[發(fā)明專(zhuān)利]一種單頻率微波輻射計(jì)土壤水分的反演方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310034179.8
• 申請(qǐng)日: 2013-01-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103149220A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳權(quán);曾江源;李震
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心
• 主分類(lèi)號(hào): G01N22/04
• 分類(lèi)號(hào): G01N22/04
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微波遙感領(lǐng)域，主要涉及的是一種單頻率微波輻射計(jì)土壤水分的反演方法。

背景技術(shù)

土壤水分是地球生態(tài)系統(tǒng)非常重要的組成部分，它對(duì)全球水圈，大氣圈和生物圈水分和能量的交換起著關(guān)鍵的作用。頻繁的全球土壤水分觀測(cè)對(duì)很多環(huán)境學(xué)科，例如洪水監(jiān)測(cè)，改良土壤侵蝕模型，天氣和氣候預(yù)報(bào)以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要。因此，獲取大范圍地表土壤水分時(shí)空分布信息是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的土壤水分測(cè)量方法是基于點(diǎn)的測(cè)量，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且很難實(shí)現(xiàn)大范圍持續(xù)監(jiān)測(cè)。而被動(dòng)微波傳感器的空間分辨率通常為幾十千米，因此非常適合大尺度的全球性的土壤水分觀測(cè)。且相比其他遙感手段獲取土壤水分，被動(dòng)微波遙感有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：(1)能夠全天時(shí)工作，(2)能夠穿透云層并較少受到大氣的影響，(3)通過(guò)土壤介電常數(shù)與土壤水分直接相關(guān)，很容易獲得土壤水分信息，(4)相對(duì)而言對(duì)地表粗糙度和植被覆蓋不那么敏感。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出了一個(gè)新的土壤水分反演方法。該方法基于零階輻射傳輸模型和植被光學(xué)厚度不受極化依賴(lài)的假設(shè)。方法中將植被和粗糙度的影響綜合為一個(gè)影響參數(shù)，并利用同頻率下H/V兩個(gè)極化通道將這個(gè)綜合影響參數(shù)表達(dá)為只受到土壤水分影響的表達(dá)式。最后將這個(gè)表達(dá)式代回到輻射傳輸方程中，并利用微波極化差異指數(shù)(microwave?polarization?difference?index，MPDI)消去地表溫度的影響，進(jìn)而通過(guò)利用非線性迭代算法使得觀測(cè)的MPDI與模擬的MPDI之間的差的絕對(duì)值最小來(lái)得到土壤水分。

該反演方法包括如下步驟：

(1)首先設(shè)定待反演參數(shù)土壤水分mv在一個(gè)合理的物理范圍區(qū)間，然后設(shè)定它的迭代步長(zhǎng)，所述迭代步長(zhǎng)將所述物理范圍區(qū)間劃分成多個(gè)網(wǎng)格；

(2)將土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)與步驟(1)中的土壤水分一同輸入Hallikainen經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停玫酵寥赖膹?fù)介電常數(shù)；

(3)將步驟(2)中得到的土壤復(fù)介電常數(shù)結(jié)合衛(wèi)星的傳感器入射角參數(shù)輸入菲涅爾方程式，得到同頻率下H/V兩個(gè)極化的光滑地表反射率；

(4)將步驟(3)中得到的光滑地表反射率結(jié)合粗糙度參數(shù)Q、h，輸入粗糙度模型Q/H模型，得到粗糙地表的有效反射率；

(5)將步驟(4)中的粗糙地表反射率與植被單次散射反照率ω、植被光學(xué)厚度τ_p、土壤和植被冠層的溫度T_s和T_c一同輸入零階輻射傳輸模型，得到給定頻率下前向模型模擬的H/V極化的亮溫MPDI_sim；

(6)在相同頻率下，利用衛(wèi)星真實(shí)觀測(cè)的H/V極化亮溫值，計(jì)算得到觀測(cè)的MPDI_obs，并給出循環(huán)收斂的判別準(zhǔn)則|MPDI_obs-MPDI_sim|＝min，即在mv不斷迭代的過(guò)程中，遍歷所有的mv迭代值，取所有值中能使得觀測(cè)的MPDI_obs與模擬的MPDI_stm之間的差的絕對(duì)值最小的那個(gè)mv值，此時(shí)便得到了一個(gè)格網(wǎng)對(duì)應(yīng)的mv反演值。

(7)重復(fù)步驟(1)～(6)便可以得到所述物理范圍內(nèi)所有格網(wǎng)的mv反演值。

優(yōu)選的是，在步驟(1)中，所述物理范圍區(qū)間為0～0.6，所述迭代步長(zhǎng)為0.001，即每求解一個(gè)格網(wǎng)的mv的迭代過(guò)程均為：mv循環(huán)從0開(kāi)始至0.6結(jié)束，每次迭代的步長(zhǎng)為0.001，最終mv的取值為滿(mǎn)足條件的那個(gè)值。

優(yōu)選的是，在步驟(4)中，其中Q參數(shù)選擇在6.9GHz時(shí)的標(biāo)定值0.174。

優(yōu)選的是，在步驟(5)中，采取單次散射反照率為零，即ω＝0，植被光學(xué)厚度不受極化影響，即τ_H＝τ_V，植被、土壤溫度相等，即T_s＝T_v＝T，將粗糙度和植被的影響合并成一個(gè)綜合的影響因子，即exp(-2τ-h)，然后通過(guò)利用同頻率下H/V極化雙通道的輻射傳輸方程將這個(gè)綜合影響因子表達(dá)成只受到土壤水分影響的表達(dá)式，即exp(-2τ-h)＝f(mv)，因?yàn)閙v在整個(gè)算法過(guò)程中一直都是一個(gè)迭代的已知值，因此粗糙度和植被的影響exp(-2τ-h)＝f(mv)也可以計(jì)算得到，也就是說(shuō)，除了溫度未知，其他的參數(shù)都“已知”，接著，利用微波極化差異指數(shù)MPDI消去溫度的影響，進(jìn)而可以得到模擬的MPDI_sim。