地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其包括以下步驟：步驟1、通過發(fā)射的星載被動(dòng)微波遙感計(jì)AMSR-E獲取AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像的亮度溫度數(shù)據(jù)和MPDI指數(shù)；步驟2、推演獲取關(guān)于平滑地表反射率、表層土壤粗糙度參數(shù)、MPDI指數(shù)以及植被光學(xué)厚度的關(guān)系；步驟3、計(jì)算表層土壤濕度mv和土壤粗糙度h；步驟4、計(jì)算表層土壤溫度TS。本發(fā)明基于簡(jiǎn)化的被動(dòng)微波輻射傳輸方程，并結(jié)合MPDI指數(shù)、Q/H表層土壤粗糙度模型、植被光學(xué)厚度模型、Fresnel方程等，構(gòu)建了地表土壤關(guān)鍵屬性參數(shù)（土壤溫度、表層土壤溫度、土壤粗糙度）物理反演模型，基于此方法可以反演我國(guó)乃至全球區(qū)域的表層土壤溫度、土壤濕度和地表粗糙度分布，具有重要的科學(xué)意義。
【專利說明】地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種基于星載被動(dòng)微波遙感的土壤物理屬性參數(shù)反演方法，具體涉及表層土壤溫度、表層土壤溫度和表層土壤粗糙度等的被動(dòng)微波遙感反演方法。
【背景技術(shù)】
[0002]星載被動(dòng)微波遙感具備大尺度、準(zhǔn)全天時(shí)、準(zhǔn)全天候的監(jiān)測(cè)能力，對(duì)云、雨、大氣有一定的穿透能力，在地表土壤參數(shù)反演中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。在過去十年里，國(guó)際上相繼發(fā)射了多種星載被動(dòng)微波輻射計(jì)，主要包括多通道掃描微波輻射計(jì)SMMR、微波輻射計(jì)成像儀SSM/1、高級(jí)微波輻射計(jì)AMSR-E以及歐空局L波段的SMOS衛(wèi)星，我國(guó)也正加大力度發(fā)展星載微波傳感器計(jì)劃，2002年神舟四號(hào)(SZ-4)飛船搭載了荷多模態(tài)微波遙感器(M3RS)，2008年發(fā)射的風(fēng)云-3號(hào)衛(wèi)星搭載了微波濕度計(jì)等。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于AMSR或者AMSR-E微波數(shù)據(jù)反演表層土壤溫度的研究很少，其溫度反演模型主要集中在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建上，該類方法可以用在同一時(shí)期，與實(shí)驗(yàn)樣區(qū)及其大氣、下墊面情況類似的區(qū)域，但由于其在回歸系數(shù)的確定上缺乏物理基礎(chǔ)，當(dāng)模型用于不同區(qū)域、不同時(shí)間時(shí)，需重新校正系數(shù)，但研究方法可以借用，且簡(jiǎn)單易行，精度較高。此外，用AMSR-E傳感器進(jìn)行表層土壤溫度反演的意義并不僅僅在于得到大尺度的全球表層土壤溫度本身，更重要的是，通過AMSR-E獲得的表層土壤溫度結(jié)果能夠提高其它地表參數(shù)(如土壤水分)反演的精度。如在土壤水分的反演中，表層土壤粗糙度、植被含水量、表層土壤溫度等參數(shù)都會(huì)對(duì)反演結(jié)果產(chǎn)生影響，如果能夠較準(zhǔn)確地獲取其中一種或幾種變量的值，那么在理論上就能提高土壤水分反演結(jié)果的精度。
[0004]基于被動(dòng)微波遙感的地表土壤水分反演方法主要包括以下四類:經(jīng)驗(yàn)方法、正向模型法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、數(shù)據(jù)同化法。其中，最常用的是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê驼蚰Ｐ头?，主流發(fā)展方向是正向模型法。但是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ň哂忻黠@的缺點(diǎn):①經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话銜?huì)使用微波的高頻波段，受大氣影響較大植被指數(shù)對(duì)植被生物量比較敏感，且隨著波段頻率的升高，微波波段的穿透能力急劇減弱。因此，基于植被指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ú痪哂袝r(shí)空普適性，在實(shí)際推廣和應(yīng)用中具有很大的局限性。