一種基于AMSR-E和ASAR數(shù)據(jù)的土壤水分協(xié)同反演方法

李新 曾琪明 王心逸 黃江輝 焦健

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一種基于AMSR-E和ASAR數(shù)據(jù)的土壤水分協(xié)同反演方法

李新 曾琪明?王心逸 黃江輝 焦健

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所, 北京 100871; ? 通信作者, E-mail: qmzeng@pku.edu.cn

在缺乏衛(wèi)星過境時(shí)地面同步觀測數(shù)據(jù)的情況下, 大范圍高時(shí)空分辨率的土壤水分監(jiān)測存在一定的困難。針對這一問題, 提出一種不依賴地面土壤水分同步觀測數(shù)據(jù)的主、被動(dòng)微波協(xié)同反演逐日高空間分辨率的土壤水分觀測新方法。該方法將補(bǔ)償后的 AMSR-E 土壤水分作為“高時(shí)間分辨率土壤水分觀測控制值”, 以此計(jì)算逐日土壤水分變化量, 并結(jié)合 ASAR 交替極化模式數(shù)據(jù), 反演高空間分辨率的土壤水分基準(zhǔn)日期值, 然后基于兩者建立土壤水分協(xié)同反演模型。該模型適用于地勢比較平坦、地表粗糙度較小且無植被覆蓋或植被覆蓋度較低的區(qū)域。在陜西省渭北臺(tái)塬西部地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明: 該方法參數(shù)擬合的決定系數(shù)約為0.81; 反演得到的土壤水分與鳳翔縣農(nóng)業(yè)氣象站地面實(shí)測土壤濕度數(shù)據(jù)對比, 兩者的決定系數(shù)為 0.92, 土壤體積含水量的均方根誤差為0.025。反演結(jié)果可用于水分限制條件下作物生長模擬。

土壤水分; AMSR-E; ASAR; 作物生長模擬模型; AIEM

近年來, 在全球氣候變化的大背景下, 世界各地水資源嚴(yán)重短缺, 干旱、洪澇等極端事件發(fā)生頻繁, 水分限制條件下的大范圍作物生長動(dòng)態(tài)模擬研究成為作物生長研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的作物生長動(dòng)態(tài)模擬主要通過作物生長模擬模型實(shí)現(xiàn)。作物生長模擬模型是對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成過程中一系列生理生化過程的數(shù)學(xué)描述, 是對實(shí)際生長情況的模擬。然而, 氣候條件的變化以及模型的初始值及作物和土壤參數(shù)不確定性的存在, 往往導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[1]。

Wiegand等[2]在20世紀(jì)70年代指出, 遙感信息可以用來改進(jìn)作物生長模型的模擬精度。此后, 人們開展了一系列將遙感信息(如植被指數(shù)、后向散射系數(shù)等)應(yīng)用于作物生長模擬模型的研究[2-9](表 1), 但由于逐日高分辨率的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲得, 大多數(shù)研究都沒有考慮土壤水分對作物生長模擬模型的影響。Ines等[9]將AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品以及葉面積指數(shù)LAI (leaf area index)同時(shí)同化到DSSAT (decision support system for agrotechnology transfer)作物生長模擬模型, 在 Iowa 州 Story 郡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該方法的相關(guān)系數(shù)=0.8, 最終產(chǎn)量模擬的均方根誤差為 1400 kg/ha。由于使用的AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品空間分辨率低, 模擬精度有待于進(jìn)一步提高。

表1 遙感信息與作物生長模型耦合研究概略

土壤水分指土壤滲流層的水分含量, 是陸地和大氣能量交換過程中的關(guān)鍵因子, 影響植被的蒸散發(fā)及光合作用, 在降水、徑流、下滲和蒸散發(fā)水文過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[10]。目前, 遙感手段已成為監(jiān)測大區(qū)域范圍內(nèi)土壤水分時(shí)空分布和變化的主要方法[11]。

