微波散射测量及土壤水分反演研究

论文摘要

水不仅是地球系统中生命存在的基础,也是地球物质和能量交换的重要载体。虽然全球水资源中土壤水分在所占的比例很小,储存在土壤间隙中的水分仅占全球水资源的0.005%,但它是水文和气候模型的重要边界参数条件。土壤水直接影响着地球表层与大气圈之间的热交换以及水分交换,进而对气候变化产生重要的影响。土壤水分是研究植被水分胁迫、进行旱情监测、农作物估产等的一个重要指标。所以,大面积监测土壤水分在水文、气象和农业科学领域具有较大的意义,因此研究土壤水分的动态变化特性是国内外研究的一个重要课题之一。微波遥感具有全天时、全天候的观测优点,并且对地表有一定的穿透能力,能弥补光学和红外遥感方式在土壤水分监测应用中的不足,为土壤水分监测提供了新的方法和途径,在土壤水分的研究中得到了很高的重视。主动微波遥感观测的后向散射系数与地表介电常数关系密切,为土壤水分的反演研究提供了可能性。经多年的发展,利用主动微波数据对土壤水分的研究虽然已经取得了长足进步,但目前仍然局限于在裸露土壤取得较好的结果。微波散射计是主动微波遥感器,主要用于精确测量地物微波后向散射能量,从而识别被测物体的种类,并推断其不同性质及其变化规律,散射计对观测海洋的后向散射截面尤为有效。Kennett等人利用海洋卫星上的散射计数据对全球地表覆盖进行了研究,证实了散射计数据在全球陆地应用中的潜力。随着新型的星载主动微波遥感传感器不断应用,主动微波遥感观测正向多波段,多角度,多极化观测方向发展。但相对于比较成熟的光学和红外遥感技术,主动微波遥感中的多波段,多角度,多极化信息一直没有得到有效利用。而且我国目前还没有用于农业和环境有效监测土壤水分的主动微波卫星,本文正是在这样的背景下进行选题——基于陆基微波散射计探索主动微波遥感中包含的多波段,多角度,多极化信息在土壤水分研究中的应用,利用X、C、S、L四个波段的陆基散射计测量数据,并把工作重点放在C和S两个波段的反演研究上,通过分析裸土的后向散射系数特征,从而建立适合的正向散射模型和反演模型,为我国即将发射的HJ-1C S波段环境小卫星的探测工作做地面验证工作,为发展多波段、多极化SAR系统以及建立具有普遍适用性的地物参数散射模型和反演模型提供一定的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 微波遥感土壤水分的背景和意义
• 1.1.1 土壤水分研究的背景
• 1.1.2 微波遥感技术在土壤水分研究中的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 SAR 研究土壤水分的发展
• 1.2.2 散射计研究土壤水分的发展
• 1.3 立题依据和主要研究内容
• 1.3.1 立题依据
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 研究思路和论文结构
• 第二章 微波遥感机理和土壤水分研究基础
• 2.1 微波遥感机理
• 2.2 雷达方程和系统参数
• 2.2.1 雷达方程与后向散射系数
• 2.2.2 雷达系统参数
• 2.3 地表粗糙度参数
• 2.3.1 粗糙地表的定量描述及粗糙度判据
• 2.3.2 粗糙度测量
• 2.4 土壤介电特性
• 2.4.1 土壤含水量的表示及测量方法
• 2.4.2 土壤介电常数模型
• 第三章 微波后向散射模型
• 3.1 裸土的面散射模型
• 3.1.1 传统理论模型
• 3.1.2 半经验模型
• 3.1.3 裸土微波散射模型比较
• 3.2 AIEM 模拟的裸土后向散射特征
• 3.2.1 后向散射对入射角的响应
• 3.2.2 后向散射对含水量的响应
• 3.2.3 后向散射对粗糙度的响应
• 第四章 微波散射计测量实验及裸土水分反演
• 4.1 散射计测量实验
• 4.2 土壤参数反演模型
• 4.2.1 后向散射系数与含水量的关系模型
• 4.2.2 后向散射系数与粗糙度的关系模型
• 4.2.3 反演模型
• 4.2.3.1 后向散射经验模型
• 4.2.3.2 C-band 经验模型
• 4.2.3.3 S-band 经验模型
• 4.3 地表参数的反演
• 4.4 反演模型的验证及误差分析
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 特色和创新
• 5.3 问题与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果