正向模型是描述地表特征參數(shù)和傳感器接收亮溫相關(guān)關(guān)系的方程，其輸入變量是地表各參數(shù)，輸出變量則是傳感器所接收的輻射亮溫。所謂基于正向模型的地表參數(shù)反演就是通過輸出變量(傳感器亮溫)來反推輸入變量(地表參數(shù))的過程。其中，應(yīng)用最為廣泛的就是基于被動(dòng)微波輻射傳輸方程的物理模型反演法。物理模型相比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具有良好的時(shí)空普適性，是一種較為可靠的地表土壤水分反演方法。但是該方法依然有一定的不足之處:①多數(shù)地表土壤水分反演模型在多植被覆蓋的地帶，其反演精度會(huì)受到較大影響，地形因素(地形幾何特征、表層土壤粗糙度等)甚至?xí)?2%的反演誤差部分研究需要在精確模擬了表層土壤溫度、介電常量、植被消光系數(shù)、表層土壤粗糙度等地表參數(shù)的基礎(chǔ)上，才能獲取比較準(zhǔn)確的地表土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，然而表層土壤溫度、介電常量、植被消光系數(shù)、表層土壤粗糙度等地表參數(shù)的精確模擬也同樣是有待深入研究的科學(xué)問題。[0005]國(guó)內(nèi)外利用被動(dòng)微波遙感來開展表層土壤粗糙度模擬的研究較少，只有部分學(xué)者展開了這方面的研究。多數(shù)是基于粗糙地表的散射原理，利用主被動(dòng)微波遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行了表層土壤粗糙度的模擬。該模型首先是構(gòu)建地表發(fā)射率與不同角度的地表后向散射系數(shù)的關(guān)系式，然后通過構(gòu)建查找表的方法，來實(shí)現(xiàn)表層土壤粗糙度的模擬。然而，高精度表層土壤粗糙度數(shù)據(jù)的獲取，是被動(dòng)微波遙感反演表層土壤溫度、表層土壤溫度等關(guān)鍵地表參數(shù)的前提，因此，如何構(gòu)建一套簡(jiǎn)單、可行的表層土壤粗糙度物理反演模型，具有重要的研究意義。
[0006]關(guān)于目前表層土壤溫度被動(dòng)微波遙感反演的研究中，多數(shù)屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛞源罅拷?jīng)驗(yàn)關(guān)系為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、物理模型。由于全球或區(qū)域各地區(qū)的地表狀況錯(cuò)綜復(fù)雜，這種經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系所依賴的模擬數(shù)據(jù)不可能涵蓋全球或區(qū)域范圍內(nèi)的所有地表類型，所以，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜔o(wú)法滿足大尺度的地表參數(shù)模擬。物理模型是一種相對(duì)有效的針對(duì)大尺度表層土壤溫度模擬的微波遙感方法。然而，物理模型受大氣參數(shù)(水汽、氣溶膠等)以及下墊面覆蓋狀況(水、雪、冰凍、植被覆蓋狀況)等的影響較大，其精確反演表層土壤溫度的前提條件是能夠進(jìn)行精確的大氣校正和獲取高精度的下墊面參數(shù)數(shù)據(jù)。但是精確的大氣校正和其他電表參數(shù)的高精度模擬恰恰也是微波遙感目前的難點(diǎn)之一。這些方面的缺點(diǎn)，在一定程度上限制了表層土壤溫度物理反演模型的發(fā)展。
[0007]關(guān)于表層土壤溫度被動(dòng)微波遙感反演的研究中，由于經(jīng)驗(yàn)方法(植被指數(shù)法)的精度較低、時(shí)空普適性較差，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)據(jù)同化方法反演過程比較復(fù)雜，且內(nèi)部關(guān)系不明晰。因此，目前比較常用的是正向模型法(物理模型法)。但是，該方法依然有一定的不足之處:①不適應(yīng)于高植被覆蓋或濕度比較高的地區(qū)；②模型需要表層土壤溫度、介電常量、植被消光系數(shù)、表層土壤粗糙度等地表參數(shù)作為輸入?yún)?shù)。隨著AMSR-E、SMOS等微波輻射計(jì)的發(fā)射升空，新型微波傳感器能夠提供雙極化、多通道的微波信號(hào)數(shù)據(jù)，為構(gòu)建多通道的表層土壤溫度反演方法提供了可能。而這種多通道的反演方法，恰恰為正向模型求解多個(gè)地表參數(shù)提供了可能。因此，基于雙極化、多通道的新型微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基多通道多參數(shù)的表層土壤溫度物理反演方法，將是被動(dòng)微波遙感發(fā)展的一個(gè)方向。
