双频双极化雷达积雪水当量遥感建模及反演研究

Snow is the most active natural component on the earth surface, moreover, snow is an important parameter for hydrology, meteorology, climate and water cycle researches. For snow water equivalent (SWE) quantitative remote sensing, the most promising sensor configuration is the X and Ku-band dual-polarization radar/scatterometer. However, there are great need in further studying both the forward model and inversion algorithm. This project aims to make comprehensive and in-depth study of X and Ku-band dual-polarization radar SWE remote sensing. We first develop snow covered terrain radar backscattering model, in which the most complex factors such as the complex microstructure of snow, dense media scattering, multiple scattering, the layering of snow profile and the rough soil surface are considered. The snow microwave scattering characteristics especially at X and Ku-band will be extensively studied, and snow water equivalent inversion algorithm from X and Ku-band dual-polarization radar will be developed based on physical method and artificial neural network technique. The scattering model and inversion algorithms will be validated and improved through ground based SAR experiments in 2-dimensional SAR imaging and 3-dimensional SAR tomography imaging. Lastly, this project will be able to find the capability in snow water equivalent inversion based on X and Ku-band dual-polarization SAR.

积雪是地表最活跃的自然因素之一，在全球气候和水能循环中扮演着极其重要的角色。X和Ku波段双频率高频极化合成孔径雷达是进行高分辨率大尺度积雪水当量制图的潜在最优遥感传感器配置。然而总结该问题现状，不管是遥感建模还是反演算法方面都存在缺陷，因此基于双频极化雷达的积雪水当量遥感问题值得进一步进行深入研究。本项目旨在对基于双频率高频极化雷达积雪水当量遥感中的建模和反演问题进行深入研究，对该问题形成实质性的深入理解和突破，从建模、实验和反演三方面，发展基于真实积雪覆盖地面场景和考虑积雪-土壤系统复杂因素的先进微波散射模型，揭示微波信号在积雪-土壤系统内的传播与散射特征，发展针对对X和Ku波段双频率双极化散射计配置的积雪水当量反演算法，并通过地基成孔径雷达观测实验、三维层析SAR成像等实验验证和改进电磁散射模型与积雪水当量反演算法的性能，阐明X和Ku波段双频率双极化雷达在积雪水当量遥感上的能力。

积雪是地表最活跃的自然因素之一，在全球气候和水能循环中扮演着极其重要的角色。X和Ku波段双频率高频极化合成孔径雷达是进行高分辨率大尺度积雪水当量制图的潜在最优遥感传感器配置。本项目发展了先进的基于计算机模拟随机结构的积雪覆盖地表雷达散射模型。该模型充分考虑了自然积雪的随机结构，结合辐射传输模型实现雷达后向散射的模拟。此外，模型能利用多层辐射传输模型考虑积雪的水平分层结构。此模型能实现准确的积雪覆盖地表后向散射模拟。本项目发展了基于吸收损耗的X和Ku波段雷达雪水当量反演算法，该算法基于发展的积雪微波散射模型，利用X和Ku波段多极化后向散射观测实现雪水当量的反演。在研究积雪雷达后向散射模型过程中，我们将模型扩展至了可见光和近红外波段，发展了一套新的积雪光散射模型。随后，将模型用于卫星观测，反演了积雪表层粒径和SSA。由于以往的积雪光散射模型存在对积雪结构的不合理假设，我们发展的新模型能实现远比以往模型更准确的双向性反射率模拟和SSA反演。本项目也研究了利用积雪过程模型结合再分析数据进行积雪粒径模拟，并研究了利用其联合QuikSCAT数据其在积雪深度和雪水当量反演中的应用。在研究星载QuikSCAT的Ku波段散射计数据用于雪深反演的同时，我们将星载QuikSCAT的Ku波段散射计数据和星载微波辐射计数据用于了高亚洲山区的积雪融化时间探测，实现了长时间序列的融雪时间准确探测，分析了高亚洲地区融雪的时间和空间特征，发现了1988年至今高亚洲地区融雪时间的提前，以及喀喇昆仑山和西昆仑山地区的稳定融雪时间。项目于2017年10月至2018年5月在新疆阿勒泰开展地基合成孔径雷达积雪过程的时间序列观测。时间序列X波段（10 GHz）和Ku波段（14 GHz和17.5GHz）雷达后向散射系数为散射模型和雪水当量反演算法的验证和改进提供了实验数据基础。在阿勒泰实验中，利用成像雷达实现了雪层的三维剖面后向散射观测，实现了积雪层45度入射角的垂直方向后向散射系数分布观测。此项实验结果为理解各频率积雪的雷达散射响应提供了直观结果，同时为验证模型提供了数据基础。