植被覆蓋地表極化雷達土壤水分反演與應用研究.pdf

1、當前土壤水分是預測、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給等的一個重要的參數(shù)；同時土壤水分的補給也是影響植被生態(tài)系統(tǒng)時空動態(tài)變化的一個關鍵因素。因此土壤水分含量匱乏與飽和的時空波動信息與很多應用息息相關，如：植被長勢預測，確定合適的播種時間，判別農(nóng)作物區(qū)土壤的侵蝕程度以及監(jiān)測土壤表層動態(tài)過程(物理的，化學的以及生物的等等)。土壤水分還是水文學以及氣象學模型的輸入?yún)?shù)并能夠確定環(huán)境敏感區(qū)。因此研究土

2、壤水分的動態(tài)變化特性是當前國際上研究的一個重要課題之一。 已有的研究表明，合成孔徑雷達的后向散射系數(shù)對地表土壤水分(土壤介電常數(shù))非常敏感。但由于地表的復雜性，雷達后向散射系數(shù)還受地表粗糙度以及植被層的強烈影響，因此研究植被層覆蓋下的土壤水分相對比較困難。近年來，開展了各種理論的、試驗性的研究以了解雷達后向散射與土壤水分、地表粗糙度及植被散射之間的關系。本研究就是在L波段全極化機載雷達數(shù)據(jù)的基礎上，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上，將植被覆蓋地表的后向散射分為與植被相關的散射項及與地表相關的散射項兩個部分，并建立了植被覆蓋地表的后向散射模擬數(shù)據(jù)庫；在模擬數(shù)據(jù)庫的基礎上應用分解的方法將地表后向散射項從植被覆蓋區(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，再應用地表散射模型估算出土壤水分信息。本論文的主要研究內(nèi)容有

4、： 1、應用特征根、特征向量的極化分解技術(shù)，將L波段全極化機載雷達數(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)不同時相土壤水分的變化； 2、研究不同極化下雷達數(shù)據(jù)對植被覆蓋地區(qū)散射機制的響應特性，應用不同時相的水平極化及垂直極化對植被-土壤之間各自的響應特點估算了植被覆蓋下地表土壤水分變化，并進行了對比分析。 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)雷達后向散射間關系，并利用不同極化多時相數(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后向散射模擬數(shù)據(jù)庫的基礎上，研究農(nóng)作物覆蓋地區(qū)多極化數(shù)據(jù)與雷達后向散射系數(shù)之間的關系，以及不同極化對植被層、土壤水分、植-土多次散射的響應特性，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數(shù)據(jù)與植被層后向散射系數(shù)之間的關系，從而能不借助其他輔助參數(shù)對植被層的描述，完全使用不同極化下的雷達后向散射系數(shù)描述植被層后向散射。 2、建立了多時相數(shù)據(jù)的極化組合對植被覆蓋區(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，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；并將其應用到全極化機載極化雷達數(shù)據(jù)