[0008]利用被動(dòng)微波遙感來開展表層土壤粗糙度模擬的較少，且這些研究基本都是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯坎粔蛏钊?。然而，高精度表層土壤粗糙度?shù)據(jù)的獲取，是被動(dòng)微波遙感反演表層土壤溫度、表層土壤溫度等關(guān)鍵地表參數(shù)的前提，因此，如何構(gòu)建一套簡(jiǎn)單、可行的表層土壤粗糙度物理反演模型，具有重要的研究意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明專利提供一種是地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其基于簡(jiǎn)化的被動(dòng)微波輻射傳輸方程，并結(jié)合MPDI指數(shù)、Q/H表層土壤粗糙度模型、植被光學(xué)厚度模型、Fresnel方程等，構(gòu)建了一套基于AMSR-E星載被動(dòng)微波遙感影像6.9GHz和10.7GHz兩個(gè)波段的地表土壤關(guān)鍵屬性參數(shù)(土壤溫度、表層土壤溫度、土壤粗糙度)物理反演模型。
[0010]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取了的技術(shù)方案是:
[0011]地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其包括以下步驟:
[0012]步驟1、通過發(fā)射的星載被動(dòng)微波遙感計(jì)AMSR-E獲取AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像的亮度溫度數(shù)據(jù)和MPDI指數(shù)，所述亮度溫度數(shù)據(jù)為AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像6.9GHz波段水平極化通道的亮度溫度數(shù)據(jù)Tb6.9h，所述MPDI指數(shù)包括AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像6.9GHz波段的MPDI指數(shù)MPDI6.9以及AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像 10.7GHz 波段的 MPDI 指數(shù) MPDIia7 ；
[0013]步驟2、推演獲取關(guān)于平滑地表反射率、表層土壤粗糙度參數(shù)、MPDI指數(shù)以及植被光學(xué)厚度的關(guān)系，其包括以下步驟:
[0014]步驟21、將被動(dòng)微波輻射方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得:
【權(quán)利要求】
1.地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟1、通過發(fā)射的星載被動(dòng)微波遙感計(jì)AMSR-E獲取AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像的亮度溫度數(shù)據(jù)和MPDI指數(shù)，所述亮度溫度數(shù)據(jù)為AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像6.9GHz波段水平極化通道的亮度溫度數(shù)據(jù)Tb6.9h，所述MPDI指數(shù)包括AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像6.9GHz波段的MPDI指數(shù)MPDI6.9以及AMSR-E被動(dòng)微波遙感亮度溫度影像.10.7GHz 波段的 MPDI 指數(shù) MPDIia7 ； 步驟2、推演獲取關(guān)于平滑地表反射率、表層土壤粗糙度參數(shù)、MPDI指數(shù)以及植被光學(xué)厚度的關(guān)系，其包括以下步驟: 步驟21、將被動(dòng)微波輻射方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其特征在于，所述Q為0.09。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的地表土壤物理參數(shù)的被動(dòng)微波遙感反演方法，其特征在于，所述 a 為-0.0261，β 為-2.8073。
【文檔編號(hào)】G01N22/00GK103969268SQ201410137298
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】陳修治, 李勇, 蘇泳嫻 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣州地理研究所