利用主被动微波遥感结合反演土壤水分的理论模型分析

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利用主被动微波遥感结合反演土壤水分的理论模型分析

杨立娟) 武胜利! 张钟军) *

北京师范大学信息科学与技术学院 北京")YYSTL !B中国气象局国家卫星气象中心 )B

北京")YYYS) *B遥感科学国家重点实验室 北京")YYSTL

摘要 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#3.%%$的主被动微波结合反演裸露地表土壤水分的算法'为了提高反演精度!同时利用3.%%搭载的测雨雷达#4.$和微波成像仪#3%6$进行观测'

.M3%66-%模型数据库'通过分析26-%模另外!针对4数据!还建立了包含大范围的土壤水分和粗糙度参数的26-%模型对地表后向散射和辐射的模拟发现!地表粗糙度参数对后向散射系数和亮温均有重要的影响'最后!在244几何光学模型#U5模型$和半经验模型444`型模拟数据库的基础上!利用理论模型4O模型!通过对地表粗糙.%%M4.和3%6度参数的分析!结合3数据!建立了一种主被动微波遥感相结合的反演裸露地表土壤水分的模型!并进一步获得了反演土壤水分的算法'

.%%&土壤水分关键词 主被动微波&3

4T!!BK"文献标识码 2"""文章编号 )YY)1YTYf#!Y))$Y!1YYL*1YK中图法分类号 3

性!若将二者结合!取其各自的优点将能获得更好的

Y"引言

尽管土壤水分在全球水资源总量中占的比例很小!然而它的地位却相当重要())'由于它是水文模型和气候模型的重要边界条件!因此在众多地表参数中备受关注'微波遥感提供了监测土壤水分空间分布的技术!由于其具有全天时%全天候的特点!并对云雾%雨雪%植被及干燥地物有一定的穿透能力!因此在农业%林业等领域的应用中显示出无可比拟的优势'

目前!微波遥感监测土壤水分的方法主要有基于雷达或散射计的主动微波遥感方法和基于微波辐射计的转动微波遥感方法两种!其中前者空间分辨率较高!对地表粗糙度和植被结构的变化响应显著!但数据处理复杂!且重复观测频率低&后者具有较高的时间分辨率!对土壤水分变化比较敏感!且数据处理简单!但空间分辨率较低'

事实上!由于受地表植被覆盖%土壤表面粗糙度以及地形等因素的影响!星载雷达以及星载辐射计两种方式均无法获取高精度的土壤水分信息(!)'通过对主动微波遥感与被动微波遥感分别与地表相互作用过程的研究!研究者逐步认识到!被动微波与主动微波在土壤水分反演方面分别有其优势和局限

土壤水分反演结果(*)'当前国内外有关这方面的研究表明!主被动微波遥感结合能够提高土壤水分反演的精度((1K)'其中具有代表性的是><<等人!YY(年的工作(T)'在><<提出的方法中!分别针对

辐射计的亮度温度及雷达的后向散射系数建立了与地表土壤水分%叶面积指数之间的关系!该方法不仅建立了表征前向模型的模拟结果与卫星观测数据之间差异的代价函数!还通过对代价函数的优化确定了前向模型中的各参数'但该方法将地表粗糙度设为定值!这样的假设定会影响反演结果'另一位具#I#?#A等人!YYK年的工作(S)'有代表性的是Q

Q#I#?#A假设在对同一地区进行的多次重复观测过

程中!地表植被情况不变&同时假设同一辐射计影像像元内部所有雷达影像像元的后向散射系数与土壤水分变化系数一致!即辐射计影像像元内的植被#I#?#A的研究使用了美国!YY!年覆盖比较均匀'Q

土壤水分实验#/%-fY!$中的机载辐射计#42>/$与机载合成孔径雷达#26./2.$数据!观测对象为美国6州的农田!因此可以保证较高的重复观测@V#周期及辐射计影像像元内均匀的植被覆盖'但事实上!目前的星载微波传感器无法满足同一区域的固定参数#地面入射角$的高重返周期!同时!对于数

