被动微波遥感反演山区土壤水分的地形效应研究

Passive microwave remote sensing is an important approach for monitoring the dynamics of soil moisture on global scale. However, the accuracy of the soil moisture product by passive microwave remote sensing cannot meet the requirement of researches on climate & weather forecasting, hydrological processes, etc., especially in mountainous area. Aiming at solving the problem of passive microwave remote sensing of soil moisture in mountainous area, this project focus on developing the microwave emission model of mountainous area on pixel scale, analyzing the characteristics of microwave emission of mountainous area and the topographic effects, correction of the brightness temperature and soil moisture retrieval in mountainous area. One of the key problem that will be solved in this project is to take the land surface heterogeneous into consideration in the forward model of microwave emission of the mountainous area. Based on the forward model, the characteristics of microwave emission of the mountainous area will be analyzed, and the retrieval accuracy of soil moisture is expected to be increase by correction of the topographic effect based on the empirical microwave emission model for mountainous area that will be developed in this project. The research is of great significance on improving the accuracy of soil moisture products derived from passive microwave remote sensing and promoting its application in related research area.

被动微波遥感是监测全球土壤水分动态变化的重要手段。利用被动微波遥感反演山地地区的土壤水分受地形起伏的影响，产品精度较低，难以满足气候气象、水文过程等研究的应用需求。本项目拟针对该问题，以“发展像元尺度山区地表微波辐射模型—山区地表微波辐射特征及地形效应分析——山区微波辐射观测亮温校正和土壤水分反演”为研究主线，重点解决现有山区地表微波辐射模型中没有考虑地表异质性的问题，对模型进行改进并验证。在此基础上，深入分析山区地表的微波辐射特征，建立山区地表微波辐射亮温地形校正的经验模型。利用地形校正模型对卫星观测的山区地表微波辐射亮温进行地形校正，提高被动微波遥感反演山区土壤水分的精度。本研究对提高被动微波遥感土壤水分产品在山地区域的精度推动遥感土壤水分产品在相关研究领域的应用具有重要意义。

土壤水分是地表过程和全球变化研究中的重要参数。被动微波遥感是实时获取大尺度区域土壤水分信息的重要手段。然而山区的地表起伏对准确获取土壤水分信息带来了巨大的挑战。山区的地形起伏与地表异质性耦合在一起导致山区地表的微波辐射与平坦地表的微波辐射过程存在较大差异，对被动微波遥感地表土壤水分的反演有着显著影响。因此迫切需要了解山区地表的微波辐射机理，量化地形对地表微波辐射和土壤水分反演的影响，进而提高山区土壤水分产品的反演精度。.本研究首先改进了已有的山区地表微波辐射模型，使得该模型能够模拟不同方位角观测的亮温。通过开展地基微波辐射计观测人工起伏地表的实验，对模型进行了验证。结合改进的山区地表微波辐射模型，研究了地形起伏与地表异质性对地表微波辐射亮温的影响。基于改进的模型进行山区地表微波辐射特征模拟，对地形引起的亮温变化与地形和土壤水分、温度的关系进行了分析。在此基础上建立了亮温的校正模型。.本研究发现，地形对地表微波辐射的影响是不可忽略的。首先，在研究地形对地表微波辐射的影响时应该选用尽可能高分辨率的DEM进行研究（建议用30m分辨率的DEM）；第二，同一块地表向不同方位向的辐射是不同的，地形越复杂，地形起伏越剧烈，不同方向观测的微波辐射亮温差异越大；第三，地表异质性与地形起伏的耦合对山区微波辐射和土壤水分反演有一定的影响；第四，地形对地表微波辐射的影响与地形的褶皱度和土壤水分的关系最密切。通过本研究建立了基于地形褶皱度和土壤水分的地形效应校正模型。.本研究的成果对增进山区地表微波辐射特征的认识和理解、发展适合于山区土壤水分反演的亮温地形校正方法，最终提高山区土壤水分的反演精度具有重要意义。