[發明專利]一種基于被動微波遙感數據的地表土壤水分反演方法

有效

• 申請號: 201810801987.5
• 申請日: 2018-07-20
• 公開（公告）號: CN108982548B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 宋沛林;黃敬峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04
• 代理公司: 33200 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 陳升華

本發明公開了一種基于被動微波遙感數據的地表土壤水分反演方法，包括：得到土壤組分空間分布影像和各個波段的微波亮溫空間分布影像；利用K波段的垂直和水平極化亮溫數據計算地表平均有效溫度，利用X波段的垂直和水平極化亮溫數據構建X波段的微波亮溫極化差指數；將地表平均有效溫度和X波段的微波亮溫極化差指數代入土壤介電常數的數學模型和微波輻射傳輸模型，求解植被光學厚度和土壤介電常數；將土壤介電常數，代入土壤水分含量反演模型，計算得到地表土壤水分含量。經驗證，相比原算法得出的數據值，由改進后的反演算法計算得出的土壤含水量數據值在多水地表條件下，擁有更高的反演精度。

技術領域

本發明涉及遙感地表土壤水分含量反演的技術領域，具體涉及一種基于被動微波遙感數據的地表土壤水分反演方法。

背景技術

土壤水為土壤層內的非飽和水體，廣泛分布于陸地表層，又是植物生長的必要水源，因此土壤水資源是關系著農業生產質量的重要資源；同時，土壤水資源是地表水與地下水相互轉化的紐帶，它可以以蒸散發的形式進入大氣，又以降水的形式在土壤表層中得到補充，可以說是地表能量交換中的核心因素，也是全球地表物質能量循環的重要載體組成。全球尺度的土壤水資源分布狀態是權衡和評價地表蒸散發模式(植被長勢)和降水模式(生態系統好壞)的重要依據，也是研究一個區域內水文特征和氣候變化的基礎數據。在全球氣候變暖的大背景下，全球尺度的土壤水分分布數據成為了科學家們研究全球氣候和水文環境變化并建立合理的全球氣候響應模型的不可或缺的保障之一。在此基礎上，全球可持續發展政策的制定才有了更為科學的依據支持。全球土壤水分數據集是當前關于土壤水分研究中空間尺度最為宏觀的數據集。傳統的土壤水分監測主要是在氣象站通過人工觀測或者自動臺站觀測的手段獲取實時的表層土壤水分含量值。然而這樣的觀測手段不僅費時費力，所測量的土壤水分含量值也面臨著空間代表性不足的劣勢。一來該測量數據僅僅代表單個測量點出探針所指的在水平方向上不到10cm范圍內的土壤水分含量平均水平；二來由于過于龐大的建站觀測成本和全球尺度下難以控制的地理環境復雜程度，在全球范圍內也幾乎肯定無法得到觀測規格一致、數量足夠、且均勻分布在七大洲各地區的土壤水分觀測站來滿足觀測制圖的需求。隨著科技的進步，衛星遙感數據的獲取和衛星遙感土壤水分反演方法研究的推進，有效彌補了利用站點觀測土壤水分資料在空間連續性和觀測成本上的劣勢，使利用衛星遙感數據獲取高時空分辨率的近實時地表土壤水分含量分布影像成為可能。

在此背景下，美國和歐盟一些國家從二十世紀七十年代起陸續展開基于衛星遙感的大空間尺度土壤水分反演研究用于滿足國家、大洲以及全球尺度的土壤水分分布監測與應用需求。微波遙感數據對云層和植被冠層具有良好的穿透性，是監測土壤水分變化信息的理想數據源。常用的微波遙感數據包括微波輻射計數據集和微波散射計(雷達)數據集。微波散射計接收數據反演地表土壤水分的機理復雜，數據分辨率過高因此占用空間較大且成本昂貴，處理步驟繁瑣，并且反演過程對地表輔助參數有著嚴格精確的要求，導致該數據的應用成本整體偏高。微波輻射計屬于被動微波技術，其數據全球覆蓋度高，獲取容易，適合大面積的地表土壤水分監測。微波輻射計包括升軌和降軌兩種模式的數據集，每種模式的數據集對于中低緯度地區的重訪周期均為1-3日(在我國大部分地區一般為1-2日)，其較高的時間分辨率保證了可以對地表土壤水分空間變化做到接近每日1-2次的近實時監測。該類數據集的空間分辨率一般在10-60km范圍內，總體來說，在較為宏觀的全球尺度研究當中該空間分辨率范圍在空間制圖精度和數據繁雜程度之間達到了較為理想的平衡。