基于遙感技術(shù)對土壤水分時(shí)空分布的大范圍監(jiān)測, 按遙感測量手段的不同, 可分為光學(xué)遙感、主動(dòng)微波和被動(dòng)微波三類[12]。由于單一手段無法獲得逐日高空間分辨率的土壤水分信息, 因此人們開展了許多利用多種傳感器進(jìn)行土壤水分聯(lián)合反演的研究。張顯峰等[13]用MODIS的光學(xué)與熱紅外波段反演土壤水分的基準(zhǔn)值, 利用AMSR-E傳感器的X波段反演土壤水分的日變化量, 然后集成二者建立土壤水分協(xié)同反演模型, 得到具有較高時(shí)空分辨率的土壤水分反演結(jié)果。該方法仍然需要地面土壤水分觀測數(shù)據(jù), 且空間分辨率為1 km。

為獲取高時(shí)空分辨率的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù), 本研究探討利用 AMSR-E (advanced microwave scanning radiometer for EOS)土壤濕度產(chǎn)品和 ASAR (advanced synthetic aperture radar)后向散射系數(shù)數(shù)據(jù), 基于高級積分方程模型AIEM (advanced integral equation model), 在不依賴地面土壤水分觀測數(shù)據(jù)的情況下, 發(fā)展適合大區(qū)域尺度的土壤水分反演方法。最后, 以陜西省渭北臺(tái)塬為研究區(qū), 對本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 主、被動(dòng)微波土壤水分協(xié)同反演方法

主動(dòng)微波數(shù)據(jù)不受云層的影響, 空間分辨率高, 但由于其重訪周期長, 反演結(jié)果在時(shí)間上不連續(xù)。被動(dòng)微波遙感雖然具有較好的時(shí)間連續(xù)性, 但其空間分辨率較低, 受地表粗糙度和植被覆蓋等的影響較大。針對兩者的優(yōu)點(diǎn)與不足, 本文提出一種主被動(dòng)微波高時(shí)空分辨率土壤水分協(xié)同反演方法。本方法包括兩步, 技術(shù)路線如圖1所示。

第 1 步, 利用不依賴地面觀測數(shù)據(jù)的土壤水分基準(zhǔn)日期值反演方法獲得高分辨率土壤水分基準(zhǔn)日期值: 用補(bǔ)償后的 AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品作為“實(shí)測土壤水分”, 并將 ASAR 后向散射系數(shù)匹配到與AMSR-E 相同的空間分辨率, 最后基于 AIEM 模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合, 得到土壤水分的表達(dá)式, 并應(yīng)用到日期的 30 m 分辨率的 ASAR 數(shù)據(jù)中, 獲得 ASAR一個(gè)重訪周期內(nèi)土壤水分的基本情況。

第2步, 依據(jù)逐日土壤水協(xié)同反演方法獲得逐日高分辨率的土壤水分: 在第一步獲得的基準(zhǔn)日期值的基礎(chǔ)上, 利用補(bǔ)償后的AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品計(jì)算日期與基準(zhǔn)日期的土壤水分的變化量, 并將其重采樣到與ASAR數(shù)據(jù)相同大小的像元, 最后將基準(zhǔn)日期值與日變化量相加即可得到該重訪周期內(nèi)任意日期的高分辨率土壤水分。

1.1 不依賴地面數(shù)據(jù)的土壤水分基準(zhǔn)日期值反演方法

1.1.1 AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品補(bǔ)償

研究表明, AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品雖然能夠提供全球粗分辨率的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù), 但其值相對地面實(shí)測的土壤水分偏小[14-15]。為使 AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品更好地與地面實(shí)測數(shù)據(jù)保持一致, 本研究對AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)償。陳潔[14]對 2006—2008 年我國西北陜西(包含本文研究區(qū)域)、新疆、甘肅等5省148個(gè)農(nóng)氣站0~10 cm的土壤水分觀測數(shù)據(jù)與 AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品進(jìn)行了對比分析, 結(jié)果表明, 2006—2008年AMSR-E反演的西北地區(qū)土壤濕度數(shù)據(jù)整體變化不大, 但相比地面實(shí)測數(shù)據(jù)要小40%左右。本文研究區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站, 無法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 因此采用上述研究結(jié)論對AMSR-E土壤水分進(jìn)行補(bǔ)償, 用v表示補(bǔ)償后的土壤水分,v0表示AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品的值, 兩者的關(guān)系式為

v=1.67×v0。 (1)

