專利名稱：微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明用于微波遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域，特別是利用微波輻射計數(shù)據(jù)反演土壤水分的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有利用微波輻射計反演地表土壤水分的方法中，計算地表植被層不透明度時，需要關(guān)于地面植被類型分類、植被層含水量的輔助數(shù)據(jù)，計算公式為τc＝b*ω/cosθ其中b為與植被冠層結(jié)構(gòu)、頻率有關(guān)的參數(shù)，ω為植被層含水量，θ為觀測角度。b和ω都需要通過輔助數(shù)據(jù)得到的。但是在實際應(yīng)用中，這些輔助數(shù)據(jù)往往不易獲取或者不可靠，即使獲得了這部分數(shù)據(jù)在應(yīng)用時也比較復(fù)雜(如圖2)。現(xiàn)有的反演流程中，根據(jù)地表植被分類輔助數(shù)據(jù)計算植被影響的流程為(如圖2)。
現(xiàn)有技術(shù)在計算植被層不透明度時存在的最大的問題是由于輔助數(shù)據(jù)難以及時獲取和更新，只能以經(jīng)驗數(shù)值代入運算，無法保證輔助數(shù)據(jù)與微波輻射計觀測數(shù)據(jù)的時間同步性。例如，參數(shù)b是根據(jù)地面植被分類數(shù)據(jù)確定的，但是實際中這一參數(shù)會隨著植被生長變化而改變，以不同的頻率觀測這個數(shù)值也存在差異；ω作為植被層含水量更是會隨著季節(jié)、降水的變化而變化。經(jīng)驗計算公式中的b和ω數(shù)值都具有時間、氣候變化性，用固定的數(shù)值來描述輻射計觀測時植被層不透明度不能完全反映輻射計觀測時刻植被對地表輻射的影響狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法。
本發(fā)明提出了在缺少同時相地面植被輔助數(shù)據(jù)信息的情況下，成功實現(xiàn)利用微波輻射計數(shù)據(jù)反演得到地表土壤水分的技術(shù)流程路線。
本發(fā)明利用多通道之間微波輻射差異實時的對觀測點植被覆蓋茂密狀況做出判斷，當(dāng)存在植被影響時，利用微波輻射亮度值來計算得到實時的地表覆蓋的植被的影響，從而實現(xiàn)中等覆蓋程度、稀疏覆蓋程度的植被地區(qū)和裸露地表地區(qū)的地表土壤水分的反演。新的流程改進了原有反演流程當(dāng)中對大量的地表植被輔助數(shù)據(jù)信息的依賴，并計算觀測時刻的地表植被影響。
本發(fā)明可提供一種為在全球范圍內(nèi)低空間分辨率的土壤水分變化的研究與監(jiān)測工作服務(wù)。


圖1是本發(fā)明微波輻射計數(shù)據(jù)反演土壤水分的方法流程圖。
圖2是計算植被層不透明度的現(xiàn)有技術(shù)流程圖。
圖3是計算植被層不透明度的本發(fā)明技術(shù)流程圖。
具體實施例方式
圖1的微波輻射計數(shù)據(jù)反演土壤水分的方法，其過程如下反演工作以微型計算機為物理平臺，以微軟視窗系統(tǒng)為軟件系統(tǒng)環(huán)境。操作流程可分為四個步驟第一步是準備運行環(huán)境和輻射計數(shù)據(jù)；第二步是根據(jù)觀測點地理坐標數(shù)據(jù)建立投影變換索引表，計算觀測點處的植被層不透明度參數(shù)，反演運算出地表土壤介電常數(shù)；第三步是根據(jù)介電常數(shù)反演計算得到土壤含水量；第四步是土壤含水量分布圖成圖并保存為常見的圖像文件格式。
第一步準備運行環(huán)境和輻射計數(shù)據(jù)。首先接通電源，啟動計算機硬件平臺進入視窗操作系統(tǒng)軟件環(huán)境。如果輻射計數(shù)據(jù)以光盤或者磁帶為載體保存，計算機硬件平臺需要配備有光盤驅(qū)動器或者磁帶機，作為輻射計數(shù)據(jù)導(dǎo)入裝置。然后將存儲在光盤介質(zhì)(CD/DVD)(或者磁帶)上的微波輻射計測量數(shù)據(jù)整理到計算機本地硬盤上來。以光盤驅(qū)動器為例，首先按鍵彈出光盤托盤，放入數(shù)據(jù)光盤，按鍵收回光盤托盤。在視窗操作系統(tǒng)的光盤驅(qū)動器所對應(yīng)的盤符中即可找到微波輻射計的數(shù)據(jù)，從中選擇進行反演運算的輻射計數(shù)據(jù)并拷貝到計算機本地磁盤上。這部分是進行反演操作流程的的準備過程。
