基于星载被动微波遥感的地表土壤湿度反演

为了解决传统地面测量站网络不能满足大尺度土壤水分的时、空间变化的问题,而利用微波在土壤水分反演方面具有的独特优势,总结了被动微波遥感模态反演土壤湿度的规律,提出了利用双谱模型计算土壤表面的发射率的方法,并对实验区进行了成功的地表土壤水分反演,取得了理想的结果,该成果对于利用被动遥感技术反演土壤湿度具有一定的技术推广意义。     

先验知识在被动微波遥感土壤湿度反演中的作用和影响

利用微波遥感的发射率数据反演裸土壤湿度，不可避免需要结合地表面和土壤层的一些先验知识，而先验知识的准确度又将对反演结果的准确度产生一定的影响。文章讨论了地表的高度起伏相关函数形式、土壤温度和土壤质地等三类先验知识，定义了几种不同的土壤湿度反演误差，从而定量地给出三类先验知识的不确定性对土壤湿度反演的影响，指出：基于BSM散射模型和人工神经网络（ANN）的土壤湿度的反演方法是可行的，向ANN输入两种极化的裸土壤表面发射率数据便可反演出裸土壤的湿度，在上述三种先验知识具有一定的不确定性时仍可保证较好土壤湿度反演准确度。     

主/被动微波遥感数据融合的土壤湿度产品的CDF改进研究

土壤水分是控制陆地和大气间水热能量交换的关键因子之一,在地球生态系统中起着重要的作用。定量化获取土壤水分信息对农业生产、应对全球变化、保护生态环境等众多领域都有着重要意义。目前,获取精度较高的大区域土壤湿度信息依然是研究的热点和难点问题。气候变化倡议项目(climate change initiative,CCI)土壤湿度数据集是由多种主、被动微波数据融合的大尺度土壤湿度数据集,对其在中国区域的数据质量改进具有较高的实际应用价值。研究利用累积概率分布函数(cumulative distribution function,CDF)匹配方法对CCI土壤湿度产品进行改进。选择有较多实测数据的河北、山西、天津等部分区域,获得2009~2010年每月三旬(共72旬)的土壤湿度插值数据,以此为基础利用CDF进行重调整,建立逐像元的CCI土壤湿度数据的改进模型;然后利用站点实测数据进行该方法的有效性验证。结果表明,CDF调整前的偏差、均方根偏差和平均相对误差分别集中在0.05~0.09、0.05~0.1、0.20~0.45,调整后分别降低在0~0.04、0~0.05、0~0.2范围。可见,CDF调整后的误差明显减小,调整后的CCI土壤湿度的精度得到了明显的提高。     

不同微波遥感模态和不同数据组合的等湿度区域分布与土壤湿度的反演

论述了主动、被动和主动被动相结合的3种微波遥感模态反演土壤湿度的方法和特点。为了采用人工神经网络方法反演出土壤湿度，在随机粗糙面双谱散射模型的基础上计算了裸土壤表面的散射系数和发射率，分析了3种不同的微波遥感模态和不同数据组合的等湿度区域分布的特点，从而确定了适合于各个微波遥感模态的输入数据组合。反演结果表明，只要选择适当的人工神经网络输入数据组合，采用3种模态中的任何一种微波遥感模态反演土壤湿度都是可行的，并具有较好的反演精度，结果对于微波遥感反演土壤湿度方案的选取具有指导意义。     

基于微波遥感的土壤湿度异常监测

提出地表微波极化差异指数,并利用AMSR-E星载被动微波遥感亮温数据,统计分析了2002-2006年7月上旬新疆微波极化差异指数旬平均分布;通过计算归一化距平,反演得到新疆7月上旬土壤湿度动态变化分布图。结果表明:利用微波极化差异指数能够较好地表征土壤湿度时空异常变化,为定量监测土壤相对干湿程度提供了一种有效便捷的方法。     