收稿日期 !Y)Y1YT1)K&修订日期 !Y))1Y!1!S

基金项目 国家自然科学基金项目-基于模型融合的主被动微波遥感反演土壤水分算法研究+#编号(YSY))*!$&国家重点基础研究发

展计划-RT*+项目#编号"!YYT+,T)((Y*$'

*L(*

国"土"资"源"遥"感!Y))年

十公里的被动微波遥感影像像元而言!均匀的植被覆盖情况也难以保证'因此!这两个假设很大程度上限制了该方法在星载传感器上的实际应用(R)'

上述两类方法!由于在反演中都没有考虑对后向散射系数及亮温均有重要影响的地表参数中的粗糙度参数!因此会给反演结果带来比较大的不确定性'热带降雨观测计划卫星#3.%%$于)RRT年由美国国家航空和宇航局#Q2/2$以及日本航天发展局#Q2/=2$联合发射()Y)!其主要任务是是观测地程模型#26-%$()!)!它能描述从较光滑表面到粗糙6-%模型的适用范围已经过蒙表面的散射特征'2

特卡罗模拟验证和地面实验数据验证()*)!它能计算和模拟包括更宽范围的介电常数%粗糙度和频率等参数的地表辐射信号!其形式非常复杂'/G9等人在此基础上!用26-%模型建立了包含各种地表粗糙度和介电特性的裸露地表辐射模拟数据库!同时发展了一种多频率多极化的地表辐射参数化模型444

()()

`'其方程可表示为O模型

理坐标在(YkQh(Yk/的区域降水'在3.%%卫星上!同时搭载了主动微波测雨雷达传感器#4.$和被动微波成像仪传感器#3%6$'本文针对3.%%卫星的4.M3%6数据!使用高级积分方程模型26-%理论模型计算了地表的后向散射系数和辐射亮温!同时利用理论模型444几何光学模型#U5模型$和半经验模型444`O模型!通过对数据的分析!在地表粗糙度的基础上!利用主被动微波遥感相结合!共同反演了裸露地表土壤水分'

)"理论和模型研究

EBE"模型描述

为了描述地表的微波散射与辐射!目前有很多比较成熟的方法!如基尔霍夫模型%@G模型以及`O模型等'对于基尔霍夫模型!根据地表面起伏均方根高度与入射波长比值的大小又可分为两种方法!即驻留相位近似条件下的几何光学模型#大起伏$和标量近似条件下的物理光学模型#小起伏$'在许多有关面散射的理论中!基尔霍夫模型的表述是用得最为广泛的'它必须遵循以下条件!即

LCjK

C!

j!!TK.

式中!L为自由空间波数!Lg!%M

&.为地表均方根高度&C为地表相关长度& 为入射电磁波波长'满足这些条件的同极化微波地表后向散射的几何光学模型表达式为

Y

OO

#Y$<WO#1D#A!E!/!

$!/!N@C(

#)$

式中! #Y$为法线方向入射的菲涅耳反射系数& 为入射角&/为地表均方根坡度!它取决于所

采用的相关函数'

在基尔霍夫等模型之后!&

JA;等人于)RR!年又提出了积分方程模型#6

-%$()))!该模型是基于电磁波辐射传输方程的地表散射模型!已被广泛应用于微波地表散射%辐射的模拟和分析中'+G<A等人又对6

-%模型进行了改进!发展了一种高级积分方?OgQO*&ae#)1QO$*&O

#!$

式中!?O是O极化情况下的有效反射率&QO为O极化情况下地表粗糙度参数&&a%&O分别为a!O极

化情况下的菲涅耳反射系数'

在本研究中!要在改进的积分方程模型#26-%$基础上!对各种地表条件下的后向散射以

及辐射情况进行模拟研究!首先建立3.%%微波仪器地表散射辐射模拟数据库&然后在保证精度的前提下!再用简化的理论模型444U5模型和半经验物理模型444`O模型重新对散射%辐射 …… 此处隐藏：9566字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……