基于Freeman分解的喀斯特高原山區(qū)煙田土壤水分反演研究

王 平，周 忠 發(fā)*，廖 娟

(貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；貴州省遙感中心，貴州 貴陽 550001)

基于Freeman分解的喀斯特高原山區(qū)煙田土壤水分反演研究

王 平，周 忠 發(fā)*，廖 娟

(貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；貴州省遙感中心，貴州 貴陽 550001)

為探究SAR技術(shù)在喀斯特高原山區(qū)煙田旱情監(jiān)測，選取貴州省清鎮(zhèn)市流長鄉(xiāng)現(xiàn)代烤煙農(nóng)業(yè)基地單元為研究區(qū)，采用SAR目標極化分解技術(shù)反演團棵期煙田土壤水分。選取Radarsat-2全極化數(shù)據(jù)，通過Freeman-Durden極化目標分解技術(shù)，分解出3種散射機制，并從目視解譯假彩色合成影像與散射功率兩個角度綜合分析主要散射機制，根據(jù)SAR影像散射量中的介電常數(shù)與土壤水分密切相關(guān)的原理，嘗試不同的回歸模型，用主要散射機制占比反演煙田土壤水分，并用線性回歸檢驗法檢驗其反演精度。結(jié)果表明：此方法能夠較好地反演喀斯特高原山區(qū)煙田團棵期土壤水分，體現(xiàn)出SAR影像信息中單次散射模擬微粗糙表面散射及反演土壤水分的優(yōu)勢，為喀斯特高原山區(qū)煙田旱情監(jiān)測提供技術(shù)參考。

喀斯特高原山區(qū)；土壤水分反演；Freeman-Durden分解；Radarsat-2；煙田

0 引言

地表土壤水分的時空分布信息在水文學(xué)、氣候?qū)W、植物生態(tài)學(xué)等學(xué)科中有著重要地位，同時也在預(yù)報旱情、估算農(nóng)作物產(chǎn)量等方面起到重要作用[1]?？緹熓俏覈匾慕?jīng)濟作物之一，提高烤煙種植的精準度，已成為現(xiàn)代烤煙農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要[2]。土壤水分是烤煙生長發(fā)育過程中生理需水和生態(tài)需水的主要來源[3]。由于傳統(tǒng)基于點的水分測量方法只能觀測稀疏空間點的土壤水分信息，不能全面反映不同尺度上的水量分布和變化規(guī)律[4]，無法滿足現(xiàn)代山地高效農(nóng)業(yè)大范圍、實時、精準監(jiān)測的需求。目前，已有眾多學(xué)者通過各類衛(wèi)星遙感反演地表參數(shù)，包括光學(xué)遙感、微波遙感及多傳感器聯(lián)合反演算法，并建立相應(yīng)的經(jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚5-10]。諸多研究表明，C波段(約5 GHz)雷達系統(tǒng)估計0～5 cm厚的裸露地表土壤水分可達到較好的精度[11]，微波遙感對土壤水分的高敏感性，已在土壤水分研究中發(fā)揮了重要作用。目前在軌運行的Radarsat-2提供的多極化、多角度的C波段SAR數(shù)據(jù)對于地表土壤水分監(jiān)測具有很大潛力。

