多極化雷達(dá)反演植被覆蓋地表土壤水分研究.pdf

1、土壤水分的研究對于水文學(xué)、氣象學(xué)和農(nóng)業(yè)科學(xué)都具有重要意義。獲取不同尺度、高精度的土壤水分參數(shù)一直是全球變化、氣象、水文以及農(nóng)業(yè)等不同領(lǐng)域科學(xué)家努力的重要方向。 已有的研究表明，微波對土壤水分(土壤介電常數(shù))非常敏感。但微波的觀測還同時受到地表粗糙度以及植被層的影響，因此植被覆蓋下的土壤水分反演問題較為復(fù)雜。為了理解微波與土壤水分、地表粗糙度及植被參數(shù)之間的關(guān)系，研究人員已經(jīng)通過理論分析和實地試驗開展了各種研究。本研究則是在單散射

2、體和植被理論模型的研究基礎(chǔ)之上，發(fā)展植被覆蓋下土壤水分的反演算法。 在本研究中，我們使用了SMEX02試驗中的AirSAR和PALS實測數(shù)據(jù)研究植被覆蓋區(qū)地表的土壤水分反演問題。本文在單散射體分析的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有植被散射模型進(jìn)行了改進(jìn)，并基于改進(jìn)植被模型的模擬數(shù)據(jù)庫建立了土壤水分的反演算法。本文的主要研究內(nèi)容有： 1、實現(xiàn)和驗證了單散射體散射計算的理論模型，并分析了單散射體性質(zhì)對植被消光和散射的影響。 2、改進(jìn)了

3、現(xiàn)有的一階植被模型，發(fā)展了高階植被模型和混合植被模型，并對各個模型進(jìn)行了比較驗證。 3、利用改進(jìn)的一階植被模型模擬數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫考慮了植被散射體的空間分布、散射體的尺寸和含水量等性質(zhì)。 4、基于對模擬數(shù)據(jù)庫的分析，分別采用三種辦法研究土壤水分的反演：a.分析植被各個散射機(jī)制的去極化因子，用以判斷主導(dǎo)散射機(jī)制，進(jìn)而估算土壤水分的變化；b.論證了地表反射率和雷達(dá)后向散射系數(shù)的線性關(guān)系，進(jìn)而通過確定其斜率來估算土壤水分的變化

4、；c.通過主、被動結(jié)合的方式，估算前述線性關(guān)系的截距，進(jìn)而用于監(jiān)測土壤水分的變化。 本研究的創(chuàng)新性研究成果主要有以下幾個方面：1.本文系統(tǒng)的研究了L波段植被散射體的性質(zhì)，包括散射體的空間分布，對植被散射和消光特性的影響。本文還首次研究了介電圓柱體的尺寸分布對其消光和散射的影響。 2.引入了AIEM模型、廣義Rayleigh-Gans近似和Oh模型，以及植被和地表的非相干作用項，改進(jìn)了已有一階植被模型。 3.引入M

5、atrixDoubling方法實現(xiàn)了植被的高階散射模型。 4.本文在一階模型和高階模型的研究基礎(chǔ)上，提出并實現(xiàn)了更具通用性的混合植被模型。 5.提出了通過去極化因子分析，判斷主導(dǎo)散射機(jī)制并進(jìn)而估算土壤水分變化的算法。 6.利用雷達(dá)重復(fù)觀測，基于雷達(dá)后向散射系數(shù)和土壤水分間簡單線性表達(dá)，通過對模型模擬數(shù)據(jù)庫的回歸分析，估算線性關(guān)系的斜率，建立了監(jiān)測土壤水分變化的算法。 7.嘗試了利用被動微波的土壤水分反演值