1.1.2 ASAR與AMSR-E數(shù)據(jù)匹配

ASAR數(shù)據(jù)的像元大小為30 m, 而AMSR-E數(shù)據(jù)的像元大小為25 km。為得到與AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品對應(yīng)的后向散射系數(shù), 需要將ASAR數(shù)據(jù)與AMSR-E數(shù)據(jù)匹配到相同的空間尺度, 本文采取的方法是將ASAR數(shù)據(jù)分辨率重采樣至與AMSR-E相同的分辨率。由于重采樣后的一個(gè)像元內(nèi)包含ASAR數(shù)據(jù)原始像元眾多, 地物類型多樣, 而AIEM 模型對建筑、水體和高大植被區(qū)域反演效果較差, 因此在重采樣前, 采用該區(qū)域同一時(shí)期的Landsat真彩色合成影像, 在目視判讀的基礎(chǔ)上, 對原始ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行粗分類, 將ASAR地物分為建筑、裸地農(nóng)田和水體山林三類, 然后將建筑與水體山林區(qū)域進(jìn)行掩膜, 剔除模型不適用的地物覆蓋區(qū)域。掩膜處理后, 對 ASAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣, 相當(dāng)于僅對裸地農(nóng)田區(qū)域的后向散射系數(shù)取均值作為重采樣后 ASAR 像元的后向散射系數(shù)。這樣不僅可以保證模型的可靠性和適用性, 而且能大幅度減少參與運(yùn)算的原始ASAR像元數(shù)。

1.1.3 簡化AIEM模型參數(shù)擬合與反演

在主動(dòng)微波土壤水分反演中, 積分方程模型(integrated equation model, IEM)能在一個(gè)很寬的地表粗糙度范圍內(nèi)再現(xiàn)真實(shí)地表后向散射情況, 已廣泛應(yīng)用于微波地表散射、輻射的模擬和分析[16]。近年來, IEM 模型經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善, 發(fā)展成為高級積分方程模型 AIEM, 使模型模擬結(jié)果和精度得到不斷提高。已有的研究表明, 裸露地表的后向散射系數(shù)主要受地表粗糙度、地表含水量和入射角的影響, AIEM模型可簡化[17]為

pq(dB)=pq()×log10(v)+pq()×log10(s)+pq()。(2)

本文采用的數(shù)據(jù)為HH/VV的雙極化組合。渭北臺(tái)塬地勢相對平坦, 地表粗糙度變化不明顯, 因此可以利用兩種極化組合消去s, 從而得到針對ASAR 雙極化數(shù)據(jù)的土壤水分反演模型:

log10(v)=()×HH+()×vv+(), (3)

式中,v(%)表示補(bǔ)償后的 AMSR-E 土壤體積含水量,HH和vv分別表示重采樣到相同空間分辨率后ASAR 水平極化和垂直極化的后向散射系數(shù),(),()和()是待擬合的參數(shù)。對式(3)進(jìn)行參數(shù)擬合, 將擬合得到的模型應(yīng)用于 30 m 分辨率的 ASAR后向散射系數(shù)中, 即可獲得高空間分辨率的土壤水分反演基準(zhǔn)日期值。

1.2 逐日土壤水協(xié)同反演方法

根據(jù)張顯峰等[13]提出的陸表土壤水分協(xié)同反演策略, 陸地表面土壤水分的變化可以分解為兩部分: 基準(zhǔn)值和變化量。本文借鑒其協(xié)同思想, 將陸地表面土壤水分的變化分為基準(zhǔn)日期值和日變化量兩部分, 表達(dá)式如下:

sm,j()=m,j()+Δm,j(), (4)

式中,m,j()為一定時(shí)間尺度內(nèi), 遙感影像的第列第像元的土壤水分基準(zhǔn)日期值, Δm,j()為時(shí)間尺度內(nèi),時(shí)刻第列第像元土壤水分與基準(zhǔn)日期值的差異變化量, sm,j()為該像元通過遙感反演得到的高分辨率土壤水分。