第二步是根據(jù)觀測點地理坐標數(shù)據(jù)建立投影變換索引表，并且計算觀測點處的植被層不透明度參數(shù)，反演運算出地表土壤介電常數(shù)。首先從微波輻射計數(shù)據(jù)當(dāng)中讀取得到觀測點地理坐標數(shù)據(jù)(經(jīng)度坐標數(shù)據(jù)和緯度坐標數(shù)據(jù))和相同頻率下兩種極化方式的亮度溫度數(shù)據(jù)(水平極化TBh和垂直極化亮溫TBv)，這部分工作可以利用為數(shù)據(jù)源專門開發(fā)的一些工具來完成，以AMSR/E數(shù)據(jù)為例NASA提供了hdp工具軟件，也可以利用ENVI中File-＞Open Image File模塊完成。然后分別根據(jù)觀測點地理坐標數(shù)據(jù)建立投影變換索引表和根據(jù)亮度溫度數(shù)據(jù)計算觀測點處植被層不透明度、反演地表土壤介電常數(shù)。這一步工作可以利用ENVI的擴展功能模塊和IDL環(huán)境編程實現(xiàn)。
1.根據(jù)經(jīng)度坐標數(shù)據(jù)和緯度坐標數(shù)據(jù)，建立觀測點地理坐標數(shù)據(jù)投影變換到柵格的索引表文件。在ENVI中，利用File-＞Open Image File模塊把所有觀測點的經(jīng)度數(shù)據(jù)和緯度數(shù)據(jù)分別作為兩個通道的數(shù)據(jù)讀入，建立索引表時，以經(jīng)度通道數(shù)據(jù)作為x軸數(shù)據(jù)輸入，以緯度通道數(shù)據(jù)作為y軸數(shù)據(jù)輸入。生成的柵格主要參數(shù)橢球體選擇WGS-84橢球體，坐標系統(tǒng)選擇為大地坐標系統(tǒng)，輸出像素的大小為0.083度，輸出的翻轉(zhuǎn)角度為0度。生成索引表文件的工作可以利用ENVI的Map-＞Groreferencefrom Input Geometry-＞Build GLT模塊完成，生成的索引表文件以。GLT為擴展名保存在本地硬盤。
2.根據(jù)連個極化方式通道的亮度溫度數(shù)據(jù)計算MPDI和植被層不透明度、反演計算地表土壤介電常數(shù)，這部分工作可以利用ENVI的波段運算和IDL環(huán)境編程實現(xiàn)。
1)讀取水平極化和垂直極化亮溫數(shù)據(jù)。利用利用File-＞Open Image File模塊把所有觀測點的水平極化方式和垂直極化方式的亮度溫度數(shù)據(jù)作為TBh和TBv兩個通道數(shù)據(jù)讀入。
2)計算每個觀測點的微波極化差異指數(shù)(MPDI)。MPDI的定義為MPDI=TBv-TBhTBv+TBh]]>計算微波極化差異指數(shù)(MPDI)根據(jù)TBv和TBh兩個通道數(shù)據(jù)，利用ENVI的Basic Tools-＞Band Math模塊完成。輸入運算表達式時，輸入表達式為(b1-b2)/(b1+b2)。選擇運算波段的時候，TBv數(shù)據(jù)通道和MPDI定義式中的b1相對應(yīng)，TBh數(shù)據(jù)通道與MPDI定義式中的b2相對應(yīng)，計算出所有觀測點處的微波極化差異指數(shù)點數(shù)據(jù)。
3)根據(jù)MPDI值確定觀測點植被層不透明度。遍歷所有觀測點，根據(jù)每個觀測點上的MPDI數(shù)值判斷觀測點處植被覆蓋狀況，對于濃密植被覆蓋地區(qū)或者裸露地表、稀疏植被覆蓋地區(qū)的植被不透明度賦予合理數(shù)值，對于中等植被覆蓋地區(qū)需要根據(jù)MPDI值計算植被層的不透明度a.當(dāng)MPDI＜0.017時，判斷觀測點為濃密植被覆蓋地區(qū)，這些地區(qū)的植被衰減影響過而大無法消除，觀測得到的亮溫數(shù)據(jù)對于地表含水量已經(jīng)不再敏感，植被層不透明度τc取為-1，用負數(shù)表示植被覆蓋濃密，無法反演得到地表土壤介電常數(shù)；b.當(dāng)觀測點MPDI＞0.026的時候，判斷觀測點為裸露地表或者稀疏植被覆蓋地區(qū)，此時不需要考慮植被的衰減影響，植被層不透明度τc取為0值，表示在這些點上不存在或者可以忽略植被的衰減影響；c.當(dāng)0.017＜MPDI＜0.026時，判斷觀測點為中等植被覆蓋度地區(qū)，根據(jù)MPDI計算植被層不透明度τcτc=-0.223ln(MPDI/k2)-1.239MPDI-0.0010.12+0.00085k2-0.0547k+0.05411]]>此時植被的影響不能忽略，以MPDI計算植被不透明度，作為接下來的反演土壤介電常數(shù)運算的參數(shù)；4)代入植被層不透明度，反演地表土壤介電常數(shù)。