發(fā)布時(shí)間：2020-05-27 13:49

【摘要】：主被動(dòng)微波遙感反演土壤水分具有巨大潛力,但主被動(dòng)微波遙感在土壤水分監(jiān)測(cè)中各具特色。主動(dòng)微波雷達(dá)遙感具有高空間分辨率的特性,但重訪時(shí)間長(zhǎng)、土壤水分反演精度偏低;被動(dòng)微波遙感具有重訪時(shí)間短、土壤水分反演精度高的優(yōu)勢(shì),但空間分辨率低。為了獲取高空間分辨率、高精度的土壤水分產(chǎn)品,基于主動(dòng)微波SAR與被動(dòng)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)的土壤水分協(xié)同反演是一個(gè)有效途徑。本論文充分考慮目前主被動(dòng)微波遙感傳感器和數(shù)據(jù)的特點(diǎn),開(kāi)展C波段主動(dòng)微波雷達(dá)數(shù)據(jù)和L波段被動(dòng)微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)協(xié)同反演表層土壤水分研究。主要包括以下研究?jī)?nèi)容:基于土壤介電特性影響因素的多種混合介電常數(shù)模型的模擬精度與適用性研究。首先深入分析土壤質(zhì)地、礦物組成、土壤水分含量、溫度和頻率五種因素對(duì)土壤介電特性的影響,然后全面收集國(guó)內(nèi)外多種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從土壤質(zhì)地、溫度、頻率三個(gè)方面對(duì)物理的Mironov、半經(jīng)驗(yàn)的Dobson、Wang和Schmugge模型、經(jīng)驗(yàn)的Hallikainen四種混合介電常數(shù)模型開(kāi)展模擬精度分析和適用性評(píng)價(jià)研究,提出了土壤水分主被動(dòng)微波反演時(shí)不同土壤類型應(yīng)采用的最優(yōu)介電常數(shù)模型。針對(duì)不同的土壤質(zhì)地條件,關(guān)于土壤介電常數(shù)實(shí)部和虛部的模擬,Mironov模型的精度最高,其次為Haillikainen模型,Dobson、Wang 和 Schmugge 模型精度較差。其中對(duì)于 Mironov、Dobson、Wang 和 Schmugge、Haillikainen四種模型的土壤介電常數(shù)實(shí)部模擬值,所統(tǒng)計(jì)的RMSE平均值分別為1.58、5.18、5.02和2.94。此外,對(duì)于粉砂壤土類、粉砂粘壤土類和粉砂粘土類土壤,隨著粉砂含量比例增加,Mironov模型的模擬精度降低,而Dobson模型的模擬精度最好;針對(duì)不同的溫度條件,在非凍土期Mironov、Dobson、Wang和Schmugge三種模型模擬的介電常數(shù)隨溫度增加而發(fā)生的相對(duì)變化都與實(shí)測(cè)值的變化幅度基本一致,但是在凍土期四種模型都不適用,另外Haillikainen模型只適用于常溫下土壤介電常數(shù)模擬;針對(duì)不同的頻率條件,四種介電常數(shù)模型模擬的介電常數(shù)隨頻率變化而引起的相對(duì)變化與實(shí)測(cè)情況基本一致,表明四種模型在不同頻率的介電常數(shù)模擬都適用�？偟膩�(lái)說(shuō),針對(duì)L波段的微波土壤水分反演,優(yōu)先選擇Mironov混合介電常數(shù)模型,隨著土壤質(zhì)地條件的變化,對(duì)于粉砂壤土類、粉砂粘壤土類和粉砂粘土類中粉砂含量異常高的土壤,優(yōu)先選擇Dobson模型。基于亮度溫度降尺度的C和L波段主被動(dòng)微波數(shù)據(jù)協(xié)同的土壤水分反演模型研究。首先利用AIEM模型和Tor Vergata離散后向散射和輻射模型分別模擬C、L波段裸土區(qū)和植被區(qū)W極化后向散射系數(shù)和V極化發(fā)射率之間的關(guān)系特征,模擬結(jié)果顯示,L波段V極化發(fā)射率與C波段VV極化后向散射系數(shù)之間呈現(xiàn)高度線性相關(guān)。然后根據(jù)被動(dòng)微波輻射傳輸模型和主動(dòng)微波的后向散射理論構(gòu)建了后向散射系數(shù)與反射率的線性關(guān)系,同時(shí)引入主動(dòng)微波的極化分解理論進(jìn)行主動(dòng)微波后向散射系數(shù)的分解,并分析主動(dòng)微波后向散射機(jī)制中表面散射、二面散射和體散射三分量的物理數(shù)學(xué)關(guān)系,基于此,建立了后向散射系數(shù)與反射率線性關(guān)系的系數(shù)的物理表達(dá)式,從而發(fā)展了一種新的基于后向散射系數(shù)的的亮度溫度空間降尺度算法。