對于同一區(qū)域, 如果時(shí)間尺度較小, 植被和地表粗糙度沒有顯著變化, 那么估算日期地表土壤水分對基準(zhǔn)日期土壤水分的變化量, 就只需計(jì)算補(bǔ)償后的日期與日期的AMSR-E土壤水分的差值。因此, 本文利用日期的ASAR數(shù)據(jù)反演土壤水分的基準(zhǔn)日期值, 利用補(bǔ)償后的日期的AMSR-E土壤水分與補(bǔ)償后的日期的土壤水分差值作為土壤水分的變化量Δ(圖1), 并將后者重采樣至前者的像元大小, 最后利用式(4)即可得到日期高分辨率的土壤水分。

2 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 研究區(qū)概況

渭北臺(tái)塬地處陜西省中部, 涵蓋寶雞、咸陽、西安等市。本文研究區(qū)為渭北臺(tái)塬西部地區(qū), 主要包括千陽縣、寶雞市轄區(qū)、鳳翔縣、岐山縣、眉縣和扶風(fēng)縣等六縣區(qū)(圖 2)。渭北臺(tái)塬西部農(nóng)作物以冬小麥、玉米等為主, 根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫 HWSD (Harmonized World Soil Data-base version 1.1), 其土壤類型以土婁土和雛形土為主, 在渭河及其支流周圍形成小面積的沖擊土。渭北臺(tái)塬屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 年降水量為550~700 mm, 年日照時(shí)數(shù)為2300~2500小時(shí), 年均溫為 7.0~12.8oC, 晝夜溫差可達(dá) 10oC, 全年無霜期170 天以上[18]。然而, 降水量在空間, 尤其是時(shí)間上存在明顯的波動(dòng)性, 往往是旱澇災(zāi)害的多發(fā)區(qū), 因此獲取較高精度的大范圍連續(xù)時(shí)間的土壤水分分布數(shù)據(jù), 對該區(qū)水分限制條件下的作物長勢動(dòng)態(tài)監(jiān)測具有重要意義。

2.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

ASAR是ENVISAT上搭載的合成孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng), 工作在C 波段, 過境赤道的時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間11:30 (降軌)和23:30 (升軌)。本實(shí)驗(yàn)的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)是HH, VV交替極化模式的ASA_APP_1P 數(shù)據(jù), 像元大小為 30 m, 時(shí)間為 2005年 12 月 12 日和 2006 年 1 月 16日, 共計(jì)兩景數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)的產(chǎn)品級別為 L1B 級, 記錄的是 DN值, 需要進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正以及濾波等操作后方可使用。本文采用歐洲空間局(European Space Agency, ESA)提供的 NEST (Next ESA SAR Tool-box)軟件包進(jìn)行輻射校正, 主要步驟為: 原始數(shù)據(jù)提取, 由幅度圖像得到能量圖像, 輻射定標(biāo)得到后向散射系數(shù)圖像。由于渭北臺(tái)塬西部地勢相對平坦, 因此直接使用 NEST 軟件包中的 Geometry/ Terrain Correction 進(jìn)行地形校正。

斑點(diǎn)噪聲會(huì)降低圖像的空間分辨率和信噪比, 嚴(yán)重影響圖像的可解譯性, 甚至可能導(dǎo)致地物特征的消失[19]。為減少 SAR 斑點(diǎn)噪聲對圖像準(zhǔn)確度的影響, 本實(shí)驗(yàn)利用 Gamma 濾波器對圖像進(jìn)行濾波處理, 選取3×3, 7×7, 10×10的濾波窗口。由于濾波后要對ASAR數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度匹配, 最終不同大小的窗口得到尺度匹配后的 ASAR 數(shù)據(jù)像元的后向散射系數(shù)差異均在 0.02 dB 以內(nèi), 對簡化的 AIEM 參數(shù)擬合的決定系數(shù)影響不明顯, 因此最終選取處理速度較快的3×3的濾波窗口。

