Press (China).     

冻结土壤介电常数混合模型机理研究

介电常数是微波辐射传输理论所需的最重要、最基本的参数。通过研究平均温度低于-4℃,组分中含有冰的土壤——冻结土壤,建立了一种适用于微波波段冻结土壤的介电常数混合模型。该模型考虑了土壤温度、微波频率、土壤质地以及其中未冻水含量的影响。模型使用一点法计算未冻水含量,引入Stern双电层理论计算冻结土壤未冻水的介电常数,引入Maxwell-Garnett介电常数混合理论、介电常数容积混合理论构建冻结土壤介电常数混合模型。模型计算结果与实测资料进行了详细的对比分析,冻结土壤介电常数混合模型给出的介电常数实部、虚部的曲率与实验结果很好吻合,模型结果比较满意,对比分析证实了模型的可靠性。     

基于高密度电阻率法对季节性冻土的监测研究

通过建立正演冻土模型,验证了将高密度电阻率法应用于冻土监测的可行性。对高密度电阻率法装置进行特殊处理,将其应用于对季节性冻土的监测,并进行了七个月份的连续监测。结果表明:高密度电阻率法在季节性冻土监测中可行;通过对实测数据进行反演处理,得到电阻率反演剖面,可以看出表层土壤在季节变化中有明显的结冻、解冻行为;并可估算出冬季冻土深度范围。     

寒区冻土环境与工程环境间的相互作用

从冻土环境和工程环境相互作用着手 ,分析了青藏公路建设过程中的冻土环境破坏、环境保护状况及冻土环境保护对工程建设的重要性 ,同时对正在拟建的青藏铁路 ,阐述了人类经济活动对冻土环境和工程环境的影响 ,并初步提出寒区冻土、工程环境质量监测、管理和评价系统的设计框架.     

冻土沉降钻孔数码监测装置的研制

变形监测是岩土工程的重要组成部分,但大量常温工作环境下的岩土工程监测设备在面对低温环境时,将会遇到较非冻结区更为复杂的问题,其性能也将大打折扣。结合冻土区变形监测的特殊性,吸取数码监测、光纤传输的优点,研制了冻土变形钻孔沉降监测装置,详细介绍了该装置的原理和实施方式,并将其运用到青藏铁路试验路堤的现场监测中。结果显示该设备操作简单方便、监测结果可靠,精度满足科研、工程要求,可在冻土工程中运用。     

用于冻土实验大数据文件处理的软件设计与开发

冻土实验是冻土研究的重要基础,长时间的野外冻土监测和高频率采集的室内冻土测试会产出大量数据,传统数据处理程序往往无法有效处理这些大数据文件,因此开发了一个用于冻土实验大数据文件处理的软件系统.首先描述了该软件系统的组成,包括温度转换和显示、冻土力学实验数据转换和冻胀实验数据转换3个功能模块,并介绍了实现过程中涉及的主要关键技术,然后通过一个示例说明此软件具备的实用性和优异的性能.借助系统具备的扩展性设计,未来更多的实用功能将被添加到系统里面.     

土壤水分与干旱遥感研究的进展与趋势

对土壤水分和干旱遥感监测的国内外发展情况进行了回顾,依据土壤水分和干旱遥感监测的原理,围绕着可见光与近红外、热红外、微波光谱波段的使用,分别以土壤和植被为观测对象,对国内外土壤水分与干旱遥感现状与发展趋势进行讨论。重点对微波遥感土壤湿度的算法发展和研究趋势进行了较详细的论述。在总结国内外土壤水分遥感监测研究实验中所用过的方法与原理的基础上,对目前遥感监测土壤水分研究领域的重点、难点和未来的发展方向进行了评述。土壤水分遥感监测是一个复杂的间接过程,波段及变量选择、传感器的性能等因素对土壤水分监测是至关重要的,土壤的各种理化性状、地形的分异作用以及气候变化和人为的土壤管理措施对土壤水分均有不同的影响,地表特征与土壤水分也存在着一定的相关性。改进的热惯量法和作物缺水指数法是当前土壤水分遥感监测中较为成熟的方法。GIS技术的广泛应用、土壤水分遥感监测模型的优化。微波遥感的应用将是该领域的重点研究方向。