并進(jìn)一步結(jié)合被動(dòng)微波土壤水分反演的單通道算法SCA-V,建立了基于亮度溫度降尺度的C和L波段主被動(dòng)微波數(shù)據(jù)協(xié)同的土壤水分反演模型。最后聯(lián)合SMEX02實(shí)驗(yàn)區(qū)AirSAR C波段后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)和PALS的L波段輻射亮度溫度進(jìn)行亮度溫度的降尺度和土壤水分反演,并利用實(shí)測(cè)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,兩者相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了 0.69,RMSE為0.051 cm3·cm-3,表明該模型可靠。基于土壤水分產(chǎn)品降尺度的C和L波段主被動(dòng)微波數(shù)據(jù)協(xié)同的土壤水分反演模型研究。首先利用AIEM模型和TorVergata離散后向散射和輻射模型分別模擬了 C波段裸土區(qū)和植被區(qū)微波VV極化后向散射系數(shù)與土壤含水量的關(guān)系特征,模擬結(jié)果表明,linear形式的后向散射系數(shù)與土壤含水量之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。然后根據(jù)其線性關(guān)系,考慮粗尺度內(nèi)的空間異質(zhì)性,發(fā)展了一種新的土壤水分產(chǎn)品降尺算法,并結(jié)合單通道的SCA-V被動(dòng)微波土壤水分反演算法,建立了基于土壤水分產(chǎn)品降尺度的C和L波段主被動(dòng)微波數(shù)據(jù)協(xié)同的土壤水分反演模型。最后利用SMEX02實(shí)驗(yàn)區(qū)中C波段AirSAR雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)PALS L波段被動(dòng)微波反演的4000 m低空間分辨率的土壤水分結(jié)果進(jìn)行降尺度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)微波遙感協(xié)同的土壤水分反演。利用實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,兩者相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了 0.71,RMSE為0.053 cm3.cm-3,結(jié)果表明該模型同樣具有較好的可靠性。基于星載C波段Sentinel-1 SAR與L波段SMAP輻射計(jì)數(shù)據(jù)的區(qū)域土壤水分反演及驗(yàn)證。首先,針對(duì)預(yù)處理后的3km空間分辨率C波段Sentinel-1 SARVV極化和VH極化后向散射系數(shù)數(shù)據(jù)、9km SMAP亮度溫度數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的土壤溫度、土壤質(zhì)地和植被含水量等輔助數(shù)據(jù),然后基于本研究所提出的兩種主被動(dòng)微波協(xié)同的土壤水分反演模型,進(jìn)行河南省3km空間分辨率的土壤水分反演。最后利用2017年3月21日、4月1日、4月11日、4月21、5月1日和5月11日的10cm表層土壤水分站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)河南地區(qū)2017年3月18日至4月6日、4月11至4月19、5月5日至5月13日兩種土壤水分產(chǎn)品進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示,基于亮度溫度降尺度的土壤水分反演模型的土壤水分反演結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均RMSE為0.041 cm3·cm-3,bias為-0.008 cm3·cm-3,ubRMSE為0.040 cm3·cm-3,R為0.61;基于土壤水分產(chǎn)品降尺度的土壤水分反演模型所反演的土壤水分與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的RMSE為0.043 cm3.cm-3,bias為-0.021 cm3.cm-3,ubRMSE為0.037cm3.cm-3,R為0.67。反演表明本研究提出的兩種土壤水分反演模型均可以應(yīng)用于基于星載C波段Sentinel-1 SAR和L波段SMAP亮度溫度數(shù)據(jù)的區(qū)域土壤水分主被動(dòng)微波協(xié)同反演,且具有較高的精度。
【圖文】：