在每個觀測點上根據(jù)微波輻射傳輸方程Tbp=Te[(1-rsp)e-τc+(1+ωp)(1-e-τc)(1+rspe-τc)]]]>正演計算觀測到的水平和垂直極化亮度溫度數(shù)據(jù)。正演得到的水平和垂直極化亮溫與觀測值之間的方差最小的時候，對應(yīng)的地表土壤介電常數(shù)就是反演得到的地表土壤介電常數(shù)。當(dāng)以C波段觀測的時候，大氣的衰減作用可以忽略，不再計算大氣層的不透明度。反演地表土壤介電常數(shù)的工作可以在IDL的環(huán)境下編程實現(xiàn)。
a.對地表土壤介電常數(shù)ε在0.4～40范圍內(nèi)，以0.01為步長進行遍歷，根據(jù)Fresnel反射定律機算每個土壤介電常數(shù)ε取值所對應(yīng)的光滑條件下地表反射率rop，再計算得到粗糙地表條件下的地表反射率rspγsq＝[(1-Q)γoq+Qγsp]*e-h其中p和q代表不同的極化方式；b.對地表物理溫度Te在TBv～TBv+50K范圍內(nèi)，以0.5K為步長進行遍歷，作為地表物理溫度；c.將前面計算得到的每個觀測點上的植被層不透明度、地表土壤介電常數(shù)ε和地表物理溫度Te帶入到正演模型當(dāng)中，計算Tbp；d.計算正演得到的Tbv與TBv、Tbh與TBh的差的絕對值之和，當(dāng)和為最小的時候，對應(yīng)的地表土壤介電常數(shù)即作為反演得到的地表土壤介電常數(shù)ε。
3.地表土壤介電常數(shù)數(shù)據(jù)柵格化。根據(jù)地理坐標投影變換索引表，將介電常數(shù)的點數(shù)據(jù)投影為柵格數(shù)據(jù)。這部分工作利用ENVI的Map-＞Georeference from Input Geometry-＞Georeference from GLT模塊完成，在柵格的同時也完成了插值的過程。
第三步土壤介電常數(shù)反演為土壤質(zhì)量含水量。利用上一步反演得到的地表土壤介電常數(shù)柵格數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤機械組分分布的柵格數(shù)據(jù)(這部分柵格數(shù)據(jù)預(yù)先需要和地表土壤介電常數(shù)數(shù)據(jù)進行地理坐標的配準)，運用由土壤介電常數(shù)反演土壤含水量Dobson反演模型，反演計算得到土壤含水量柵格數(shù)據(jù)。這部分工作利用IDL編程環(huán)境編程實現(xiàn)。
第四步土壤含水量分布成圖，將圖像文件保存在計算機硬盤。將土壤含水量柵格數(shù)據(jù)以常見圖像格式保存在本地硬盤上，作為效果圖。這部分工作利用ENVI的File-＞Save File as模塊完成。
圖3發(fā)明中根據(jù)MPDI計算植被影響的流程為第一步讀入亮溫數(shù)據(jù)；第二步計算微波極化差異指數(shù)MPDI；第三步根據(jù)MPDI判斷植被覆蓋情況；
第四步計算植被層不透明度。
第一步讀入相同觀測頻率的水平極化和垂直極化方式的亮溫。利用ENVI軟件當(dāng)中的File-＞Open Image File模塊把所有觀測點的相同頻率下水平極化方式和垂直極化方式的亮度溫度數(shù)據(jù)讀入，分別對應(yīng)為TBh和TBv兩個數(shù)據(jù)通道。
第二步在所有觀測點上，根據(jù)第一步讀出的水平極化和垂直極化亮溫，計算微波極化差異指數(shù)MPDI。微波極化差異指數(shù)MPDI定義為MPDI=TBv-TBhTBv+TBh]]>利用ENVI軟件當(dāng)中的Basic Tools-＞Band Math模塊進行計算。在運算表達式輸入對話框里輸入表達式(b1-b2)/(b1+b2)。選定運算波段的時候，選擇TBv數(shù)據(jù)通道和MPDI定義式中的b1相對應(yīng)，TBh數(shù)據(jù)通道與MPDI定義式中的b2相對應(yīng)，計算得到所有觀測點處的微波極化差異指數(shù)點數(shù)據(jù)。
第三步遍歷所有觀測點，根據(jù)MPDI數(shù)值的范圍對地表的植被覆蓋狀況作出判斷，將地表分為濃密植被覆蓋區(qū)、中等程度植被覆蓋區(qū)、稀疏植被覆蓋或者裸露地表地區(qū)三類植被覆蓋狀況。這部分工作利用Overlay-＞Density Slice...模塊實現(xiàn)。
