植被覆蓋地表極化雷達(dá)土壤水分反演與應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)前土壤水分是預(yù)測(cè)、估算并建立重要生態(tài)模型過程，例如水分的蒸散發(fā)、傳輸過程、地表徑流以及地下水補(bǔ)給等的一個(gè)重要的參數(shù)；同時(shí)土壤水分的補(bǔ)給也是影響植被生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此土壤水分含量匱乏與飽和的時(shí)空波動(dòng)信息與很多應(yīng)用息息相關(guān)，如：植被長(zhǎng)勢(shì)預(yù)測(cè)，確定合適的播種時(shí)間，判別農(nóng)作物區(qū)土壤的侵蝕程度以及監(jiān)測(cè)土壤表層動(dòng)態(tài)過程(物理的，化學(xué)的以及生物的等等)。土壤水分還是水文學(xué)以及氣象學(xué)模型的輸入?yún)?shù)并能夠確定環(huán)境敏感區(qū)。因此研究土

2、壤水分的動(dòng)態(tài)變化特性是當(dāng)前國(guó)際上研究的一個(gè)重要課題之一。 已有的研究表明，合成孔徑雷達(dá)的后向散射系數(shù)對(duì)地表土壤水分(土壤介電常數(shù))非常敏感。但由于地表的復(fù)雜性，雷達(dá)后向散射系數(shù)還受地表粗糙度以及植被層的強(qiáng)烈影響，因此研究植被層覆蓋下的土壤水分相對(duì)比較困難。近年來，開展了各種理論的、試驗(yàn)性的研究以了解雷達(dá)后向散射與土壤水分、地表粗糙度及植被散射之間的關(guān)系。本研究就是在L波段全極化機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展植被覆蓋下的土壤水分反演算

3、法，以估算低矮植被覆蓋地表下(主要是農(nóng)作物覆蓋區(qū))土壤水分含量。 本研究中首先在描述植被覆蓋地表的一階離散植被模型的基礎(chǔ)上，將植被覆蓋地表的后向散射分為與植被相關(guān)的散射項(xiàng)及與地表相關(guān)的散射項(xiàng)兩個(gè)部分，并建立了植被覆蓋地表的后向散射模擬數(shù)據(jù)庫(kù)；在模擬數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用分解的方法將地表后向散射項(xiàng)從植被覆蓋區(qū)總的后向散射中分解出來，從而不借助其他輔助數(shù)據(jù)消除了植被層散射影響，再應(yīng)用地表散射模型估算出土壤水分信息。本論文的主要研究?jī)?nèi)容有

4、： 1、應(yīng)用特征根、特征向量的極化分解技術(shù)，將L波段全極化機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)(AirSAR)分解，研究各分解單元的特性，結(jié)合一階離散植被散射模型，估算同一農(nóng)作物覆蓋地區(qū)不同時(shí)相土壤水分的變化； 2、研究不同極化下雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋地區(qū)散射機(jī)制的響應(yīng)特性，應(yīng)用不同時(shí)相的水平極化及垂直極化對(duì)植被-土壤之間各自的響應(yīng)特點(diǎn)估算了植被覆蓋下地表土壤水分變化，并進(jìn)行了對(duì)比分析。 3、基于一階離散植被模型分解技術(shù)，分解出植被覆蓋區(qū)總

5、的后向散射中植被層后向散射分量及地表后向散射分量，建立基于模型分解出的分量與植被覆蓋區(qū)雷達(dá)后向散射間關(guān)系，并利用不同極化多時(shí)相數(shù)據(jù)估算植被覆蓋區(qū)土壤水分變化。 4、在本研究建立的植被覆蓋地表雷達(dá)后向散射模擬數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，研究農(nóng)作物覆蓋地區(qū)多極化數(shù)據(jù)與雷達(dá)后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，以及不同極化對(duì)植被層、土壤水分、植-土多次散射的響應(yīng)特性，并初步建立植被覆蓋區(qū)土壤水分反演模型，估算出植被覆蓋地表的土壤水分含量。 論文工作中取

6、得的創(chuàng)新性成果有：1、研究了不同極化下雷達(dá)數(shù)據(jù)與植被層后向散射系數(shù)之間的關(guān)系，從而能不借助其他輔助參數(shù)對(duì)植被層的描述，完全使用不同極化下的雷達(dá)后向散射系數(shù)描述植被層后向散射。 2、建立了多時(shí)相數(shù)據(jù)的極化組合對(duì)植被覆蓋區(qū)地表土壤水分變化的估算算法并分析了不同極化驗(yàn)證結(jié)果的差異。 3、分析在本研究中建立的植被覆蓋地表后向散射模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)展了植被覆蓋地區(qū)(主要是低矮農(nóng)作物)土壤水分反演模型；并將其應(yīng)用到全極化機(jī)載極化雷達(dá)數(shù)據(jù)