植被覆盖地表极化雷达土壤水分反演与应用研究
【摘要】：当前土壤水分是预测、估算并建立重要生态模型过程,例如水分的蒸散发、传输过程、地表径流以及地下水补给等的一个重要的参数;同时土壤水分的补给也是影响植被生态系统时空动态变化的一个关键因素。因此土壤水分含量匮乏与饱和的时空波动信息与很多应用息息相关,如:植被长势预测,确定合适的播种时间,判别农作物区土壤的侵蚀程度以及监测土壤表层动态过程(物理的,化学的以及生物的等等)。土壤水分还是水文学以及气象学模型的输入参数并能够确定环境敏感区。因此研究土壤水分的动态变化特性是当前国际上研究的一个重要课题之一。
已有的研究表明,合成孔径雷达的后向散射系数对地表土壤水分(土壤介电常数)非常敏感。但由于地表的复杂性,雷达后向散射系数还受地表粗糙度以及植被层的强烈影响,因此研究植被层覆盖下的土壤水分相对比较困难。近年来,开展了各种理论的、试验性的研究以了解雷达后向散射与土壤水分、地表粗糙度及植被散射之间的关系。本研究就是在L波段全极化机载雷达数据的基础上,发展植被覆盖下的土壤水分反演算法,以估算低矮植被覆盖地表下(主要是农作物覆盖区)土壤水分含量。
本研究中我们首先在描述植被覆盖地表的一阶离散植被模型的基础上,将植被覆盖地表的后向散射分为与植被相关的散射项及与地表相关的散射项两个部分,并建立了植被覆盖地表的后向散射模拟数据库;在模拟数据库的基础上应用分解的方法将地表后向散射项从植被覆盖区总的后向散射中分解出来,从而不借助其他辅助数据消除了植被层散射影响,再应用地表散射模型估算出土壤水分信息。本论文的主要研究内容有:
1、应用特征根、特征向量的极化分解技术,将L波段全极化机载雷达数据(AirSAR)分解,研究各分解单元的特性,结合一阶离散植被散射模型,估算同一农作物覆盖地区不同时相土壤水分的变化;
2、研究不同极化下雷达数据对植被覆盖地区散射机制的响应特性,应用不同时相的水平极化及垂直极化对植被-土壤之间各自的响应特点估算了
【关键词】：雷达 后向散射 植被覆盖 土壤水分 反演模型 【学位授予单位】：中国科学院研究生院（遥感应用研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：S152.7
【目录】：
- 摘要3-5
- Abstract5-11
- 第一章 引言11-20
- 第一节 土壤水分研究意义11-12
- 第二节 微波遥感特点12-13
- 第三节 国内外研究现状13-15
- 第四节 选题依据及论文主要内容15-17
- 4.1 选题依据15-16
- 4.2 主要研究内容16-17
- 第五节 总体框架及论文结构17-20
- 5.1 论文总体框架17-18
- 5.2 论文结构18-20
- 第二章 机载极化雷达遥感研究土壤水分基础20-44
- 第一节 机载成像雷达介绍20-30
- 1.1 雷达基础20-24
- 1.2 雷达系统参数及图像几何特征24-28
- 1.3 Airborne SAR28-30
- 第二节 地表参数30-43
- 2.1 概述30-31
- 2.2 粗糙度31-35
- 2.3 土壤水分35-43
- 本章小结43-44
- 第三章 微波散射模型及其介绍44-66
- 第一节 裸露地表微波散射模型44-52
- 1.1 传统理论散射模型44-48
- 1.2 经验一半经验模型48-52
- 第二节 植被覆盖模型52-59
- 2.1 MIMICS模型52-56
- 2.2 水云模型56-57
- 2.3 Roo等人的农作物模型57-59
- 第三节 基于AIEM模型的裸露地表散射研究59-65
- 3.1 雷达后向散射与地表粗糙度的关系60-63
- 3.2 雷达后向散射与土壤水分的关系63
- 3.3 裸露地表模型的简化63-65
- 本章小节65-66
- 第四章 多时相机载雷达地表土壤水分变化研究66-86
- 第一节 研究区介绍66-70
- 第二节 模型引入70-71
- 第三节 多时相土壤水分相对变化估算思路71-74
- 第四节 基于特征根特征向量的极化分解技术估算土壤水分变化74-81
- 4.1 特征根特征向量的目标分解理论介绍74-77
- 4.2 基于极化分解理论的土壤水分变化估算77-80
- 4.3 结论与探讨80-81
- 第五节 多时相数据组合估算地表土壤水分变化81-85
- 5.1 植被覆盖地表的模型简化过程81-83
- 5.2 多时相雷达数据组合反演结果83-84
- 5.3 结论与探讨84-85
- 本章总结85-86
- 第五章 植被覆盖区多极化雷达数据土壤水分反演算法及验证86-111
- 第一节 概述86-87
- 第二节 数据模拟及输入参数确定87-90
- 第三节 反演模型的准备90-95
- 第四节 进一步分析及建立反演模型95-101
- 4.1 植被散射占主导地位96-98
- 4.2 地表散射占主导地位98-101
- 第五节 土壤水分及其变化反演101-109
- 5.1 土壤水分变化估算102-104
- 5.2 土壤水分估算104-108
- 5.3 结论及误差分析108-109
- 第六节 本章小节109-111
- 第六章 结论与讨论111-115
- 第一节 创新成果112
- 第二节 存在问题与展望112-115
- 参考文献(References)115-122
- 攻读博士学位期间第一作者发表论文122-123
- 致谢123
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