融合合成孔径雷达和光学影像的植被覆盖区土壤湿度反演

利用合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)卫星可对土壤湿度实现大面积、时间连续的反演.针对此过程中难以消除植被遮挡的问题,提出融合SAR微波数据和光学数据,利用修正水云模型消除植被影响,求解纯粹地表后向散射系数,代入裸土区土壤湿度反演算法进行土壤湿度反演,并在武汉豹澥区域设置实测站点记录实测数据进行比对.结果分析表明,经过植被消除后,实测站点垂直极化后向散射系数平均衰减量与植被覆盖度之间时间序列上相关系数达到0.83;土壤湿度反演值与实测值趋势相关性平均提升0.08,且提升程度与植被覆盖度相关系数也达到0.8以上,表明本算法针对植被覆盖度越大区域反演效果越好.该方法通过SAR影像和光学影像融合反演长时间序列土壤湿度具有良好可信度.     

安徽省土壤湿度时空变化规律分析及遥感反演

为获取安徽省的土壤湿度时空信息,采用克里金法将站网实测多层土壤湿度数据插值为网格数据,分析其时空变化特征;进而建立遗传算法优化的BP(back propagation)神经网络模型进行土壤湿度反演。该模型以风云3B卫星的亮温数据为主要输入,训练后对该模型验证并进行预测。结果表明:安徽省土壤湿度月均值波动较频繁,淮北平原和大别山区较其他区域干燥;随着深度的增加,土壤湿度增大且季节和空间差异变小;所有分区平均模拟值与实测值的日序列相关性达到0. 605,均方根误差为0. 056 m~3/m~3,说明该模型能够较好地反演安徽省土壤湿度。     

FY-3A/MWRI数据反演半干旱地区土壤湿度的研究

为了监测半干旱地区干旱化范围和干旱程度, 探讨了一种利用卫星微波遥感反演土壤湿度的方法。根据陆表和大气辐射传输模式模拟植被覆盖地表微波亮温和土壤湿度的关系, 建立土壤湿度的对数三次多项式的反演算法。利用中国气象卫星(FY-3A)搭载的微波成像仪(MWRI)的亮温资料,反演得到吉林通榆地区农田和草地的土壤湿度, 并与地面实测结果进行对比, 其均方根误差农田为0.003 cm³/cm³, 草地为0.005 cm³/cm³, 反演精度较高。本方法可以应用于可以获得更多资料的FY-3B卫星, 结合改进的辐射传输模式获取不同地表类型的辐射特征, 期望未来可进行区域试验的反演研究。     

利用GPS信号信噪比反演土壤湿度变化

采用右旋圆极化(RHCP)天线和左旋圆极化(LHCP)天线分别接收GPS直接信号与反射信号，跟踪反射点并探测土壤粗糙度，并用小波分析方法对土壤干燥区域与湿润区域反射信号的信噪比进行去噪分析，验证GPS信号对土壤湿度变化敏感的特性。试验结果表明，利用GPS反射信号可精确跟踪地面反射点，并且GPS反射信号信噪比的大小可以反映土壤湿度变化。     

基于多时相高分一号影像的土壤湿度反演

近年来使用国产光学遥感数据反演土壤湿度已成为业内研究热点,其中利用高分一号(GF-1)影像反演土壤湿度是一种潜在的新兴手段,但应用中模型参数需要根据地域调节.为提高GF-1反演土壤湿度的准确度,将豹澥试验区2019年12月至2020年6月的GF-1多光谱宽幅覆盖(WFV)影像和地面观测站点实测数据作为数据源,以垂直干旱指数(PDI)、基于归一化植被指数(NDVI)的修正型垂直干旱指数(MPDIN)、基于两波段增强型植被指数(EVI2)的修正型垂直干旱指数(MPDIE)以及植被调整垂直干旱指数(VAPDI)这四种干旱指数为基准建立土壤湿度反演模型并进行精度评估.实验结果表明:在无植被区域,四种模型的反演结果大致相同,决定系数均在0.7350左右、平均相对误差均在4.50％左右、均方根误差均在1.10％左右,具有较高的精度;在有植被区域,VAPDI的反演效果最优,MPDIN与MPDIE次之,PDI效果不佳.与PDI相比,VAPDI由于考虑了混合像元的影响,不仅适用于稀疏植被区域,也适用于密集植被区域,应用范围更广;与基于两种不同植被指数的MPDI相比,VAPDI由于克服了植被覆盖度和植被像元反射率等因素的影响,基于该指数的土壤湿度估计值与实测值的决定系数达到0.7277以上,具有较高的反演能力.因此,针对豹澥试验区的实际情况,VAPDI指数具有精确反演土壤湿度的潜力.     

