馬建威

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038

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基于雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)的表層土壤水分反演研究

馬建威

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038

土壤水分是地表能量平衡和水分循環(huán)的關(guān)鍵參數(shù)，區(qū)域尺度表層(0～5 cm)土壤水分的獲取也一直是定量遙感研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本論文充分考慮了全極化雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，開(kāi)展綜合利用全極化雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)直接定量反演表層土壤水分的模型研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：

(1) 基于AIEM模型，建立了利用C和L波段HH和VV雙極化雷達(dá)數(shù)據(jù)反演裸土區(qū)土壤水分的模型。首先利用AIEM模型模擬裸露地表下C和L波段雷達(dá)信號(hào)的后向散射特征，通過(guò)非線性回歸的方法分別建立了C波段和L波段下的簡(jiǎn)化的HH和VV極化的裸露地表后向散射模型，模型中主要包括3個(gè)變量：地表組合粗糙度、土壤介電常數(shù)實(shí)部和入射角；然后，通過(guò)HH和VV極化下裸露地表后向散射模型的聯(lián)立計(jì)算，消除了模型中的地表組合粗糙度參數(shù)，從而擬合得到土壤介電常數(shù)實(shí)部反演模型；最后，利用Dobson土壤介電常數(shù)模型，根據(jù)土壤質(zhì)地和土壤溫度的信息，實(shí)現(xiàn)土壤水分的反演。

欲將裸土區(qū)土壤水分反演模型應(yīng)用到植被覆蓋區(qū)，需要計(jì)算植被對(duì)雷達(dá)總后向散射的影響。其中，植被含水量是對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)影響最大且最容易被遙感反演的植被參數(shù)?；诖?，分別建立了基于高光譜數(shù)據(jù)和L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)不同極化比的植被含水量反演模型。

(2) 基于高光譜數(shù)據(jù)的植被含水量反演模型。PROSAIL模型模擬不同植被冠層含水量下的植被冠層反射特征表明，970 nm水吸收帶右側(cè)曲線(985～1055 nm)一階導(dǎo)數(shù)D985～1055與植被冠層含水量關(guān)系密切，決定系數(shù)R2達(dá)0.91，基于此，建立了利用D985-1055反演植被冠層含水量的模型。采用機(jī)載SASI數(shù)據(jù)中心波長(zhǎng)為995、1010、1025和1040 nm 4個(gè)波段計(jì)算D985～1055，并利用所建模型反演玉米植被冠層含水量，進(jìn)一步根據(jù)研究區(qū)玉米植被冠層含水量和植被含水量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)了黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)——核心觀測(cè)矩陣區(qū)的玉米植被含水量反演。

(3) 基于L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)不同極化比的植被含水量反演模型?？紤]到長(zhǎng)波段雷達(dá)的強(qiáng)穿透能力和全天候、全天時(shí)的觀測(cè)能力，以及不同結(jié)構(gòu)的植被的后向散射特征不同，建立了利用L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)不同極化比的玉米和大豆植被含水量反演模型，并利用PALS 機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了SMEX02試驗(yàn)區(qū)的植被含水量的反演。利用實(shí)測(cè)植被含水量對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，反演與實(shí)測(cè)的玉米和大豆植被含水量密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R分別為0.84和0.84，RMSE分別為0.53 kg·m-2和0.12 kg·m-2，該精度與利用TM/EMT 光學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算NDWI從而反演植被含水量的精度相當(dāng)。結(jié)果表明利用L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)的不同極化比反演不同植被的植被含水量是可行的，是對(duì)當(dāng)前主要應(yīng)用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的植被含水量反演方法的一個(gè)有力補(bǔ)充。

(4) 基于C波段雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)以及L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)，分別建立了C波段和L波段下的半經(jīng)驗(yàn)的植被覆蓋區(qū)土壤水分反演模型。聯(lián)合C波段RadarSat-2雷達(dá)數(shù)據(jù)和機(jī)載SASI高光譜數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)——核心觀測(cè)矩陣區(qū)的土壤水分的反演，同時(shí)基于L波段的PALS機(jī)載全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了SMEX02試驗(yàn)區(qū)的土壤水分反演。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)反演結(jié)果驗(yàn)證表明，建立的C波段和L波段下的植被區(qū)土壤水分反演模型可靠，適用于獲取區(qū)域植被覆蓋地區(qū)的土壤水分。并且，應(yīng)用L波段全極化雷達(dá)數(shù)據(jù)開(kāi)展植被區(qū)土壤水分反演為全天候、全天時(shí)獲取大范圍的土壤水分信息提供了新的思路。

MA Jianwei(1988—)，male，

his doctoral degree from China Institute of Water Resources and Hydropower Research on July 2016，majors in soil moisture retrieval based on microwave data.

Study of Estimating Surface Soil Moisture Based on Radar and Hyperspectral Data

MA Jianwei

China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

馬建威.基于雷達(dá)和高光譜數(shù)據(jù)的表層土壤水分反演研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2017,46(5)：666.

10.11947/j.AGCS.2017.20160668. MA Jianwei.Study of Estimating Surface Soil Moisture Based on Radar and Hyperspectral Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(5):666. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20160668.

2016-12-27

馬建威(1988—)，男， 2016年7月畢業(yè)于中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：李紀(jì)人教授、黃詩(shī)峰教授)，研究方向?yàn)槲⒉ㄍ寥浪址囱荨?/p>

TP701：P237

D

1001-1595(2017)05-0666-01

高分重大專項(xiàng)(08-Y30B07-9001-13/15)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51420105014)

E-mail： mjw147258369@126.com