【毕业学位论文】（Word原稿）基于IEM的多波段、多极化SAR土壤水分反演算法研究作物信息科学博士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 基于 极化 壤水分 反演 算法 研究 摘 要 作为陆面生态系统水循环的重要组成，土壤水分是植物生长发育的基本条件，也是研究植物水分胁迫、进行旱情监测、农作物估产等的一个重要指标。因此，大面积监测土壤水分在水文、气象和农业科学领域具有较大的意 义，土壤水分监测一直是人们十分关注的问题。 应用遥感技术进行土壤水分等地表参数的反演在过去的几十年 间 取得了显著进展，微波遥感尤其是主动微波遥感 具有全天时、全天候观测的优点，并且对地表具有一定的穿透能力，能够弥补其他遥感方式 在土壤水分监测应用中的不足，为流域尺度土壤水分监测提供了新的方法和途径。 目前的星载 统在向多极化、多角度方向发展，因此采用不同极化方式及不同入射角条件下的后向散射系数组合类研究雷达后向散射系数与地表参数之间的关系成为可能。本研究在比较三种典型的地表微波散射模型（ 型、 型、 型）的基础上，用理论模型型对地表的微波散射特征进行了模拟和分析，提出了用多极化 向散射系数数据来反演地表 粗糙度 参数 和土壤水分 的经验模型。本研究的主要研究成果 包括以下几方面 ： 对 型、 型和 型的比较结果表明， 型对介电常数、入射角变化的响应与实际情况呈截然不同，因此在用雷达数据进行土壤水分反演研究时不推荐选择型。 型能够模拟交叉极化的后向散射特征，而 型只能模拟同极化的后向散射数据，因此如果需要模拟交叉极化微波后向散射 特征时，可以选择 型。理论模型 型对同极化后向散射特征的模拟能够比 型更好地刻画地表微波散射特征，因此在进行同极化模拟时应选择 型。 分析了 均方根高度、相关长度 、土壤含水量 等地表参数 以及 入射角、极化方式 等系统参数 对雷达微波 后向散射 特征的影响 ，揭示了雷达后向散射系数随 这些参数 的变化而 变化的规律 ，对雷达反演地表土壤水分的理想系统参数设置进行了探讨 。 提出了利用同极化 （ 后向散射系数在小入射角和大入射角情况下的差来反演地表组合粗糙度参数于该模型，建立了利用雷达后向散射系数反演地表土壤水分的经验模型。 提出了利用 化相同角度的后向散射系数差来反演地表均方根高度的经验模型，该模型可以在较大的地表粗糙度范围内实现地表均方根高度的反演， 从而 使 建立 雷达 后向散射系数与地表粗糙度之间像元尺度的 对应关系成为可能 。 首次对 S 波段地表微波散射特征进行了模拟与分析，并针对该波段提出了相应的地表粗糙度参数及土壤含水量反演经验模型，从而为将来 S 波段星载 统发射升空后在环境监测及防旱减灾方面的应用提供技术支持。 利用获取的 据，对建立的经验模型在 河 北平原南部进行了应用与验证，结果表明本研究建立的地表粗糙度参数反演模型和土壤水分反演模型均能取得较好的应用效果。 关键词： 微波 ， 雷达 ， 多波段、多极化 ， 土壤水分 ， 地表粗糙度 a in at be as a of of is a in In by as in of of so it a to in is of so it is to by Oh EM EM in of on of by EM of in (1) Oh EM of or so it in Oh be in is in it (2) On of of of to (3) An to by on (4) An to MS by V H MS in a of to a it to in (5) AR of in (6) in by in of in I 目 录 第一章 引言 . 1 壤水分微波遥感研究意义 . 1 波传感器的发展及介绍 . 2 动微波传感器 . 3 动微波传感器 . 3 国微波遥感技术的发展 . 4 壤水分微波遥感国内外研究现状 . 6 壤水分被动微波遥感研究 . 6 壤水分主动微波遥感研究 . 7 结 . 9 题依据 . 9 要研究内容和技术路线 . 10 究内容 . 10 术路线 . 10 文结构 . 11 第二章 微波遥感基本原理简介 . 12 磁波谱与电磁波的传播 . 12 磁波谱 . 12 磁波的传播 . 12 波遥感的独特机理 . 14 达方程与雷达后向散射系数 . 14 达方程 . 14 达后向散射系数 . 16 达系统参数 . 16 段 . 17 化方式 . 18 度参数 . 18 向 . 20 达图像的几何特征 . 20 达分辨率 . 20 达图像的几何特征 . 21 结 . 22 第三章 微波散射模型及地表散射特征分析 . 23 表散射特征研究 . 23 表参数 . 23 壤水分 . 23 壤介电常数 . 25 糙度参数 . 29 糙表面的散射 . 32 糙表面散射特征的定性描述 . 32 面粗糙（或光滑）的判据 . 33 糙度参数的测量 . 34 波散射模型 . 38 露地表微波散射模型 . 38 验模型 . 38 论模型 . 40 经验模型 . 44 被覆盖地表微波散射模型 . 47 型 . 47 . 51 人的农作物模型 . 52 露地表微波散射模型比较 . 53 表粗糙度参数影响比较 . 54 电常数参数影响比较 . 54 射角参数影响比较 . 55 射频率影响比较 . 56 表微波散射模型比较小结 . 56 露地表后向散射特征分析 . 57 向散射系数对地表粗糙度的响应 . 57 向散射系数对均方根高度的响应 . 57 向散射系数对相关长度的响应 . 61 向散射系数对介电常数的响应 . 63 向散射系数对雷达入射角的响应 . 71 拟的裸露地表后向散射特征小结 . 75 第四章 土壤水分反演模型研究及其应用 . 76 壤水分反演模型研究 . 76 壤水分反演模型探讨与分析 . 76 于 土壤水分反演模型研究 . 76 向散射系数与土壤水分关系分析 . 77 向散射系数 与地表粗糙度参数关系分析 . 79 波段土壤水分反演经验模型研究 . 97 验模型（ C 波段）在农作区的应用与验证 . 109 究区概况 . 109 据描述 . 110 据及其处理 . 110 表实测数据 . 111 表粗糙度反演 . 113 壤水分反演 . 113 验模型应用小节 . 114 五章 结论与展望 . 115 要研究结论 . 115 新点 . 115 在问题与展望 . 116 参考文献 . 117 致 谢 . 124 作者简介 . 125 - 1 - 图目录 图 研究主要技术路线 . 11 图 磁波示意图 . 13 图 波的频段 . 17 图 达系统极化方式 . 18 图 达系统成像角度参数 . 19 图 达影像几何特征 . 21 图 同土壤含水量条件下土壤复介电常数实部岁频率变化 . 28 图 壤的复介电常数实部对温度变化的响应 . 29 图 种常见随机粗糙表面 . 30 图 面剖面图 . 31 图 种不同粗糙表面的电磁波散射现象 . 33 图 与 B 点间反射程差的相位差 . 34 图 式剖面仪 . 35 图 面板 . 36 图 体摄像装置 . 37