遥感估算植被覆盖度的角度效应分析

植被覆盖度是植被在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比.由于植被反射的二向性特性,不同角度估算的植被覆盖度原则上不可比,另外,不同观测角度对应像元不同的采样面积,对于非均一地表这种面积差异引起的角度效应也非常显著.本文除了考虑植被的二向性反射,还重点模拟分析了由于像元的采样面积差异引起的角度效应及其带来的植被覆盖度估算误差.模拟结果表明:相比天顶观测,在倾斜40°观测时,对于作物和裸土混合,由于面积误差带来的红光波段反射率差异已高达56%,同时引起的植被覆盖度估算误差达到23%,因此研究植被覆盖度的角度效应问题很有必要.     

AMSR-E被动微波土壤水分与降雨率时空相关性分析研究

地表土壤水分和降水具有高度相关性,是2个密切相关的地-气相互作用参量.采用同时反演获取的土壤水分和大气降水数据来研究土壤水分的变化情况,定量理解降水和土壤水分之间的物理联系,进而可以获得对反演算法改进有用的信息.采用被动微波辐射计AMSR-E反演获得的全球地表土壤水分和降雨率数据作为研究对象,一共收集了2005年10月1日至2006年10月31日之间共395 d的AMSR-E全球日土壤水分产品和升、降轨道瞬时降雨率数据.把降雨率轨道产品经过等积割圆柱投影并重采样到同日土壤水分产品相当的25 km分辨率EASE-Grid格点上.针对土壤水分和投影后得到的日降雨率数据进行每2,8,16 d的时间维平均,在空间维进行3×3、5×5、7×7格点的重采样,经时间序列对比,分析了降水对土壤水分反演的影响及其时空相关特性,并对反演参数间弱相关性出现的原因进行了探讨,这对于发现微波土壤水分和大气降雨算法的不足,提供其改进方向具有重要的指导意义.     

TM遥感影像信息及最佳波段组合研究

以山东省龙口市为研究区域,通过对2006年的TM遥感影像数据信息进行分析,计算各个波段的协方差和相关系数,得出TM的7个波段中5、7波段包含的信息量最为丰富,但是两个波段信息的"重复性"和"冗余性"也相当大,3个可见光之间的相关性也很高.从计算的10种组合波段的OIF值表明,含有一个可见光,一个近红外和一个中红外波段组合最佳,所包含地物信息也最丰富.     

被动微波遥感中一种基于辐射传输理论的植被层模型

使用了一种基于辐射传输理论的非相干离散模型来研究植被的发射率、传输率．这种方法可以更加真实地刻画组成植被的散射个体如叶、茎、枝、树干等对这2个参数的影响，因而能更准确地描述植被对下垫面微波辐射的影响．为了减少土壤水分反演算法中未知量的数目，分别给出了这2个参数的模拟结果在AMSR-E 3种不同频率下的简单关系．     

多时相遥感数据在海岛整治修复中的应用

遥感技术广泛应用于海岛监测和识别,但应用于海岛整治修复方面较少,针对这种问题,作者以福清市北青屿为例,探索利用多时相遥感数据,分析海岛开发前后资源环境变化情况,指导海岛整治修复。最终,为我国类似情况的海岛整治修复提供参考。     

利用遥感地质统计和微机处理对浮图峪古火山机构的研究

在目视解译的基础上,利用线性体统计分析和遥感图像数字分析工作站开展了进一步研究,不仅准确地圈定了浮图峪古火山机构,而且从遥感地质角度探讨了古火山机构的成因。研究结果表明:遥感统计分析和微机处理方法,不仅可以用于大区域的地质研究,同样可以用于较大比例尺、较高精度要求的小范围专题性研究。     

光学遥感技术的新进展

综述了近年来光学遥感技术在仪器、数据处理和一些主要的应用领域内的新发展及未来研究计划。