a.當(dāng)MPDI＜0.017時，判斷觀測點為濃密植被覆蓋地區(qū)，這些地區(qū)的植被衰減影響過而大無法消除，觀測得到的亮溫數(shù)據(jù)對于地表含水量已經(jīng)不再敏感；b.當(dāng)觀測點MPDI＞0.026的時候，判斷觀測點為裸露地表或者稀疏植被覆蓋地區(qū)，此時不需要考慮植被的衰減影響；c.當(dāng)0.017＜MPDI＜0.026時，判斷觀測點為中等植被覆蓋度地區(qū)，此時地表植被層的衰減影響不能忽略，而且可以通過計算植被層不透明度來計算植被層的衰減影響程度。
第四步根據(jù)前面由MPDI對地表植被覆蓋度的判斷，在所有觀測點上分別計算當(dāng)?shù)氐闹脖粚硬煌该鞫取＿@部分工作利用IDL的環(huán)境編程實現(xiàn)。
a.對于濃密植被覆蓋地區(qū)，植被層的衰減影響很大，已經(jīng)無法消除植被層的影響，植被層不透明度τc取為-1，用負數(shù)表示植被覆蓋濃密，無法反演得到地表土壤介電常數(shù)。在后面反演地表介電常數(shù)的時候，這些觀測點不參加反演運算。
b.對于稀疏植被覆蓋或者裸露地表地區(qū)，植被層不透明度τc取為0值，表示在這些點上不存在或者可以忽略植被的衰減影響；c.對于中等程度植被覆蓋地區(qū)，需要計算植被層不透明度，根據(jù)MPDI計算植被層不透明度τc的方程為τc=-0.223ln(MPDI/k2)-1.239MPDE-0.0010.12+0.00085k2-0.0547k+0.05411]]>發(fā)明較現(xiàn)有方法主要存在兩個改進1.發(fā)明解決了反演工作對地面輔助數(shù)據(jù)的依賴問題。
現(xiàn)有反演方法在消除植被層影響的時候?qū)Φ孛嬷脖环诸惡偷湫偷匚锵嚓P(guān)參數(shù)的輔助數(shù)據(jù)存在依賴，當(dāng)缺少這部分數(shù)據(jù)的時候，將無法正常進行土壤水分的反樣工作。而當(dāng)輔助數(shù)據(jù)可以利用的時候，對數(shù)據(jù)庫進行管理、將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與輻射計觀測數(shù)據(jù)進行配準等工作的工作量也會很大。本發(fā)明的方法在無需輔助數(shù)據(jù)支持的情況下仍能正常工作，直接根據(jù)觀測的輻射亮溫對植被的影響作出計算，這樣就避免了大量的對數(shù)據(jù)庫的管理和多源數(shù)據(jù)的配準等工作，。
2.發(fā)明保證了計算植被影響的即時性。
原有方法是根據(jù)典型地物類型的經(jīng)驗數(shù)值計算植被影響。但是植被產(chǎn)生的影響會隨植物生長而在年內(nèi)和年間存在變化。本發(fā)明的方法根據(jù)實時測量得到微波輻射亮溫計算植被影響，保證了計算結(jié)果的即時有效性，更能夠體現(xiàn)觀測時地表植被層對于地面的上行輻射的衰減作用。
權(quán)利要求
1.一種微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其步驟包括第一步是準備運行環(huán)境和輻射計數(shù)據(jù)；第二步是建立投影變換索引表，計算觀測點處的植被層不透明度參數(shù)，反演運算得到地表土壤介電常數(shù)；第三步是根據(jù)介電常數(shù)反演計算得到土壤含水量；第四步是土壤含水量分布圖成圖并保存為常見的圖像文件格式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，第一步的準備運行環(huán)境和輻射計數(shù)據(jù)中，啟動計算機硬件平臺和視窗操作系統(tǒng)軟件環(huán)境，然后將微波輻射計測量數(shù)據(jù)整理到計算機本地硬盤上來。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，第二步的建立投影變換索引表，計算觀測點處的植被層不透明度參數(shù)，反演運算得到地表土壤介電常數(shù)中，分別讀取微波輻射計數(shù)據(jù)當(dāng)中的觀測點地理坐標數(shù)據(jù)和亮溫數(shù)據(jù)，1)建立地理坐標投影變換索引表，根據(jù)觀測點的地理坐標數(shù)據(jù)，建立將觀測點處的點數(shù)據(jù)柵格化的地理坐標投影變換索引表；2)計算觀測點上的植被層不透明度，反演計算土壤介電常數(shù)。