貴州喀斯特地區(qū)經(jīng)常面臨旱災(zāi)，復(fù)雜的地表與氣候環(huán)境對該區(qū)域的土壤水分監(jiān)測帶來很大的困難，多云雨的氣候使得運用傳統(tǒng)的可見光成像難以完整地獲取地物信息。星載SAR數(shù)據(jù)具有全天時、全天候、分辨率高、信息豐富、穿透能力強等成像優(yōu)勢，使監(jiān)測更加及時[12,13]。SAR回波信號直接受到地物復(fù)介電常數(shù)、地表粗糙度及植被覆蓋影響，而復(fù)介電常數(shù)與含水量直接相關(guān)，因此可根據(jù)SAR回波信號分析土壤含水量。Freeman-Durden模型匹配方法是在植被覆蓋情況下，基于雷達散射回波的物理模型，而不是單純的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，避免了由于各種物理條件不同造成的反演模型不合適問題[14,15]。因此，通過Freeman-Durden極化分解技術(shù)，分析出煙田團棵期的主導(dǎo)分解分量，并采用其分解分量占比反演土壤水分，從而探索Radarsat-2數(shù)據(jù)在喀斯特高原山區(qū)對煙田團棵期土壤水分的反演能力。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處喀斯特高原山區(qū)貴州清鎮(zhèn)流長現(xiàn)代烤煙農(nóng)業(yè)基地單元(位于106°7′6″～106°29′37″E、26°24′5″～26°45′45″N)，轄流長、犁倭、紅楓湖3個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))，總面積為489 km2，所選研究面積為20.8 km2，包括4個自然村。該區(qū)域為典型的喀斯特地貌，以峰叢洼地、峰叢谷地為主，海拔在600～1 400 m之間，相對高差較大，地下暗河和落水洞廣布，地表崎嶇破碎并伴隨有石漠化問題，導(dǎo)致煙田分布較分散且地塊破碎[16]；該區(qū)域?qū)賮啛釒Ц咴撅L濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫14℃，年均降水量1 150.4 mm，無霜期290 d左右，全年陰雨天多，日照少，導(dǎo)致光學(xué)遙感數(shù)據(jù)難以獲取。土壤類型以黃沙壤、黃壤為主，pH值為5.5～6.5，有機質(zhì)含量豐富，含鹽和氯較低，土壤質(zhì)地較為黏重但排水良好，較適宜烤煙生長，因此區(qū)域內(nèi)常年種植烤煙，主要品種為云煙85、云煙87、K326及南江三號等。近幾年隨著研究區(qū)烤煙種植規(guī)模的逐年遞增，其種植面積占全國烤煙種植面積的15%左右，居全國第二[1，17]，種植效益明顯提高。

1.2 數(shù)據(jù)選取

研究采用的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，整個監(jiān)測時期與研究區(qū)內(nèi)烤煙的生長期基本同步。微波遙感數(shù)據(jù)選擇2014年5月29日Radarsat-2全極化SLC數(shù)據(jù)，標稱空間分辨率為8 m(圖1，見封3)，圖1中的區(qū)域是根據(jù)研究區(qū)域邊界對SAR影像裁剪的結(jié)果?？緹焾F棵期土壤水分直接影響著烤煙移栽成活率，對指導(dǎo)煙民田間管理具有重要意義，因此獲取研究區(qū)煙田團棵期Radarsat-2數(shù)據(jù),并在同一時期獲取研究區(qū)0.5 m分辨率航拍圖，用于輔助解譯地面信息。

實測數(shù)據(jù)通過建立野外訓(xùn)練樣方與采集煙田土樣實現(xiàn)。由于雷達影像的空間分辨率為8 m，因此在研究區(qū)內(nèi)建立了20個面積為16 m*16 m的試驗樣方(圖1，表1)，圖1中綠色點位置表示樣方所在地。將所有樣方平均分為實驗組、檢驗組兩組，樣方標準一致且均勻分布于研究區(qū)域內(nèi)。由于研究區(qū)地形復(fù)雜、地塊破碎，因此在每個煙田樣方的4角點處用GPS定位，定點順序由樣方4個角點中任意一個為起點，順時針采集GPS定位數(shù)據(jù)。依據(jù)樣方的經(jīng)緯度信息，在Google Earth軟件中解譯出樣方所在地，并展示在SAR影像中(圖1)。為保證實測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的獲取實現(xiàn)同步或準同步，在獲取SAR數(shù)據(jù)的當天，進行煙田土樣采集。選用規(guī)格為5 cm的鋁盒為樣品存儲容器，在樣方內(nèi)沿“S”形路線采集土樣。最后，需要給煙田樣地拍照，詳細記錄煙田狀況，從而為反演結(jié)果的分析提供依據(jù)。

表1 2014年實驗樣方基本情況Table 1 The basic information of test sample plots in 2014

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 SAR影像Freeman-Durden三分量分解 數(shù)據(jù)處理包括SAR影像的預(yù)處理及實測數(shù)據(jù)的處理。全極化雷達通過同時發(fā)射和接收水平與垂直極化電磁波來獲取地物信息，目標極化分解理論是分析與提取極化信息的一種方法[18],可將復(fù)雜地物回波信號分解為多個簡單的標準目標回波信號之和，通過分析不同散射機制下的各分量獲得原目標信息[19]。由于極化分解技術(shù)與獲取目標信號中的相位有關(guān)，F(xiàn)reeman-Durden目標分解可在一定程度上抑制SAR系統(tǒng)產(chǎn)生的相干噪聲，因此為了保持原始數(shù)據(jù)信息的完整性，未對影像進行濾波處理。