土壤一濕土壤的介電常數(shù)實(shí)部變化范圍大約為５－３０［１４］。隨著技術(shù)的發(fā)展，基于逡逑微波遙感對(duì)土壤水分等地表參數(shù)的觀測(cè)已從地面理論試驗(yàn)階段，經(jīng)算法開(kāi)發(fā)、星逡逑載驗(yàn)證階段，，開(kāi)始走向大區(qū)域／全球的土壤水分的業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)階段（如圖１．２）邋［］４］。逡逑３逡逑

圖１．３技術(shù)路線逡逑１．５論文組織結(jié)構(gòu)逡逑根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，論文章節(jié)安排如下：逡逑第一章：緒論。介紹本文的研宄目的和意義，土壤水分微波遙感反演的國(guó)內(nèi)逡逑外研究進(jìn)展，以及論文的主要研宄內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。逡逑第二章：土壤水分微波遙感反演物理基礎(chǔ)及被動(dòng)微波輻射模型。對(duì)本論文中逡逑涉及的物理概念，裸土區(qū)微波輻射模型和植被區(qū)輻射模型進(jìn)行介紹。逡逑第三章：多種混合介電常數(shù)模型的模擬精度分析與適用性評(píng)價(jià)。分析土壤介逡逑電常數(shù)與電磁場(chǎng)的物理關(guān)系，探討土壤質(zhì)地、土壤水分含量等五種因素對(duì)土壤介逡逑電特性的影響，介紹邋Ｍｉｒｏｎｏｖ、Ｄｏｂｓｏｎ、Ｗａｎｇ邋和邋Ｓｃｈｍｕｇｇｅ、Ｈａｌｌｉｋａｉｎｅｎ邋四種逡逑代表性混合介電常數(shù)模型，并基于此，進(jìn)一步從土壤質(zhì)地、溫度、頻率三個(gè)方面逡逑對(duì)四種介電常數(shù)模型進(jìn)行土壤介電常數(shù)模擬精度的評(píng)價(jià)和不同條件下的適用性逡逑２１逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S152.7;S127

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 林潔;陳效民;張勇;;氣候變化與土壤濕度關(guān)系的研究進(jìn)展[J];土壤通報(bào);2012年05期

2 施建成;杜陽(yáng);杜今陽(yáng);蔣玲梅;柴琳娜;毛克彪;徐鵬;倪文儉;熊川;劉強(qiáng);劉晨洲;郭鵬;崔倩;李云青;陳晶;王安琪;羅禾佳;王殷輝;;微波遙感地表參數(shù)反演進(jìn)展[J];中國(guó)科學(xué):地球科學(xué);2012年06期

3 ;China land soil moisture EnKF data assimilation based on satellite remote sensing data[J];Science China(Earth Sciences);2011年09期

4 楊濤;宮輝力;李小娟;趙文吉;孟丹;;土壤水分遙感監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2010年22期

5 張北贏;徐學(xué)選;李貴玉;白曉華;;土壤水分基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J];中國(guó)水土保持科學(xué);2007年02期

6 邱揚(yáng);傅伯杰;王軍;張希來(lái);孟慶華;;土壤水分時(shí)空變異及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J];生態(tài)學(xué)雜志;2007年01期

7 施建成;蔣玲梅;張立新;;多頻率多極化地表輻射參數(shù)化模型[J];遙感學(xué)報(bào);2006年04期

8 劉志明,張柏,晏明,李鐵強(qiáng);土壤水分與干旱遙感研究的進(jìn)展與趨勢(shì)[J];地球科學(xué)進(jìn)展;2003年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 鄭興明;東北地區(qū)土壤濕度被動(dòng)微波遙感高精度反演方法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所);2012年

2 武勝利;基于TRMM的主被動(dòng)微波遙感結(jié)合反演土壤水分算法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（遙感應(yīng)用研究所）;2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 李芹;青藏高原地區(qū)主被動(dòng)微波遙感聯(lián)合反演土壤水分的研究[D];首都師范大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2683628