基于探地雷达面反射法的土壤水分观测实验研究

土壤水分是水文循环的重要环节，对区域干旱预测、生态系统管理和水土资源配置均具有重要意义。探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种适合于中尺度的土壤含水量测定技术，能够弥补传统点状观测和遥感观测的尺度缺位。考虑到常规探地雷达方法需要地下反射层的不足，本研究将进行探地雷达（GPR）面反射法观测土壤水分的实验研究，分析不同土壤湿度和地表粗糙度对雷达探测精度和深度的影响机理，进行混合下垫面土壤水分的观测试验，开展卫星像元尺度内探地雷达土壤水分空间变化的观测，探索探地雷达验证遥感反演土壤水分的试验方案。

区域土壤水分的监测对全球变化、流域水资源和农业生态水文配置具有重要的意义，卫星遥感监测土壤水分是目前获取区域土壤水分最主要的途径，但其地面校正与验证一直是个难点。探地雷达是一种适合于中尺度的土壤含水率测定技术，能够以较高的精度，实现快速、便捷地获取较大区域的土壤含水信息，弥补单点和遥感观测之间的尺度缺失。本项目利用pulseEKKO1000系列探地雷达，结合无线传感器网络、宇宙射线系统和数值模拟土壤水分地面观测值, 开展探地雷达面反射法观测土壤水分的机理研究，进行卫星像元尺度内探地雷达土壤水分空间变化的观测，探索基于探地雷达验证遥感反演土壤水分的途径。研究表明，探地雷达面反射法是一种获取区域尺度土壤水分的有效方法，其具有与遥感观测土壤水分相似的机理和观测深度。作为主动微波，其受地表粗糙度影响较被动微波略大。通过地面高精度实测土壤水分的率定，构建了土壤水分和探地雷达反射率之间的经验关系，与采用原公式计算的土壤水分的相比，精度有极大的提高，拟合曲线所反映的变化趋势更加平缓。拟合公式计算得到的土壤水分空间分布更加符合实际情况，与5cm深度称重法获得的土壤水分空间分布具有更好的一致性。考虑到土壤水分的空间和时间变化较大，借助于高时间分辨率和空间分辨率地优势，开展了基于垂直干旱指数的环境卫星土壤水分反演研究，结果表明，在中低植被覆盖情况下，环境卫星能够有效地检测到土壤水分时空变化，特别是在我国农田斑块破碎的情况，能很好地检测到灌溉的发生和发展过程；作为一种新型的面土壤水分观测仪器，宇宙射线观测系统可以获得连续长时间序列的直径700m左右的区域土壤水分，与常规多点观测平均值相比，宇宙射线观测系统具有与微波辐射仪更加良好的一致性，可以作为地面观测面土壤湿度对遥感产品进行验证。