基于雷達和高光譜數據的表層土壤水分反演研究

馬建威

中國水利水電科學研究院，北京 100038

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基于雷達和高光譜數據的表層土壤水分反演研究

馬建威

中國水利水電科學研究院，北京 100038

土壤水分是地表能量平衡和水分循環(huán)的關鍵參數，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和難點之一。本論文充分考慮了全極化雷達和高光譜數據的特點，開展綜合利用全極化雷達和高光譜數據直接定量反演表層土壤水分的模型研究。主要研究內容如下：

(1) 基于AIEM模型，建立了利用C和L波段HH和VV雙極化雷達數據反演裸土區(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波段雷達信號的后向散射特征，通過非線性回歸的方法分別建立了C波段和L波段下的簡化的HH和VV極化的裸露地表后向散射模型，模型中主要包括3個變量：地表組合粗糙度、土壤介電常數實部和入射角；然后，通過HH和VV極化下裸露地表后向散射模型的聯立計算，消除了模型中的地表組合粗糙度參數，從而擬合得到土壤介電常數實部反演模型；最后，利用Dobson土壤介電常數模型，根據土壤質地和土壤溫度的信息，實現土壤水分的反演。

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

(2) 基于高光譜數據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水吸收帶右側曲線(985～1055 nm)一階導數D985～1055與植被冠層含水量關系密切，決定系數R2達0.91，基于此，建立了利用D985-1055反演植被冠層含水量的模型。采用機載SASI數據中心波長為995、1010、1025和1040 nm 4個波段計算D985～1055，并利用所建模型反演玉米植被冠層含水量，進一步根據研究區(qū)玉米植被冠層含水量和植被含水量的轉換關系，最終實現了黑河生態(tài)水文遙感試驗——核心觀測矩陣區(qū)的玉米植被含水量反演。

(3) 基于L波段全極化雷達數據不同極化比的植被含水量反演模型。考慮到長波段雷達的強穿透能力和全天候、全天時的觀測能力，以及不同結構的植被的后向散射特征不同，建立了利用L波段全極化雷達數據不同極化比的玉米和大豆植被含水量反演模型，并利用PALS 機載雷達數據實現了SMEX02試驗區(qū)的植被含水量的反演。利用實測植被含水量對反演結果進行驗證，反演與實測的玉米和大豆植被含水量密切相關，相關系數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 光學數據計算NDWI從而反演植被含水量的精度相當。結果表明利用L波段全極化雷達數據的不同極化比反演不同植被的植被含水量是可行的，是對當前主要應用光學遙感數據的植被含水量反演方法的一個有力補充。

(4) 基于C波段雷達和高光譜數據以及L波段全極化雷達數據，分別建立了C波段和L波段下的半經驗的植被覆蓋區(qū)土壤水分反演模型。聯合C波段RadarSat-2雷達數據和機載SASI高光譜數據實現了黑河生態(tài)水文遙感試驗——核心觀測矩陣區(qū)的土壤水分的反演，同時基于L波段的PALS機載全極化雷達數據實現了SMEX02試驗區(qū)的土壤水分反演。利用實測數據對反演結果驗證表明，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，應用L波段全極化雷達數據開展植被區(qū)土壤水分反演為全天候、全天時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.基于雷達和高光譜數據的表層土壤水分反演研究[J].測繪學報，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)于中國水利水電科學研究院，獲工學博士學位(指導教師：李紀人教授、黃詩峰教授)，研究方向為微波土壤水分反演。

TP701：P237

D

1001-1595(2017)05-0666-01

高分重大專項(08-Y30B07-9001-13/15)；國家自然科學基金重點項目(51420105014)

E-mail： mjw147258369@126.com