極化目標分解技術(shù)包括相干目標分解和非相干目標分解[20]，目前針對植被覆蓋環(huán)境，F(xiàn)reeman-Durden分解作為非相干分解，將復(fù)雜的地物極化信息簡化表達為3種分量，分別通過對3種散射機制進行建模，形成由隨機取向偶極子組成的云狀管層體散射，由一對不同介電常數(shù)的正交平面構(gòu)成的二次散射，以及適度粗糙表面的布拉格(Bragg)散射，即來自地表的單次散射、地表與植被層共同構(gòu)成的二次散射以及來自植被冠層構(gòu)成的體散射，且可用來初步確定在極化SAR數(shù)據(jù)的后向散射中占主導(dǎo)地位的散射機制。利用Freeman-Durden目標分解方法處理雷達數(shù)據(jù)，將回波信號簡化為3種分量，在研究中認為同時期煙田植被覆蓋與地表粗糙度條件相同，模型中的二次散射能夠表達出植被與土壤表面結(jié)構(gòu)的共同作用。假設(shè)在3種散射機制成分互不相干的情況下，總的后向散射模型為三者之和(式(1))[15，20]。

C=Cs+Cd+Cv

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Cs、Cd與Cv分別為單次散射協(xié)方差矩陣、二次散射協(xié)方差矩陣與體散射平均協(xié)方差矩陣；fs、fd與fv分別為單次、二次和體散射分量；α為產(chǎn)生二次散射的兩平面復(fù)介電常數(shù)之比相關(guān)參數(shù)，β為產(chǎn)生單次散射平面的地表相關(guān)參數(shù)。

1.3.2 實測數(shù)據(jù)處理 主要是對野外采集的土樣處理。先將每個鋁盒(5cm規(guī)格)貼上標簽,將裝有土樣的鋁盒稱重后放進烘土箱，設(shè)置100℃;待土壤干透后開始稱重記錄鋁盒與干土總重，并稱取烘干后鋁盒重量。土壤水分的計算采用土壤重量含水量計算方法(式(5))，通過計算每個煙田樣方中土樣重量含水量的平均值得出各樣方的土壤重量含水量。通過研究區(qū)氣象站實時獲取研究區(qū)2014年5月29日的土壤墑情數(shù)據(jù)(表2)，以便驗證反演模型的可靠性。

(5)

式中:θg為實測計算出的土壤重量含水量，MW為土壤總含水重量，MS為土壤干重，M1為烘干前鋁盒及土壤質(zhì)量，M2為烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量，MC為烘干后鋁盒重量。

表2 研究區(qū)土壤墑情匯總Table 2 Summary of soil moisture in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 Freeman-Durden分解結(jié)果

應(yīng)用極化分解技術(shù)，對研究區(qū)頻率為5 GHz的C波段雷達數(shù)據(jù)應(yīng)用式(2)進行極化分解。圖2中，(a)(b)(c)三幅圖分別是應(yīng)用目標信息的Freeman-Durden三分量分解技術(shù)得到的研究區(qū)域內(nèi)單次散射、二次散射與體散射的后向散射系數(shù)圖。

圖2 Freeman Durden目標分解結(jié)果Fig.2 Freeman Durden target decomposition results

將3種散射機制結(jié)果用偽彩色合成顯示(圖3，見封3)，其中紅色對應(yīng)二次散射，綠色對應(yīng)體散射，藍色對應(yīng)單次散射，從合成圖(圖3)中目視解譯出在煙田集中的地區(qū)，藍色、紅色及紫色(藍色與紅色疊加效果)明顯分布較多。根據(jù)樣方分布位置，裁剪出煙田樣方，并計算得到每個樣方中3種散射機制的散射功率占比(圖4)。通過定量分析可以得出，在團棵期煙田雷達影像中，單次散射回波最強，其次為二次散射，體散射最弱。

