多源遥感数据反演植被覆盖地表土壤水分方法研究

发布时间：2020-09-04 18:47

　　土壤水分是影响自然界中水分平衡的一个重要参量,它在地—气界面间的物质与能量交换中起着决定性的作用,是植被生长发育的基本条件。本文基于新一代的哨兵1号(Sentinel-1)SAR数据,结合Landsat 8 OLI以及FY-3C的MWRI数据,研究植被覆盖地表土壤水分反演方法。为消除植被对土壤水分反演的影响,分别利用Landsat 8 OLI数据构建的植被指数和FY-3C/MWRI数据构建的微波极化差异指数建立植被含水量模型;然后,基于Sentinel-1 SAR数据,结合水-云模型,发展两种多源遥感数据联合反演植被覆盖地表土壤水分半经验模型。为了评价所建立模型的反演精度,分别在西班牙卡斯蒂利亚-莱昂自治区以及中国的江淮地区开展土壤水分反演试验,并利用观测的土壤水分数据进行反演结果的精度验证。其主要研究结论如下:(1)对比交叉极化VH和同极化VV数据在土壤水分反演中的表现,VV极化数据能取得更高的反演精度。因而Sentinel-1 VV极化数据更适用于土壤水分的反演。(2)在利用光学与微波数据联合反演植被覆盖土壤水分试验中,相较于NDVI与EVI,NDWI1与VV极化数据构建的土壤水分半经验模型能取得更好的结果。对于西班牙试验区域,模型反演的土壤水分与实测值之间的相关系数为0.865,其均方根误差及平均偏差分别为0.045cm3/cm3、0.036cm3/cm3;在中国试验区域,模型反演的土壤水分与实测值之间的相关系数为0.627,其均方根误差及平均偏差分别为0.044cm3/cm3、0.036cm3/cm3。(3)在利用主被动微波数据联合反演植被覆盖土壤水分试验中,基于Sentinel-1 VV极化数据与FY-3C/MWRI的微波极化差异指数MPDI构建的半经验模型也能很好地估算中国试验地区地表土壤水分,模型反演的土壤体积含水量与实测值之间的相关系数为0.563,其均方根误差及平均偏差分别为0.046cm3/cm3、0.037 cm3/cm3。(4)通过对模型中各个参数的敏感性分析可知,土壤水分对雷达后向散射系数最为敏感,归一化水分指数NDWI和微波极化差异指数MPDI次之,而雷达波入射角敏感性最低。(5)在区域土壤水分制图中,Sentinel-1与Landsat 8数据构建的半经验模型可以得到20m空间分辨率的土壤水分制图;而Sentinel-1与FY-3C/MWRI数据构建的半经验模型得到土壤水分制图空间分辨率为1km。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S152.7
【部分图文】：

点分布,安徽省,试验站,江苏省

２．１研究区概况及地面数据集逡逑２．１．１中国研究区概况及地面数据集逡逑中国的研究区域为横跨我国江淮区域的安徽省和江苏省，站点位置如图２．１所示，逡逑该试验区域地处１１４°５ｆ？１２１。５７１，２９°４１＇？３５°２（ＴＮ，平均海拔约为３０ｍ。其中江苏逡逑省位于我国东部沿海中心，东临黄海，东南分别与上海与浙江省相邻，西连安徽省，北逡逑靠山东省。江苏省的地形较为平坦，多以平原为主，其平原面积超过７万平方公里，占逡逑江苏省总土地面积的７０％以上，比例居我国各省首位，其主要农作物包括水稻、小麦、逡逑玉米、棉花、大豆和油菜等；安徽省地处长江、淮河中下游，长江三角洲腹地，东接江逡逑苏和浙江省，西连湖北和河南省，南邻江西省，北靠山东省；安徽省的主要地形类型有逡逑平原、丘陵和山地，其北部以种植小麦为主，南部以种植水稻为主，其它农作物还包括逡逑油菜、棉花和大豆等。逡逑＊秦．．鲶

西班牙,试验站,土壤水分,观测网

２．１．２西班牙研究区概况及地面数据集逡逑为建立植被覆盖地表土壤水分反演模型，从国际土壤水分观测网上选取有植被覆盖逡逑且地势平坦的西班牙卡斯蒂利亚－莱昂自治区的萨拉曼卡地区（图２．２）作为本文的另一逡逑个试验区域。国际土壤水分观测网（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｓｏｉｌ邋Ｍｏｉｓｔｕｒｅ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＩＳＭＮ）是全球逡逑能源和水交换项目（Ｇｌｏｂａｌ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ａｎｄ邋Ｗａｔｅｒ邋Ｅｘｃｈａｎｇｅｓ邋Ｐｒｏｊｅｃｔ，ＧＥＷＥＸ）与地球观测组逡逑织（Ｇｒｏｕｐ邋ｏｆ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，邋ＧＥＯ）和地球观测卫星委员会（Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ邋ｏｎ邋Ｅａｒｔｈ逡逑Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ邋Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ，邋ＣＥＯＳ）共同合作建立的全球站点土壤水分数据库。该数据库对于逡逑地球科学界验证和提高全球卫星观测和地表模型精度具有重要的研究意义［６２］。西班牙地逡逑区的国际土壤水分观测网上的站点分布在巴利亚多利德和萨莫拉两个省，其土壤水分观逡逑测网经纬度范围为５°１２’？５°３３＇Ｗ，４１°０９＇？４１°２７＇Ｎ，研究区域以平原为主，其主要地逡逑表类型有农用地、自然植被、稀疏植被（草本植物）、草地、城市和建筑区、永久湿地、逡逑水体等。本文所使用西班牙的２０个观测站的地面实测数据在国际土壤水分观测网逡逑（ｈｔｔｐｓ：／／ｉｓｍｎ．ｇｅｏ．ｔｕｗｉｅｎ．ａｃ．ａｔ／ｉｓｍｎ／）上下载，＂Ｆ载的土壤水分数据为０？５ｃｍ深度层的逡逑土壤体积含水量

全球覆盖,范围

图２．５邋Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１全球覆盖范围逡逑Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１卫星搭载有Ｃ波段ＳＡＲ传感器，其工作频率为５．４邋ＧＨｚ，具有多极化成逡逑像能力。Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１成像系统采用４种成像模式（图２．６），其具体信息见表２．２。逡逑ｗ逦ｒ逡逑＊＊＊＊＊逦｜逦ｆｌｋ逡逑Ｉ逦＼逦Ｍｌ邋Ｓｕｂ－５ａｔｅＨｊｔｅ邋Ｔｒａｃｋ逡逑＼逦＼逦＼邋Ｊｋ＾逡逑：Ｄｒｂｉｔ邋Ｈｅｉｇｈｔ邋＼逦＼逡逑￣７００ｋｍ邋Ｖ邋＼逡逑＿森逡逑＾＾＾＾ｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ邋Ｗｉｄｅ邋Ｓｗａｔｈ逡逑逦Ｍｏｄｅ逦逦逦逦逦逦逦—逦逡逑图２．６邋Ｓｅｎｔｉｎｅｌ－１成像模式逡逑本研宄所用数据是干涉宽模式（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ邋Ｗｉｄｅ，ＩＷ）下的ＳＩ邋ＴＯＰＳ－ｍｏｄｅ邋ＳＬＣ逡逑数据，其地面分辨率为２０ｍ，幅宽为２５０ｋｍ，该成像模式解决了宽幅合成孔径雷达成像逡逑出现的ｓｃａｌｌｏｐｉｎｇ效应，并增强成像辐射性能，使提取的后向散射系数更精确［５７］。逡逑１４逡逑

【参考文献】