基于粗糙度参数的风沙滩地区土壤水分微波遥感反演模型研究

摘要

水是人类及地球上一切生物赖以生存且必不可少的重要物质，是农业生产、经济发展过程中极为宝贵的自然资源。土壤水分是水循环中重要的参数之一，它不仅是联系降水和地下水的纽带，还决定着植被的生长发展。鄂尔多斯风沙滩地区属干旱半干旱荒漠区，降雨稀少，蒸发量大。近年来，地表土壤水分的大量蒸发和流失导致区域内土壤盐渍化、荒漠化以及植被和耕地的退化，不仅制约了当地农业经济的发展，生态环境也日益脆弱。因此，在干旱缺水地区监测土壤水分具有重要的意义。
　　微波遥感技术是目前大尺度土壤水分监测的主要手段，与传统的测量手段相比，微波遥感具有全天时，全天候的优势，能够实现大面积、实时监测。利用微波遥感反演土壤水分是一种十分有效的手段，对水环境评价以及合理利用水资源具有现实的指导意义。
　　微波遥感反演土壤水分关键是要建立后向散射系数与土壤水分的函数关系，然而对于裸露地表，影响雷达后向散射系数的重要参数是地表粗糙度，因此，对地表粗糙度进行精确描述，并去除粗糙度对后向散射的影响，是提高土壤水分反演精度的关键所在。
　　本文以风沙滩地区为研究区，利用AIEM模型模拟雷达后向散射系数与粗糙度、土壤水分之间的关系，分别建立了基于组合粗糙度、有效相关长度以及粗糙度定标的AIEM反演模型，针对组合粗糙度、有效粗糙度、粗糙度定标这三大描述粗糙度的方法进行深入探究；通过评价各模型的精度，确定出适合研究区的最佳土壤水分反演模型。利用RADARSAT-2C波段全极化雷达数据对研究区进行地表土壤水分反演，并制作土壤水分分布图，结合研究区DEM数据与GF-1遥感数据，从不同尺度分析土壤水分与地形地貌的关系。主要研究成果如下：
　　（1）实验发现，法向菲涅尔反射系数与后向散射系数的相关性较土壤水分与后向散射系数的相关性更显著；由此，基于AIEM模型以法向菲涅尔反射系数建立的土壤水分反演模型，较直接以土壤水分建立的反演模型反演精度要高。
　　（2）在利用不同粗糙度参数构建的土壤水分反演模型中，基于组合粗糙度的AIEM模型反演效果较好，基于粗糙度定标的AIEM模型次之，基于有效相关长度的AIEM模型反演效果一般。其中，基于新的组合粗糙度参数Zs=s3/l的AIEM模型精度较高，其相关系数、平均相对误差、平均绝对误差、一致性指数和均方根误差分别为0.942、26.4％、4.95%、0.885和6.00%。该模型较适合于干旱半干旱地区土壤水分的反演。
　　（3）研究区土壤水分反演图显示，整个区域土壤含水量较低，平均为12%，土壤含水量小于10%的地区多为沙丘，土质为砂质。总体来看，土壤水分分区明显，呈西北—东南向高、低相间的条带状分布。
　　（4）通过典型剖面分析不同尺度土壤水分与地形、地貌的关系，发现土壤含水量的分布与沙丘、草滩的分区一致，即沙丘区土壤含水量低，在12%以下，草滩区土壤含水量高，平均含水量为21%。从地形上来看，整个研究区地势较高的沙丘与草滩相间分布，呈西北—东南向条带状；一些流动沙丘，由于风力作用沙丘表层呈现高低不平的鱼鳞状分布，不同尺度的剖面显示，土壤水分与地形有着较好的响应关系，进一步验证了土壤水分反演结果的可靠性。

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第一章 绪论

1.1选题背景与研究意义

1.2国内外研究进展

1.3本文研究内容与技术路线

第二章 土壤水分微波遥感反演理论基础

2.1微波遥感

2.2土壤介电特性

2.3粗糙度参数

第三章 土壤水分微波遥感反演模型

3.1经验模型

3.2半分析模型

3.3理论模型

第四章 研究区概况及数据采集与处理

4.1研究区概况

4.2数据获取与处理

第五章 土壤水分反演模型的建立与应用

5.1基于组合粗糙度的AIEM模型

5.2基于有效相关长度的AIEM模型

5.3基于粗糙度定标的AIEM模型

5.4 基于不同粗糙度参数的反演模型精度评价

5.5模型的应用

结论与展望

主要结论

创新点

不足与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