圖4 三種散射機制散射功率占比Fig.4 The proportion of scattered power on the three kinds of scattering mechanisms

基于以上散射機制分布結(jié)果，進一步分析其形成原因。由于所獲得的雷達數(shù)據(jù)成像于煙田團棵期，根據(jù)實地考察及照片的記錄可知，在此時期煙田內(nèi)主要以煙苗及裸露地表為主；由于SAR數(shù)據(jù)中的C波段波長較長，具有較好的穿透性能，部分雷達信號可穿透植被層，產(chǎn)生地表的后向回波，因此初步分析出在雷達后向回波中，地表的后向回波及植被與地表共同作用產(chǎn)生的回波信號較強，即構(gòu)成單次散射項的直接地表散射和地表與烤煙層共同構(gòu)成的二次散射較強。又由于此時期烤煙葉片很小，葉長在13～35 cm之間，葉寬在6～18 cm之間，葉面積指數(shù)(LAI)在0.16～0.22之間，地表散射信息占主導(dǎo)，導(dǎo)致分解的雷達后向散射總量中單次散射較二次散射大。由于體散射一般主要由森林、部分建筑物及其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標形成，因此體散射在煙田內(nèi)的散射機制中所占比例較小。

2.2 反演模型建立

根據(jù)Freeman-Durden三分量分解結(jié)果可知，單次散射在研究區(qū)內(nèi)的散射機制中占主導(dǎo)。由于植被覆蓋地區(qū)的單次散射直接反映的是地表土壤的散射量，地表散射量中包含的土壤介電常數(shù)信息又與土壤水分密切相關(guān)，因此，嘗試多種回歸方程的擬合，建立實測樣方土壤水分與分解的單次散射占比之間的關(guān)系(表3)，從表中可以看出，三次函數(shù)模型相關(guān)性系數(shù)R2最高，達到0.7893。從三次函數(shù)模型分析結(jié)果(圖5)中可以看出兩者相關(guān)性很好，充分證明了利用土壤介電常數(shù)信息作為媒介，將SAR影像中地表散射回波信息與地表土壤水分建立關(guān)系，能夠很好地解釋土壤水分。

表3 土壤重量含水量與單次散射占比回歸分析Table 3 Regression analysis of soil gravimetric water content and single scattering proportion

圖5 三次函數(shù)反演模型Fig.5 Three function regression model

2.3 反演模型精度分析

運用線性回歸檢驗法，對以上模型進行精度驗證，選取研究區(qū)內(nèi)10個檢驗組土壤水分作為模型精度的驗證數(shù)據(jù)，根據(jù)Freeman-Durden三分量分解技術(shù)將SAR影像中檢驗組煙田的單次散射占比帶入三次函數(shù)模型計算出土壤水分反演值，圖6中點表示每個土壤水分反演值對應(yīng)的土壤水分實測值，虛線是模型的回歸結(jié)果，實線表示“1∶1”線。

圖6 土壤水分反演值與實測值關(guān)系Fig.6 Relationship between soil moisture inversion and actual measured value

土壤水分實測值與反演值間的擬合度R2=0.7881，模擬直線在y軸的截距為0.0006，由圖5可知，10個隨機檢驗樣本中的個別檢驗樣本數(shù)據(jù)與土樣的整體趨勢有偏差，煙田樣方個別反演值與實測值偏差較大。根據(jù)檢驗組樣方的記錄，主要是在樣方選取過程中雖已考慮煙田標準一致問題，但在喀斯特地區(qū)，地塊破碎，烤煙種植的壟距與株距存在一定差距，極化分解出的三種散射機制間存在細微且不同程度的相干影響，導(dǎo)致極化分解的單次散射強度有差異，因此擬合線與“1∶1”線之間存在偏移，但整體基本滿足精度要求，可以認為利用Freeman-Durden三分量分解獲得的單次散射機制占比反演土壤水分的結(jié)果與實測結(jié)果擬合較好，反演精度較高，能較好地反映煙田土壤水分狀況。