AMSR-E傳感器于2002年由美國NASA發(fā)射的Aqua衛(wèi)星搭載升空。AMSR-E的赤道過境時(shí)間約為當(dāng)?shù)貢r(shí)間下午13:30 (升軌)和凌晨01:30 (降軌)。本文中 AMSR-E 土壤水分值來自美國冰雪數(shù)據(jù)中 NSIDC (National Snow and Ice Data Center) 的 AMSR-E-L3-DailyLand-V06 數(shù)據(jù)集中的重采樣結(jié)果。

在地面觀測資料方面, 本文從國家氣象局氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)獲取土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集中0~10 cm的土壤水分相對濕度, 對反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于AMSR-E土壤濕度數(shù)據(jù)是體積含水量, 國家氣象局土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集測定的是每旬第8天的相對土壤濕度, 因此在進(jìn)行驗(yàn)證前, 需要將相對濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成體積含水量, 公式為

v=r××c, (5)

式中,v(%)表示土壤體積含水量;r(%)表示土壤相對濕度;(g/cm3)表示土壤容重;c(m3/m3)表示田間持水量。其中, 田間持水量和土壤容重與土壤類型有關(guān)。

由于本文采用的鳳翔縣農(nóng)業(yè)氣象站數(shù)據(jù)僅用作驗(yàn)證, 且鳳翔縣土壤類型單一, 因此, 根據(jù)王春 娟[20]關(guān)于鳳翔縣 0~10 cm 土壤水文特征的數(shù)據(jù)資料, 土壤容重取 1.08 g/cm3, 田間持水量取 0.263 m3/m3。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤水分基準(zhǔn)日期值反演結(jié)果與分析

本文獲得渭北臺(tái)塬西部地區(qū) 2005 年 12 月 12日和2006年1月16日的兩景ASAR數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)獲取時(shí)間均為北京時(shí)間23:30左右, AMSR-E數(shù)據(jù)則分別選取2005年12月13日01:30和2006年1月17日01:30的數(shù)據(jù), 對應(yīng)日期的兩種數(shù)據(jù)分別相差兩個(gè)小時(shí)左右。本文假設(shè)土壤水分在這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)基本上無變化。按照本文提出的不依賴地面數(shù)據(jù)的土壤水分基準(zhǔn)日期值反演方法, 將ASAR數(shù)據(jù)匹配到 AMSR-E 相同的像元大小。由于覆蓋研究區(qū)域的AMSR-E數(shù)據(jù)像元數(shù)為9個(gè), 其中2個(gè)像元沒有有效值, 予以剔除, 因此得到7組2005年12月12日、2006年1月16日ASAR數(shù)據(jù)匹配后的后向散射系數(shù)和補(bǔ)償后的AMSR-E土壤濕度, 詳見表2。

表2 簡化的AIEM擬合輸入?yún)?shù)

利用兩天的數(shù)據(jù), 式(3)的參數(shù)擬合結(jié)果分別為

log10(v)=0.0292×HH+0.0343×vv+3.0883, (6)

log10(v)=0.0397×HH+0.0158×vv+2.9915, (7)

其中, 式(6)為 2005 年 12 月 12 日的擬合結(jié)果, 擬合的決定系數(shù)2=0.82; 式(7)為2006年1月16日的擬合結(jié)果, 擬合的決定系數(shù)為2=0.81。

將擬合得到的模型進(jìn)行變換, 得到土壤水分基準(zhǔn)日期值的表達(dá)式分別為

, (9)

其中, 式(8)是2005年12月土壤水分的表達(dá)式, 式(9)是2006年1月土壤水分的表達(dá)式。

將上述公式分別應(yīng)用到對應(yīng)的 30 m 分辨率的ASAR 后向散射系數(shù)中, 得到高空間分辨率的土壤水分基準(zhǔn)日期值反演結(jié)果(圖3)。

