基于C和L波段雷达数据的干旱区土壤水分反演

发布时间：2020-04-10 03:10

【摘要】：土壤水分是土壤的重要组成部分,是干旱区生态系统的重要胁迫因素,在全球和区域水文、水资源、气象及气候过程中发挥着重要作用。进行干旱区地表土壤水分反演,对于了解干旱区地表状况、能量转换、生态环境和气候变化具有重要意义,同时也能为干旱区旱情监测、土地退化和生态环境保护工作提供有力支持。遥感技术的快速发展为多时空、大尺度的土壤水分反演提供了可能,主动微波遥感具有分辨率高,对土壤水分高度敏感,以及能全天时、全天候对地观测等优势,已成为干旱区气候与环境监测中常用的技术手段,广泛应用于干旱区土壤水分监测及地表参数反演等研究中。不同的雷达系统具有不同的入射波波长(频率),波长不同,穿透能力不同,对地表参数的响应关系存在差异,因而对气候与生态环境监测的能力有所差别。其中,C波段(4~8GHz)和L波段(1~2GHz)是土壤水分遥感反演的常用波段,探究不同雷达波段(频率)在干旱区土壤水分反演中的效果,有助于深入理解不同波段下干旱区目标地物的散射特性,对于深入理解土壤水分遥感反演机理具有一定的参考价值。本文以内蒙古额济纳旗东南部的居延泽为研究区,结合地表参数实测数据,基于RADARSAT-2和ALOS-2/POLSAR全极化雷达数据进行土壤水分反演。首先,利用AIEM模型分别模拟C波段和L波段裸露地表的后向散射特征,分析后向散射系数对不同雷达参数和地表参数的响应关系;其次,探讨菲涅尔反射系数与土壤水分之间的转换关系,以及组合粗糙度参数与后向散射系数之间的响应关系;最后,利用组合粗糙度、菲涅尔反射系数与后向散射系数的关系建立经验模型,结合土壤水分与菲涅尔反射系数之间的经验关系,实现研究区土壤水分的反演,并对不同波段的反演效果进行对比分析。主要结论如下:(1)后向散射系数随雷达入射频率、土壤水分含量和均方根高度的增加接近对数递增,随雷达入射角和相关长度的增加接近线性递减。后向散射系数对入射角和土壤水分含量的响应趋势较为稳定。在相同地表参数条件下L波段比C波段后向散射系数更小。(2)均方根高度对后向散射系数的影响较相关长度更为显著,对于C波段和L波段,均方根高度和相关长度对后向散射系数的影响也有所区别,在土壤水分反演中的适用范围也有所不同。针对本研究区,C波段的粗糙度参数适用范围为均方根高度小于1.7cm,相关长度大于8cm;L波段的粗糙度参数适用范围为均方根高度小于2.1cm,相关长度大于6cm。(3)土壤水分含量与菲涅尔反射系数之间存在良好的二次函数关系,组合粗糙度、菲涅尔反射系数分别与后向散射系数呈良好的对数关系。结合上述关系建立经验模型对土壤水分进行反演,经实测值验证,C波段下R~2=0.7749,RMSE=5.87%,MAE=4.03%;L波段下R~2=0.7809,RMSE=5.23%,MAE=3.64%。(4)由土壤水分反演结果可知,居延泽大部分地区土壤水分含量在10%以下,普遍偏低,但天鹅湖和东、西居延泽古湖心区域的土壤水分含量明显高于其他区域。C波段更易受地表粗糙度和覆盖物的影响,而利用L波段对土壤水分进行监测时,易受到比C波段探测深度更深的土层影响。
【图文】：

研究区位置图

基于C和L波段雷达数据的干旱区土壤水分反演

采样点分布图
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S152.7;TN958

【参考文献】