選擇相同頻率的水平極化和垂直極化方式的亮溫數(shù)據(jù)，在每個觀測點上計算植被層不透明度，最終反演計算得到地表土壤介電常數(shù)；3)將反演得到的地表土壤介電常數(shù)點數(shù)據(jù)柵格化，依據(jù)地理坐標投影變換索引表，將反演得到的地表土壤介電常數(shù)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，計算植被層不透明度的方法，其步驟包括第一步是讀取亮溫數(shù)據(jù)；第二步是計算微波極化差異指數(shù)(MPDI)；第三步是根據(jù)MPDI值判定植被覆蓋度；第四步是計算植被層不透明度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，計算植被層不透明度的方法，其特征在于，第一步的讀取亮溫數(shù)據(jù)中，讀取相同頻率的水平和垂直極化亮溫數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，計算植被層不透明度的方法，其特征在于，第二步的計算微波極化差異指數(shù)(MPDI)中，計算觀測點的MPDI。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，計算植被層不透明度的方法，其特征在于，第三步的根據(jù)MPDI判定植被覆蓋度中，根據(jù)觀測點的MPDI數(shù)值將判定觀測點的植被覆蓋狀況為下列情況中的一種濃密植被覆蓋、中等程度的植被覆蓋、稀疏或者不存在植被覆蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，計算植被層不透明度的方法，其特征在于，第四步的計算植被層不透明度中，根據(jù)植被覆蓋度的判定結(jié)果，對植被層不透明度進行計算或者賦值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，第三步的根據(jù)地表土壤介電常數(shù)反演計算得到土壤含水量中，結(jié)合土壤機械組成成分的數(shù)據(jù)，將第地表土壤介電常數(shù)反演為土壤含水量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，第四步的土壤含水量分布圖成圖并保存為常見的圖像文件格式中，把土壤含水量分布圖以常見圖像格式保存在本地硬盤上。
11.根據(jù)權(quán)利要求4或8的微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法，其特征在于，a.當(dāng)MPDI＜0.017時，判斷觀測點為濃密植被覆蓋地區(qū)，這些地區(qū)的植被衰減影響過而大無法消除，觀測得到的亮溫數(shù)據(jù)對于地表含水量已經(jīng)不再敏感，植被層不透明度τc取為-1，用負數(shù)表示植被覆蓋濃密，無法反演得到地表土壤介電常數(shù)；b.當(dāng)觀測點MPDI＞0.026的時候，判斷觀測點為裸露地表或者稀疏植被覆蓋地區(qū)，此時不需要考慮植被的衰減影響，植被層不透明度τc取為0值，表示在這些點上不存在或者可以忽略植被的衰減影響；c.當(dāng)0.017＜MPDI＜0.026時，判斷觀測點為中等植被覆蓋度地區(qū)，根據(jù)MPDI計算植被層不透明度τcτc=-0.223ln(MPDI/k2)-1.2390.12MPDI-0.001+0.00085k2-0.0547k+0.05411]]>此時植被的影響不能忽略，以MPDI計算植被不透明度，作為接下來的反演土壤介電常數(shù)運算的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明用于微波遙感技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是微波輻射計監(jiān)測土壤水分的方法。其步驟為第一步是準備運行環(huán)境和輻射計數(shù)據(jù)；第二步是反演得到觀測點地表介電常數(shù)并將其柵格化；第三步是根據(jù)介電常數(shù)計算得到土壤含水量；第四步是將土壤含水量分布圖成圖并保存為常見的圖像格式。
文檔編號G01N22/04GK1847832SQ20051006338
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者李震, 王磊 申請人:中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所