對像元進(jìn)行統(tǒng)計(jì), 發(fā)現(xiàn)反演得出的土壤體積含水量在 170‰~286‰之間, 約占總數(shù)的 80%。2005年12月12日的平均土壤水分值為 233‰, 方差為0.054; 2006年1月16日的平均土壤水分值為244‰, 方差為0.049。可以看出, 2006年1月16日土壤體積含水量更高、更集中。從空間分布上看, 兩者均呈現(xiàn)南高北低的整體態(tài)勢, 這可能與渭河穿過研究區(qū)域南部有關(guān)。土壤水分基準(zhǔn)日期值反演結(jié)果與 AMSR-E土壤水分的分布基本上一致。

3.2 逐日土壤水分協(xié)同反演與驗(yàn)證

鳳翔縣農(nóng)業(yè)氣象站(簡稱鳳翔站)是研究區(qū)域內(nèi)唯一的農(nóng)業(yè)氣象站。2005年12月, 鳳翔站有3次(3, 18和28日)地面觀測土壤水分值, 2006年1月只有一次觀測。在反演出的2005年12月12日土壤水分基準(zhǔn)日期值的基礎(chǔ)上, 利用前面提到的逐日土壤水分協(xié)同反演方法, 反演了2005年12月有地面農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料的3, 18和28日共3天的土壤體積含水量(圖4)。從圖4可以看出, 12月3日的土壤含水量整體上高于其他3天, 渭河流域的土壤水分明顯高于其他區(qū)域。圖4中綠色三角形表示鳳翔站的位置, 其地面觀測相對濕度與協(xié)同反演的土壤體積含水量見表3。

表3 鳳翔站驗(yàn)證數(shù)據(jù)

利用式(5), 將鳳翔站0~10 cm的土壤相對濕度觀測值轉(zhuǎn)換成土壤體積含水量, 并與土壤體積含水量反演值進(jìn)行對比, 結(jié)果如圖 5 所示, 兩者的決定系數(shù)2=0.92, 均方根誤差為 0.025, 說明反演結(jié)果與地面觀測值較為接近, 具有較高的可信度。

3.3 討論

本文采用 AMSR-E 土壤濕度產(chǎn)品代替地面實(shí)測土壤水分, 利用 ASAR 和 AMSR-E 協(xié)同反演的方法, 反演出 30 m 分辨率的逐日土壤水分, 解決了地面土壤水分同步數(shù)據(jù)難于獲取的問題, 提高了土壤水分反演的空間分辨率, 取得較好的模擬效果。但是, 由于真實(shí)土壤水分的不確定性, 難免有一定的偏差。

首先, 鑒于AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品數(shù)值整體上偏小, 本文采用前人包含該區(qū)域同時(shí)期的 148 個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站資料, 對AMSR-E土壤水分標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償, 以使其更接近真實(shí)值, 但結(jié)果仍然存在誤差。其次, 在反演建模時(shí), 進(jìn)行粗分類去除模型不適用的區(qū)域, 盡量使參與建模的地物適用于模型, 但仍然可能會(huì)有模型不適用的地物混雜其中, 增加了建模的不確定性。最后, 在計(jì)算土壤水分變化量時(shí), 采用AMSR-E土壤水分變化量的方法估算日期土壤水分與日期土壤水分基準(zhǔn)日期值的差值, 這也具有一定的不確定性。上述不確定性的存在, 使反演結(jié)果與真實(shí)值之間存在一定誤差, 但經(jīng)過處理后, 建模和反演結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi), 實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果也證明了結(jié)果的可靠性。

特別地, 2006年1月8—19日的最高氣溫均高于零度, 12—15日的最高氣溫高于最低氣溫的絕對值, 屬于凍融交替狀態(tài), 此外, 研究區(qū)渭河流域之外的區(qū)域土壤水分普遍偏低。在土壤含水量較低時(shí), 大部分水分以吸附水的形式存在, 一般不會(huì)凍結(jié), 只有少量的自由水會(huì)凍結(jié), 從而影響土壤含水量估計(jì)。根據(jù)曹梅盛等[21]與張立新等[22]對凍融土壤的微波輻射的研究, 野外土壤, 尤其是農(nóng)田表層會(huì)有一層很薄的干土, 即使干土下濕土含水量較大, 土壤凍結(jié)后總體的發(fā)射率、比輻射率和亮溫等也不會(huì)有很大變化。因此, 在反演土壤水分時(shí), 不考慮土壤凍融對土壤水分的影響, 在一定程度上會(huì)增加模型的不確定性, 但是影響較小。根據(jù)晉銳等[23]對凍土土壤水分的研究, 同化 SSM/I 19 GHz 亮溫后可以使土壤水分的均方根誤差減小 0.018。后續(xù)研究中, 可以考慮采用這種同化策略, 進(jìn)一步減小不確定性。

