[發(fā)明專利]一種FY-3C被動(dòng)微波數(shù)據(jù)估算土壤濕度的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610009067.0
• 申請(qǐng)日: 2016-01-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105466957B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-05-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓曉靜;唐榮林;段四波;唐伯惠;吳驊;冷佩;李召良
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所;中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所
• 主分類號(hào): G01N22/04
• 分類號(hào): G01N22/04
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種FY-3C被動(dòng)微波數(shù)據(jù)估算土壤濕度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：FY-3C衛(wèi)星MWRI傳感器陸表溫度L2產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取及其預(yù)處理，所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括以下步驟：

(1)提取8個(gè)通道：10.7GHz/H，10.7GHz/V，18.7GHz/H，18.7GHz/V，23.8GHz/H，36.5GHz/V，89.0GHz/H，89.0GHz/V的亮溫?cái)?shù)據(jù)，H和V分別代表水平極化和垂直極化，其中通道10.7GHz/H和10.7GHz/V是用于土壤濕度估算，通道36.5GHz/V是用于計(jì)算土壤濕度估算中用到的地表溫度，其他通道數(shù)據(jù)用于步驟2中掩膜無(wú)效像元；

(2)根據(jù)如下公式將DN值轉(zhuǎn)化為星上亮溫；

公式一：Tb＝gain*DN+offset

式中，Tb為星上亮溫；DN為計(jì)數(shù)值；對(duì)于FY-3C衛(wèi)星MWRI傳感器陸表溫度L2產(chǎn)品的亮溫?cái)?shù)據(jù)，所有通道的gain和offset分別為0.01和327.68；

(3)將ESD投影平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)為地理坐標(biāo)；

(4)對(duì)亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行裁剪得到陸地范圍亮溫?cái)?shù)據(jù)；

步驟二：受降雨、冰雪、凍土影響以及大量無(wú)線電射頻信號(hào)干擾的像元并不適合土壤濕度估算，因此將其視為無(wú)效像元，并對(duì)其進(jìn)行掩膜處理；掩膜像元不進(jìn)行土壤濕度估算，全部賦值為-1.0；

如下為掩膜條件，滿足以下條件的像元即為無(wú)效像元：

雨：TbV89.0GHz<249K；

冰雪、凍土：TbV36.5GHz<250K且TbV36.5GHz-TbV18.7GHz<-3K；

無(wú)線電射頻信號(hào)干擾：TbV10.7GHz<TbH10.7GHz或TbH18.7GHz<TbH10.7GHz-5K或TbV18.7GHz<TbV10.7GHz-5K；

步驟三：地表土壤濕度估算：

對(duì)于植被覆蓋地表，星上亮溫的貢獻(xiàn)主要由以下6個(gè)方面組成：(a)土壤發(fā)射輻射；(b)植被直接發(fā)射輻射；(c)地表對(duì)植被的反射輻射；(d)大氣上行輻射；(e)地面對(duì)大氣下行輻射的反射輻射；(f)地面對(duì)宇宙背景輻射的反射輻射；微波輻射傳輸方程可以表示為：

公式二：

式中，p代表不同極化，包括水平極化H和垂直極化V；Tb為星上亮溫，可從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中直接獲取；Ts和Tv分別為土壤和植被溫度，假定Ts＝Tv；

Tb,a↑，Tb,a↓，Tb,c分別為大氣上行、下行和宇宙背景輻射的亮溫，這三個(gè)參數(shù)值較小，其變化對(duì)方程影響較小，可以賦值為常數(shù)，與微波頻率和極化無(wú)關(guān)，即Tb,a↑＝6.0K，Tb,a↓＝8.7K，Tb,c＝2.725K；Γv和Γa分別為植被層和大氣層的透過(guò)率，τv是植被光學(xué)厚度，τa是大氣光學(xué)厚度，在FY-3C衛(wèi)星MWRI傳感器的觀測(cè)角53°度下,τa為0.014；εs為土壤粗糙地表發(fā)射率；ωv為植被單次散射反照率，在10.7GHz頻率處，ωv＝0.07，與極化無(wú)關(guān)；

在公式二中，星上亮溫Tb可從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中直接獲得；右邊三個(gè)未知數(shù)Ts，εs和τv，粗糙地表發(fā)射率εs的計(jì)算復(fù)雜，需要多個(gè)描述地表粗糙度的參數(shù)，誤差較大，而光滑地表發(fā)射率εsmooth可以根據(jù)菲涅爾方程求得，計(jì)算簡(jiǎn)單，誤差較小，因此將地表粗糙度對(duì)星上亮溫的影響與植被光學(xué)厚度τv對(duì)星上亮溫的影響合二為一，這樣微波輻射傳輸方程中的植被光學(xué)厚度τv由新的變量τ'v代替，該變量包含了植被和地表粗糙度對(duì)星上亮溫的綜合影響，同時(shí)，方程中的粗糙地表發(fā)射率εs由光滑地表發(fā)射率εsmooth代替，微波輻射傳輸模型可以表示為：

公式三：

式中，

和可從衛(wèi)星數(shù)據(jù)中直接獲得；右邊四個(gè)未知數(shù)Ts、和τ'v；

光滑地表發(fā)射率εsmooth的計(jì)算：

建立介電常數(shù)ε與土壤濕度mv的關(guān)系

公式四：

在10.7GHz頻率處a0＝2.502，a1＝-0.003，a2＝-0.003，b0＝10.101，b1＝0.221，b2＝-0.004，c0＝77.482，c1＝-0.061，c2＝-0.135，S為沙土含量，C為黏土含量，

根據(jù)Fresnel方程計(jì)算光滑地表反射率

公式五：

式中，u是FY-3C衛(wèi)星MWRI傳感器地面入射角53°；H,V為兩個(gè)極化；ROH為水平極化光滑地表反射率；ROV為垂直極化光滑地表反射率；

因此，光滑地表發(fā)射率可以表示為：

公式六：

根據(jù)如下公式進(jìn)行地表溫度估算：

公式七：

式中，Ts為地表溫度，為通道36.5GHz垂直極化V的星上亮溫，a＝0.893，b＝44.8；

綜上，根據(jù)公式三通道10.7GHz水平極化H和垂直極化V可以建立兩個(gè)方程，兩個(gè)方程中只有兩個(gè)未知數(shù)土壤濕度mv和τ'v，因此可以根據(jù)最小二乘擬合法求解土壤濕度。