含水含盐土壤介电特性实验研究及对雷达图像的响应分析

【摘要】： 目前土壤盐碱化是世界上面临的一个严重问题，加强土壤盐碱化的监测具有极其重要的价值。传统的野外定位观测法不仅费时、费力，而且观测点少，代表性差，无法实现大面积动态监测。光学遥感不论是目视判读还是计算机自动分类，都要依赖于盐碱土的光谱响应特征，而单纯通过光谱响应来提取土壤盐碱化信息，具有一定局限性。然而在微波波段，土壤盐分变化会影响土壤的导电性，进而影响土壤介电常数、以及土壤表面后向散射系数。这就为通过雷达遥感监测土壤含盐量的变化提供了可能。 利用微波遥感进行土壤水分反演的研究较为成熟，而对土壤含盐量的研究却仅处于初级阶段。本文旨在研究土壤含盐量与土壤介电常数以及雷达后向散射系数之间的关系，把经典的Dobson土壤混合介电模型扩展为含水含盐土壤的混合介电模型；利用后向散射理论模型并结合吉兰泰实验地区的雷达影像分析雷达影像对土壤含盐量响应。从而为利用微波遥感监测土壤盐碱化提供理论和实验基础。 我们采集了5类不同质地的土壤，并配制成不同含盐量、含水量的150个土壤样品，利用微波网络仪共轴探头技术测量样品的介电常数，并使用土壤学方法测量了土壤样品各相关参数。将获得数据进行分析，修正了Dobson模型，使之适用于含水含盐土壤。 与雷达卫星过顶同步或准同步，在吉兰泰地区沿古盐湖剖面采集41个土壤样品，实验室测量土壤样品的介电常数和相关土壤参数。对雷达图像进行处理，提取相应采样点的后向散射系数，定性分析后向散射系数与土壤介电常数(虚部)以及与土壤含盐量之间的关系。 研究结果表明： 1．干燥土壤的盐分对土壤的介电常数影响较小，对于湿润土壤而言，溶解在土壤水分中的盐离子极大的影响了土壤—水—电解液系统的电导率，增加了土壤介电常数虚部中电导率项的作用，从而影响了土壤的介电特性，特别是在低频区(小于6GHz)。在相对湿润的土壤中，对非盐碱化土壤而言，介电常数虚部远远小于实部(在P、L波段ε″／ε′通常不超过0.1，在C波段ε″／ε′较大， 通常不超过0.2)。在土壤水分反演中通常忽略土壤介电常数虚部的影响。而 本文实验数据表明:C波段时，当土壤含盐量等于1.5%时，岁7岁近似为0.5。 在L波段，土壤的含盐量大于0.3%，时岁丫口值大于0.5，当含盐量大于l %时，口，/扩值大于1。在P波段时，含盐量大于0.3%时，岁丫岁值就大于l 了，所以这种情况下我们就无法忽略土壤含盐量对土壤介电常数的影响，因 而也就不能忽略土壤含盐量对于雷达后向散射系数的影响。 2.经典Dobson模型是基于非含盐土壤建立的，该模型并不适用于含水含盐土 壤。本文根据大量含水含盐土壤测量数据，引入含盐量因素，扩展了Dobson 模型。根据扩展后的模型计算的介电常数值与实验室测量结果吻合较好。利 用扩展的Dobson模型，我们可以从P(或L)波段和C波段的介电常数的幅 值，反演土壤的含盐量和含水量。且反演结果与实测结果吻合较好。这为从 雷达影像上反演土壤的含盐量提供了基础。 3.结合现有正演后向散射模型，分析表明，(裸露土壤，忽略体散射条件下)含 水含盐土壤的后向散射系数与土壤含盐量具有良好的相关关系。在吉兰泰试 验区，从RADARsAT图像中提取的后向散射系数丫与土壤样品的介电常数 虚部扩之间的相关系数为0.70;与土壤的含盐量之间的相关系数为0.69。 说明该试验区介电常数虚部二俘是影响雷达后向散射系数的主导因素，土壤盐 分通过影响土壤的介电常数虚部，进而影响了雷达的后向散射系数。 所有这些结果表明微波遥感在监测土壤含盐量和土壤盐碱化程度方面，具有 很大的潜力。通过雷达影像反演土壤含盐量是完全可能的。