4 結(jié)論

本文利用主被動(dòng)微波遙感結(jié)合的方式, 在缺乏土壤水分地面觀測數(shù)據(jù)的條件下, 估算渭北臺(tái)塬地區(qū)30 m分辨率的逐日土壤水分, 是不依賴地面觀測數(shù)據(jù)反演土壤水分的一種有益嘗試。主動(dòng)微波穿透能力強(qiáng), 土壤的介電常數(shù)和土壤含水量具有很強(qiáng)的相關(guān)性, 因此利用主動(dòng)微波數(shù)據(jù)反演表層土壤水分具有較高的機(jī)理性和可信度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明, 本文提出的主被動(dòng)微波協(xié)同反演土壤水分基準(zhǔn)日期值的方法有較高的相關(guān)性。同時(shí), 利用被動(dòng)微波時(shí)間分辨率高、主動(dòng)微波微空間分辨率高的特性, 在充分借鑒前人方法的基礎(chǔ)上, 提出一套主被動(dòng)微波結(jié)合反演高空間分辨率日土壤水分的方法, 具有一定的實(shí)用性。鳳翔縣農(nóng)業(yè)氣象站的土壤水分觀測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明, 土壤水分反演值與地面觀測值之間有很高的一致性。

本文提出的方法在一定程度上可以監(jiān)測逐日高分辨率土壤水分的真實(shí)狀況, 有利于逐日模擬作物生長模型以及土壤水分耦合的研究, 為實(shí)現(xiàn)水分限制條件下大范圍作物生長模擬奠定了良好的基礎(chǔ)。后續(xù)研究將通過土壤水分與作物生長模型的結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)對區(qū)域尺度高分辨率作物生長發(fā)育情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

致謝 感謝歐洲太空局提供的ENVISAT影像以及中國氣象資料共享中心的地面實(shí)測數(shù)據(jù)支持。

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A Soil Moisture Co-retrieval Approach Based on AMSR-E and ASAR Data

LI Xin, ZENG Qiming?, WANG Xinyi, HUANG Jianghui, JIAO Jian

Institute of Remote Sensing and Geographical Information System, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: qmzeng@pku.edu.cn

It is difficult to monitor land surface soil moisture in high temporal and spatial resolution within a wide range for lack of ground observation data when the satellite is passing over. To solve this problem, a new integrated approach termed as “soil moisture retrieval with combined active and passive microwave remote sensing observation” was proposed. AMSR-E soil moisture product is compensated as “high temporal resolution observation control data” and soil moisture benchmark is retrieved together with ASAR alternating polarization mode data. Then both of them are integrated to build up a co-inversion model for soil moisture retrieval. This approach applies to areas where the land surface roughness is small and vegetation index (NDVI) is low. The approach is evaluated in Weibei Upland of Shaanxi Province. According to the regression analysis based on AIEM (advanced integrated equation model), the correlation coefficient between compensated AMSR-E soil moisture and downscaled ASAR backscattering coefficient was approximately 0.81. Verification analysis with the-data of Fengxiang County in the study area shows that the soil moisture retrieved with combined active and passive microwave remote sensing observation displays a correlation coefficient of 0.92, and the root mean square errors (RMSE) of the soil volumetric moisture is 0.025. It indicates that the approach is credible and the soil moisture retrieval results could be used in simulating regional crop growth under water-limited environments.

soil moisture; AMSR-E; ASAR; crop growth simulation model; AIEM

10.13209/j.0479-8023.2015.142

P237; TP79

2015-04-03;

2015-05-18; 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-03-22

國家科技支撐計(jì)劃(2012BAH29B03)資助