居延泽地区土壤水分的遥感反演与验证李雁飞

摘要

土壤水分是地球表层系统中水圈的重要组成部分，其蒸发和凝结过程是联系陆地与大气能量交换的纽带，是水文、气候、生态、农业等领域进行科学研究的关键要素之一。土壤水分的贮存和传输对环境演变起着至关重要的作用，精准地测量土壤水分及其时空分布，是土壤水分监测和环境演变研究领域的重点问题。在土壤水分获取方法中，传统测量手段采样范围小、效率低、信息量有限。遥感技术的应用，有助于获取多尺度、大范围、高精度的地表参数信息，有助于监测土壤水分的分布状况，已发展成为当前最有效的手段之一，尤其是主动微波遥感，在土壤水分反演方面具有突出优势。
　　居延泽地区位于干旱半干旱区，水是环境中最主要的敏感因素之一，进行土壤水分的研究有着很重要的意义。而且居延泽远离城镇，受人类活动影响小，通过遥感监测的土壤水分变化能够反映出区域自然变化的状态。本文的主要目的是将主动微波遥感技术应用于居延泽地区，研究适用于当地的土壤水分遥感反演经验模型，对当地进行土壤水分的遥感反演。
　　在研究中，首先以AIEM模型为基础，模拟C波段微波信号在干旱半干旱区裸露地表的后向散射特性，分析讨论了后向散射系数对入射角、土壤水分和粗糙度参数的响应关系。其次根据后向散射系数与粗糙度组合参数、菲涅尔反射系数的高度相关性，利用回归方法建立了裸露地表反演土壤水分的经验模型。第三，对经验模型与AI EM模型的模拟结果进行对比，以 VV极化为例，相关系数达0.986，表明经验模型具有良好的模拟精度。第四，利用居延泽地区的部分实测数据作为训练样本，结合影像后向散射系数，得到符合研究区的经验系数，确定最终的反演经验模型。最后，将经验模型应用到居延泽地区，使用经过处理的Radarsa t-2微波影像的VV、VH极化数据，得到了居延泽地区的土壤水分反演结果图。使用其余样本实测值对反演结果进行精度验证，得知两者具有良好的相关性（R2=0.775），并通过了显著性检验。结合实地地表类型，对研究区土壤水分分布状况进行分析，研究区土壤含水量整体偏低，在0.01-0.02cm3/c m3的区域占到全部的41.58％。结果表明，本研究反演模型在裸露地表区域具有较好的应用效果，基本满足反演精度要求；土壤反演结果整体符合研究区的水分分布状况。

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第一章 绪论

1. 1研究意义及选题依据

1. 2国内外研究现状

1. 3研究内容和技术路线

1. 4论文结构

第二章 微波遥感及地表参数介绍

2. 1微波遥感机理

2. 2雷达基础

2. 3裸露地表参数

2. 4 裸露地表微波散射模型

第三章 研究区概况与数据分析

3. 1研究区概况

3. 2影像的介绍与处理过程

3. 3样点分布、样品采集及野外测量

3. 4室内实验

3. 5小结

第四章 AIEM模型对C波段四极化后向散射模拟

4. 1表面自相关函数的选择

4. 2后向散射系数对雷达入射角的依赖关系

4. 3后向散射系数对土壤水分的响应

4. 4后向散射系数对地表粗糙度的响应

4. 5小结

第五章 模型建立和土壤水分的反演与验证

5. 1经验模型的建立

5.2 土壤水分的反演与结果验证

5.3 小结

第六章 结论与展望

6. 1结论

6. 2创新之处

6. 3存在的问题与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