3 結(jié)論與討論

通過對喀斯特高原山區(qū)煙田SAR影像進行Freeman-Durden目標極化分解，分析出主導(dǎo)散射機制，并進一步用主導(dǎo)散射機制占比反演煙田土壤水分。得出以下結(jié)論：1)通過采用極化目標分解技術(shù)，根據(jù)散射相關(guān)矩陣特征值，對SAR影像中的煙田進行Freeman-Durden三分量分解，可將混合復(fù)雜的煙田散射回波簡化。2)三分量分解公式充分表達了地表、地表與植被、植被3種地物結(jié)構(gòu)，并能夠分析出其主導(dǎo)散射機制為單次散射，用主導(dǎo)散射機制占比能較精確地反演煙田土壤水分。與通過數(shù)學(xué)建模過程反演地表土壤水分相比，不需要任何地面測量數(shù)據(jù)，直接從雷達散射回波的物理基礎(chǔ)分析地表覆蓋狀態(tài)，避免了反演模型的不確定性。3)嘗試用不同回歸模型建立反演關(guān)系，最終選擇擬合度最高的三次函數(shù)模型，并使用線性回歸檢驗法驗證模型精度，驗證模型的擬合度達到0.7，反演結(jié)果與2014年研究區(qū)氣象站監(jiān)測結(jié)果相符，證實該方法的反演精度較好。4)首次在貴州喀斯特高原山區(qū)運用SAR目標極化分解技術(shù)進行煙田土壤水分的反演實驗，充分體現(xiàn)出SAR目標極化分解的單次散射模擬喀斯特高原山區(qū)微粗糙表面散射的優(yōu)勢。

由于喀斯特高原山區(qū)煙田在旺盛期與成熟期地表復(fù)雜，因此本研究未對其他時期的煙田進行試驗，下一步將結(jié)合多時相SAR影像探究合適的極化目標分解方法，從而更好地反映不同時期的煙田旱情，推進SAR目標極化分解技術(shù)在喀斯特高原山區(qū)反演煙田土壤水分的研究，從而滿足現(xiàn)代山地高效農(nóng)業(yè)大范圍、實時、精準監(jiān)測的需求。

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Study on Soil Moisture Retrieval of Tobacco Field in Karst Plateau Mountainous Area Based on Freeman Decomposition

WANG Ping,ZHOU Zhong-fa,LIAO Juan

(InstituteofKarst,GuizhouNormalUniversity，Guiyang550001；NationalRemoteSensingCenterGuizhouBranch，Guiyang550001，China)

Research purposes is to explore drought monitoring with SAR technology in karst plateau mountainous area.The modern tobacco agriculture base in Liuchang towns of Qingzhen City as study area,which is located in Guizhou Province.In this paper,Radarsat-2 full polarization data are selected,the soil moisture content of the tobacco field at rosette stage is retrieved by the SAR polarization decomposition technique.Three kinds of scattering mechanisms are obtained by means of Freeman-Durden polarimetric target decomposition technique.And it synthetically analyzes the main scattering mechanisms from two angles:visual interpretation of false color composite image and the scattering power.According to the principle of the dielectric constant in the scattering parameters of the SAR image and the soil moisture is closely related,different regression models are tried to inversed soil moisture in tobacco field by the main scattering mechanism.The inversion accuracy is tested by linear regression test method.The results shows that this method can be used to inverse the soil moisture content in the tobacco field in the mountain area of karst plateau.The advantages of single scattering in SAR images for simulating the scattering of micro rough surfaces and inversed soil moisture are also reflected.This method provides a technical reference for the tobacco field drought monitoring in karst plateau mountainous area.

karst plateau mountainous area;soil moisture retrieval;Freeman-Durden decomposition;Radarsat-2; tobacco field

2015-08-08；

2015-10-29

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)課題“人為干預(yù)下喀斯特山地石漠化的演變機制與調(diào)控”(2012CB723202)；貴州省科技計劃“喀斯特山區(qū)SAR遙感平臺監(jiān)測與識別關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”(黔科合GY字〔2013〕3062)；貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目“喀斯特石漠化生態(tài)修復(fù)及生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控研究-巖土類型格局”(黔科合JZ字[2014]200201)

王平(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為地理信息系統(tǒng)與遙感。*通訊作者E-mail：fa6897@163.com

10.3969/j.issn.1672-0504.2016.02.014

TP79;S152.7

A

1672-0504(2016)02-0072-05