多极化雷达反演植被覆盖地表土壤水分研究

摘要

土壤水分的研究对于水文学、气象学和农业科学都具有重要意义。获取不同尺度、高精度的土壤水分参数一直是全球变化、气象、水文以及农业等不同领域科学家努力的重要方向。 已有的研究表明，微波对土壤水分(土壤介电常数)非常敏感。但微波的观测还同时受到地表粗糙度以及植被层的影响，因此植被覆盖下的土壤水分反演问题较为复杂。为了理解微波与土壤水分、地表粗糙度及植被参数之间的关系，研究人员已经通过理论分析和实地试验开展了各种研究。本研究则是在单散射体和植被理论模型的研究基础之上，发展植被覆盖下土壤水分的反演算法。 在本研究中，我们使用了SMEX02试验中的AirSAR和PALS实测数据研究植被覆盖区地表的土壤水分反演问题。本文在单散射体分析的基础上，对现有植被散射模型进行了改进，并基于改进植被模型的模拟数据库建立了土壤水分的反演算法。本文的主要研究内容有： 1、实现和验证了单散射体散射计算的理论模型，并分析了单散射体性质对植被消光和散射的影响。 2、改进了现有的一阶植被模型，发展了高阶植被模型和混合植被模型，并对各个模型进行了比较验证。 3、利用改进的一阶植被模型模拟数据库。该数据库考虑了植被散射体的空间分布、散射体的尺寸和含水量等性质。 4、基于对模拟数据库的分析，分别采用三种办法研究土壤水分的反演：a.分析植被各个散射机制的去极化因子，用以判断主导散射机制，进而估算土壤水分的变化；b.论证了地表反射率和雷达后向散射系数的线性关系，进而通过确定其斜率来估算土壤水分的变化；c.通过主、被动结合的方式，估算前述线性关系的截距，进而用于监测土壤水分的变化。 本研究的创新性研究成果主要有以下几个方面：1.本文系统的研究了L波段植被散射体的性质，包括散射体的空间分布，对植被散射和消光特性的影响。本文还首次研究了介电圆柱体的尺寸分布对其消光和散射的影响。 2.引入了AIEM模型、广义Rayleigh-Gans近似和Oh模型，以及植被和地表的非相干作用项，改进了已有一阶植被模型。 3.引入MatrixDoubling方法实现了植被的高阶散射模型。 4.本文在一阶模型和高阶模型的研究基础上，提出并实现了更具通用性的混合植被模型。 5.提出了通过去极化因子分析，判断主导散射机制并进而估算土壤水分变化的算法。 6.利用雷达重复观测，基于雷达后向散射系数和土壤水分间简单线性表达，通过对模型模拟数据库的回归分析，估算线性关系的斜率，建立了监测土壤水分变化的算法。 7.尝试了利用被动微波的土壤水分反演值，通过主、被动结合的方式监测土壤水分变化的算法。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第一节微波反演土壤水分的意义

第二节研究现状

第三节选题依据及论文主要内容

3.1选题依据

3.2 主要研究内容

第四节论文结构

第二章主动微波遥感反演土壤水分基础

第一节雷达基础

1.1雷达方程

1.2雷达后向散射系数

1.3雷达系统参数

第二节地表和植被参数

2.1概述

2.2地表粗糙度

2.3土壤水分

2.4植被的含水量

第三节微波系统介绍

3.1 AirSAR系统

3.2 PALS系统

3.3Hydros 项目

本章小结

第三章植被单散射体的消光和散射特性研究

第一节单散射体散射模型及验证

1.1瑞利近似、广义Rayleigh-Gans近似及其验证

1.2物理光学近似及其验证

1.3无限长圆柱体近似及验证

第二节植被的消光和散射特性

2.1介电圆片的消光和散射特性

2.2介电圆柱的消光和散射特性

2.3散射体尺寸分布的影响

本章小结

第四章植被覆盖地表的散射模型及其验证

第一节改进的低阶植被微波散射模型

1.1植被覆盖地表的各散射机制

1.2地面散射模型

1.3一阶模型验证

第二节高阶植被微波散射模型

2.1Matrix Doubling算法的基本思想

2.2 Matrix Doubling应用于植被覆盖的地表

2.3Matrix Doubling验证

第三节混合植被微波散射模型

3.1混合植被模型

3.2混合植被模型与其它模型的比较和验证

3.3利用混合植被模型研究多层植被

本章小结

第五章植被覆盖地表土壤水分的反演研究

第一节研究区介绍

第二节土壤水分反演算法

2.1去极化因子分析

2.2简单线性关系分析

2.3主、被动微波遥感联合分析

本章小结

第六章结论与讨论

第一节创新成果

第二节存在问题与展望

参考文献

攻读博士学位期间第一作者发表论文

致谢