植被覆盖地表土壤水分变化雷达探测模型和应用研究
【摘要】:
在许多水文和气候模型应用中,地表土壤水分含量(~5cm深度)的时空分布信息十分重要,如降雨制图,干旱模式监测,植被需水分析等。表面土壤水还可作为土壤水模型的输入参数,用以预测植被根系的土壤水分含量。(Hymer et al.,2000)。在干旱半干旱地区,监测地表土壤水分的时空变化特性对理解土壤—植被相互作用过程,提高土壤和植被的有效利用率尤为必要。目前,在要求精度范围内获取大范围地表土壤水分时空分布信息仍是一个迫切需要解决的问题。传统的测量方法,如重量法测量和时域反射计都是基于点的测量方法,需要实地操作和烦杂的后处理过程,而且无法在要求的时间精度范围内得到地表土壤水分的空间分布信息。
研究证明,星载合成孔径雷达(SAR)得到的地表后向散射系数与地表介电常数有直接相关关系,从而能够在水文模型要求的精度范围内有效提取地表土壤水分信息。但由于电磁波与地表相互作用的复杂性,雷达后向散射系数除受地表介电常数(土壤水分)影响外,还受到地表粗糙度、土壤类型、植被覆盖以及雷达入射角、频率、极化等多种因素的影响。特别是在植被覆盖地表,对其下土壤水分的监测更带有极大的困难性。因此,利用雷达后向散射系数反演土壤水分必须首先充分理解微波与地表的相互作用过程。此外,目前星载合成孔径雷达如ERS-1/2、Radarsat等均为单一频率、单一极化的雷达,无法从得到的单参数雷达后向散射系数中直接提取地表土壤水分信息。
本研究中,首先利用基于微波辐射传输方程的微波植被模型和积分方程(IEM)模型模拟了各种地表土壤水分含量情况下,植被覆盖、地表粗糙度(包括地表均方根高度和相关长度)、雷达入射角对C波段(频率4.7Ghz)水平极化(HH)雷达后向散射系数的影响,在此基础上,建立模型消除了植被覆盖、地表粗糙度、及雷达入射角对雷达后向散射的影响,利用多时相50m分辨率Radarsat ScanSAR雷达后向散射系数图像反演得到了地表土壤水分变化模式信息。通过与实测地表土壤水分含量对比,反演结果均方根误差(RMSE)为0.44。本论文研究工作取得的创新性研究成果主要有以下几方面:
1).利用最新发展的电磁波散射模型研究了不同植被覆盖地表雷达波对地
表土壤水分的敏感性,建立了半经验植被雷达后向散射模型;
2).研究发现在农作物等矮小植被覆盖地表,植被层直接后向散射与植被
类型相关,且在植被生长期,雷达后向散射系数对植被含水量的敏感
性要高于对植被高度变化的敏感性;
3).解决了单参数雷达地表土壤水分反演问题中,雷达入射角和地表粗糙
度的影响这一难点问题;
4).利用土壤介电模型校正了不同土壤类型对反演地表土壤体积含水量的
影响;
5).在以上成果基础上,建立了完整的单参数雷达地表土壤水分变化探测
反演算法,经地表验证,模型反演地表土壤水分变化值的精度为RMSE
=0 .44;
6).将建立的反演模型应用于多时相50m分辨率Radarsat ScanSAR雷达
图像,得到了相应分辨率地表土壤变化值。通过对比分析,发现模型
反演得到的地表土壤水分变化信息与相应的地表降雨、植被、土壤类
型具有一定的相关性。
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1 |
李正国,王仰麟,吴健生,张小飞;不同土地利用方式对黄土高原植被覆盖季节变化的影响——以陕北延河流域为例[J];第四纪研究;2005年06期 |
2 |
付新峰;杨胜天;刘昌明;;雅鲁藏布江流域NDVI时空分布及与站点气候因子的关系[J];水土保持研究;2006年03期 |
3 |
唐红玉;肖风劲;张强;史津梅;;三江源区植被变化及其对气候变化的响应[J];气候变化研究进展;2006年04期 |
4 |
董贵青;张养安;;黄土丘陵沟壑区不同植被覆盖对土壤氮素的影响[J];水土保持研究;2009年05期 |
5 |
周德刚;黄荣辉;黄刚;;近几十年来长江上游流域气候和植被覆盖的变化[J];大气科学学报;2009年03期 |
6 |
万恩璞;吕宪国;王野乔;薄立群;;应用遥感信息对长白山植被覆盖的研究[J];地理科学;1989年04期 |
7 |
刘荫椿,杨卫明;遥感技术在黑龙江呼玛地区金矿找矿中的意义[J];黄金地质;2000年03期 |
8 |
李晶,孙根年,任志远,王秋贤,肖兴媛;植被对盛夏西安温度/湿度的调节作用及其生态价值实验研究[J];干旱区资源与环境;2002年02期 |
9 |
李元寿;王根绪;沈永平;王军德;王一博;;长江源区不同植被覆盖下产流产沙效应初步研究[J];冰川冻土;2005年06期 |
10 |
邢文渊;肖继东;师庆东;石玉;;哈密地区绿洲植被遥感监测及其变化原因分析[J];草业科学;2007年09期 |
11 |
叶建军;鄢朝勇;郭声波;徐福卫;;植物覆盖下的边坡稳定性分析方法研究[J];水土保持通报;2008年06期 |
12 |
丁明军;郑林;李晓峰;;气候变化背景下鄱阳湖地区植被覆盖及生产力变化研究[J];安徽农业科学;2009年08期 |
13 |
王柳;段英;周静;;珠三角地区地表植被时空变化及其空间异质性分析[J];嘉应学院学报;2010年02期 |
14 |
朱文彬;吕爱锋;贾绍凤;;基于NDVI的柴达木盆地植被空间分异规律及影响因素[J];干旱区研究;2010年05期 |
15 |
刘洪鹄;张平仓;刘宪春;信忠保;岑奕;;嘉陵江流域植被覆盖时空变化特征[J];长江流域资源与环境;2011年01期 |
16 |
杜鑫;赵鹏祥;陈海波;张成军;杨文海;马国涛;;六盘山自然保护区38年来植被覆盖与气候变化关系分析[J];安徽农业科学;2011年11期 |
17 |
朴世龙,方精云;最近18年来中国植被覆盖的动态变化[J];第四纪研究;2001年04期 |
18 |
张旭,刘新春,肖继东,杨志华;EOS/MODIS影像处理在塔里木河下游植被监测中的应用[J];干旱区研究;2005年04期 |
19 |
马士龙;丁国栋;罗俊宝;贾瑞燕;张东;顾小华;;沙蒿植被粗糙度动力学特性的检验与研究[J];水土保持研究;2006年01期 |
20 |
华建峰;姜勇;梁文举;;植被覆盖对土壤线虫营养类群空间分布的影响[J];应用生态学报;2006年02期 |
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