高分辨率SAR影像裸土信息提取及土壤含水量反演初探

论文摘要

土壤含水量是气象学、土壤学、水文学、生态学等领域所关注和研究的重要内容,作为陆地与大气能量交换过程中的重要参数,它对于全球水循环以及气候变化具有十分重要的调节作用。开展土壤含水量的大范围调查不仅能够给土壤旱情和区域洪涝灾害监测提供基础数据信息,还能为水文、气候和生态模型提供基础输入参数。传统的地面调查方法存在时间上滞后、空间上“以点代面”的缺陷；而可见光-近红外遥感、热红外遥感以及被动微波遥感的空间分辨率对于本研究区来说过于粗糙,因此本研究中选取了新一代主动微波传感器ALOS/PALSAR影像作为数据源。在系统地总结了SAR进行土壤含水量反演的国内外研究进展及存在的问题后,发现现有的算法与模型均不适用于浙江省上虞市海涂围垦区,为了对该研究区部分区域的裸土进行土壤表层含水量反演,本文初步建立了研究区裸土土壤含水量反演的经验模型。本研究首先对ALOS三种影像数据进行研究区内土地利用分类特别是季节性裸地的提取潜力做了分析,这是为下一步反演所作的基础工作。对单一光学数据AVNIR-2、光学AVNIR-2与同时相全色数据PRISM融合后的影像以及纹理分析、主成分分析处理后的雷达PALSAR HH/HV双极化影像,均进行了土地利用分类,结果显示：光学影像能够比较准确的区分研究区内的11个二级地类,分类潜力突出；而雷达影像对于5个大地类尚具可分性,进行再细致的分类则无法得到较高的精度。这个结果表明：ALOS的光学影像能够作为较准确的土地利用分类数据源；当遭遇云雾雨雪天气无法得到光学数据时,雷达数据可以充当替代数据源进行土地利用的粗分类。在此分类基础上,对2010年5月21日PALSAR数据提取研究区内的裸地斑块信息,为下一步反演做准备。其次,利用2010年11月21日地面同步实验测量所得北部田块的土壤含水量数据与同期的雷达数据后向散射系数进行拟合,建立研究区裸地土壤含水量反演的经验模型。在模型的第一步精度检验中,选择了同期实验的南部研究区田块,将实测数据与反演所得结果进行比较,发现模型在同一天南部试验区田块上的反演结果准确度较高；第二步精度检验中,选择了2010年5月21日的PALSAR HH/HV双极化数据及进同步地面试验实测数据,但由于地面数据与雷达数据的时相差、地面裸土已被覆盖薄膜的可能性等因素,模型的第二步精度评价并未得到一个明确的结果,仍需要一次地面同步实验数据来进行模型在其他土壤上反演的适用性精度评价。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 表目录
• 图目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究进展及存在的问题
• 1.2.1 国内外研究进展
• 1.2.2 存在的问题与展望
• 1.3 选题依据
• 1.4 主要研究内容和技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 第2章 研究区概况及数据源介绍
• 2.1 研究区概况
• 2.2 遥感数据源和数据简介
• 2.2.1 PRISM数据简介
• 2.2.2 AVNIR-2数据简介
• 2.2.3 PALSAR数据简介
• 2.3 野外调查方法与内容
• 2.3.1 土地利用分类地面感兴趣区的调查
• 2.3.2 土壤含水量地面同步试验
• 第3章 土地利用遥感分类及裸土信息提取
• 3.1 研究区围垦历史概况
• 3.2 围垦区土地利用遥感分类
• 3.2.1 利用光学数据源
• 3.2.2 利用雷达数据
• 3.2.3 分类体系介绍
• 3.3 ALOS不同影像数据源分类结果与分析
• 3.3.1 分类结果
• 3.3.2 分类精度评价
• 3.4 研究区裸土信息提取
• 第4章 基于ALOS/PALSAR的土壤含水量反演
• 4.1 土壤介电常数与土壤含水量的关系模型简介
• 4.2 土壤含水量SAR反演的原理及关系模型介绍
• 4.2.1 土壤表面的后向散射机理模型
• 4.2.2 裸露地表土壤水分的经验和半经验模型
• 4.2.3 土壤粗糙度的概念
• 4.2.4 研究区土壤粗糙度的提取
• 4.3 利用ALOS/PALSAR进行土壤含水量反演的应用
• 4.3.1 影像后向散射系数获取
• 4.3.2 裸土后向散射系数提取
• 4.3.3 地面实测数据误差分析
• 4.3.4 反演模型建立与反演结果分析
• 第5章 结论与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.1.1 ALOS/PALSAR作为研究区土地利用分类光学影像替代源的潜力分析
• 5.1.2 ALOS/PALSAR数据进行裸土土壤含水量反演的经验模型构建
• 5.2 存在的问题与展望
• 参考文献