居延泽地区土壤水分的遥感反演与验证李雁飞

第一章绪论 (1)

1.1 研究意义及选题依据 (1)

1.2 国内外研究现状 (2)

1.2.1 国内外土壤水分遥感研究现状 (2)

1.2.2 居延泽地区土壤水分研究现状 (5)

1.3 研究内容和技术路线 (6)

1.3.1 研究内容 (6)

1.3.2 技术路线 (6)

1.4 论文结构 (7)

第二章微波遥感及地表参数介绍 (9)

2.1 微波遥感机理 (9)

2.2 雷达基础 (9)

2.2.1 雷达方程与后向散射系数 (9)

2.2.2 频率与波长 (10)

2.2.3 极化方式与入射角 (11)

2.3 裸露地表参数 (12)

2.3.1 土壤含水量 (12)

2.3.2 土壤介电特性及介电模型 (13)

2.3.3 土壤颗粒分级及质地分析 (15)

2.3.4 地表粗糙度 (15)

2.4 裸露地表微波散射模型 (17)

2.4.1 理论模型 (17)

2.4.2 经验、半经验模型 (19)

第三章研究区概况与数据分析 (22)

3.1 研究区概况 (22)

3.2 影像的介绍与处理过程 (23)

3.2.1 Landsat-8光学影像 (23)

3.2.2 Radarsat-2 雷达影像 (24)

3.3 样点分布、样品采集及野外测量 (25)

3.3.1 样点分布与样品采集 (25)

3.3.2 研究区地表概况 (27)

3.3.3 粗糙度野外测量 (29)

3.4 室内实验 (30)

3.4.1 体积含水量测定 (30)

3.4.2 土壤粒度测定 (31)

3.4.3 粗糙度图像的处理与参数获取 (32)

3.5 小结 (33)

第四章AIEM模型对C波段四极化后向散射模拟 (34)

4.1 表面自相关函数的选择 (34)

4.2 后向散射系数对雷达入射角的依赖关系 (35)

4.2.1 土壤水分变化的影响 (35)

4.2.2 均方根高度变化的影响 (36)

4.2.3 相关长度变化的影响 (37)

4.3 后向散射系数对土壤水分的响应 (37)

4.3.1 不同入射角对土壤水分的影响 (38)

4.3.2 不同均方根高度对土壤水分的影响 (38)

4.3.3 不同相关长度对土壤水分的响应 (39)

4.4 后向散射系数对地表粗糙度的响应 (40)

4.4.1 后向散射系数对均方根高度的响应 (40)

4.4.2 后向散射系数对相关长度的响应 (42)

4.5 小结 (43)

第五章模型建立和土壤水分的反演与验证 (45)

5.1 经验模型的建立 (45)

5.1.1 粗糙度组合参数 (45)

5.1.2 土壤水分相关函数的建立 (46)

5.1.3 经验模型的提出 (48)

5.1.4 经验模型与AIEM模型的模拟结果对比 (50)

5.1.5 多角度经验模型的确立 (50)

5.2 土壤水分的反演与结果验证 (51)

5.3 小结 (55)

第六章结论与展望 (56)

6.1 结论 (56)

6.2 创新之处 (57)

6.3 存在的问题与展望 (57)

参考文献 (59)

攻读学位期间取得的研究成果 (63)

致谢 (64)

第一章绪论

1.1研究意义及选题依据

土壤水分是地球表层系统中水圈的重要组成部分，承载着土壤与地理环境之间物质与能量的交换；水是生命之源，土壤水分是土壤植物、动物不可或缺的生命要素，而且动植物的营养物质是由土壤水分进行传递的；因此，土壤水分是地球生态系统的必要组成部分之一[1]。其次，土壤水分是联系陆地与大气能量交换的纽带，水分的蒸发、转移、循环都极大地影响着能量在全球的分布，水分蒸发进入大气圈，遇冷液化降到地面，形成局部水循环[2]。再之，土壤水分是水文、气候、生态、农业等领域进行科学研究的关键要素，是研究过程中不可缺少的重要参数之一[3]。同时，土壤水分的贮存和传输对环境演变起着至关重要的作用，尤其对于干旱半干旱区，精准地测量土壤水分及其时空分布，长期以来是土壤水分监测和环境演变研究领域的重点问题[4]。

在土壤水分获取方法中，传统测量手段（如烘干法），采样范围小、效率低，且实验过程繁琐、信息量有限，无法满足大范围的要求。而遥感技术的应用，有助于获取多尺度、大范围、高精度的地表参数信息，将传统方法获取的“点”信息扩展为“面”信息，遥感技术已发展成为当前土壤水分监测中最有效的手段之一[5]。

目前遥感监测土壤水分主要有光学遥感、被动微波遥感和主动微波遥感三类方法。光学遥感对土壤表面发射率和温度敏感，且空间分辨率高，但容易受到气溶胶、太阳照射条件等大气状况的影响，无法真正意义上实现监测。微波遥感基本不受云雨天气、气溶胶和光照等条件的限制，而且对植被和土壤有一定的穿透能力。其中被动微波遥感通过测量土壤亮度温度进行反演，但空间分辨率低。主动微波遥感空间分辨率高，能实现对云层、雨雾等的穿透，消除天气条件的限制，对土壤浅层具有探测能力，具有全天时、全天候、高重复覆盖率监测能力，具有较高的反演准确性和可靠性[4]。可见，主动微波遥感在土壤水分反演方面具有突出优势，此方法利用雷达后向散射系数与土壤水分差异引起的介电常数变化的关系，反演得到土壤水分，由于干旱半干旱区植被稀疏，有利于土壤水分的反演研究。

干旱半干旱区，自然条件极为恶劣，干旱少雨，土壤荒漠化、盐渍化严重；生态极端脆弱，绿洲萎缩，动植物衰败；环境破坏极其严重，沙漠化加剧。在环境保护、沙漠治理中，水是限制当地环境和经济发展最敏感的因子。因此进行土壤水分遥感反演研究，