光学-微波遥感协同反演地表土壤水分的理论与方法研究

Soil moisture is a very important part of the Earth's water resource system. It links surface water and groundwater. And it is of great significance to ecological conservation...The real-time monitoring of soil moisture is the hot issue in domestic and overseas research. With the characteristics of all time, all weather and penetrability, microwave remote sensing is one of the effective methods currently in use for monitoring soil moisture. Associated retrieval of soil moisture by optics and microwave remote sensing data can effectively eliminate the effects of vegetation cover of land surface and soil surface roughness. It is an important direction of the development of remote sensing technology currently...The blown sand area of northern Shaanxi province, with frequent human activities and complex site conditions, is chosen for the study area in the project. To target soil moisture, which is the key factor effecting the hydrology, meteorology and ecosystem, with the integrated application of theories and methods of the subjects of remote sensing, soil science, ecology and hydrogeology, based on microwave transmission principle and by use of multi-source remote sensing data, this project will study the impact mechanism of inversion of soil moisture under different site conditions and build the associated retrieval models by optics and microwave remote sensing data, inverse the soil moisture of the study area, reveal the regional regularities of spatial and temporal distribution of soil moisture, develop theories and methods of real-time monitoring of soil moisture and provide a scientific basis for the research of the regional hydrologic cycle of land surface, development and utilization of water resources, and protection of the ecological environment.

土壤水分是地球水资源系统中一个非常重要的组成部分，是联系地表水与地下水的纽带，对生态涵养具有重要意义。.土壤水分实时监测是国内外研究的热点问题。由于微波遥感具有全天时、全天候及穿透性等特点，是目前监测土壤水分的有效方法之一。光学微波遥感协同反演土壤水分能有效地消除地表植被和土壤表面粗糙度等因素的影响，是当前遥感发展的一个重要方向。.本项目以人类活动频繁、立地条件复杂的陕北风沙滩地区为研究区，瞄准土壤水分这一影响水文、气象、生态系统的关键因素，综合运用遥感、土壤学、生态学和水文地质学等学科的理论和方法，基于微波传输原理，采用多源遥感数据，研究不同立地条件对土壤水分反演的影响机理，构建土壤水分光学-微波遥感协同反演模型；反演研究区土壤水分；揭示区域土壤水分时空分布规律；发展土壤水分实时监测的理论与方法，为区域陆面水循环的研究和水资源的开发利用及生态环境保护提供科学依据。

以陕北-内蒙古风沙滩为研究区，研究了不同立地条件对土壤后向散射系数的影响机理，构建了旱区土壤水分微波-光学遥感协同反演模型，实现了区域土壤水分的宏观、动态、实时监测，研究成果为区域陆面水循环的研究及生态环境保护提供科学依据。获得以下主要成果：. 1. 构建了风沙滩地区土壤信息库，研究了土壤水分时空分布规律。实际监测结果显示，土壤水分日间呈“S”型变化；降雨使土壤含水率随时间增加，降雨后五天，基本恢复正常。在空间上，土壤含水量呈西北-东南向相间分布，整体上小于50%，平均为18.47%。. 2. 研究了不同粗糙度对土壤后向散射系数的影响，提出了一种新的组合粗糙度参数 (S3/L)。基于AIEM模型，采用Radarsat-2卫星数据，研究了雷达后向散射系数与粗糙度、土壤水分之间的关系，提出了一种新的组合粗糙度参数(S3/L),研究成果显示，新参数更适合于研究区土壤水分的反演。. 3. 研究了反演模型的适用性，确定了最佳反演模型。对常用的土壤水分反演模型进行对比分析，结果显示，Oh2004模型和AIEM模型适合研究区土壤水分的反演，且AIEM模型对地表粗糙度、土壤水分、影像入射角的适应性更好。. 4. 建立了微波-光学遥感反演土壤水分的耦合模型。基于AIEM 模型，对土壤水分反演的12种模式进行对比研究，构建了旱区土壤水分反演的微波-光学遥感耦合模型，并提出了一种改进算法。反演精度：均方根误差5.12%，平均绝对误差3.44%。. 5. 研究了土壤水分与地貌类型、植被覆盖及地形因子的响应关系。采用GF-1遥感数据、SRTM DEM数据及土壤水分反演结果，研究土壤水分空间分布与地貌类型、植被和地形因子的关系。结果显示，滩地（17.31%）>沙丘（3.76%）；草本植被区（22.8%）>沙蒿区（8.03%）>碱草区（6.12%）；土壤含水量与高程、坡度呈负相关关系。. 6. 开展了研究区地表蒸散发量遥感估算方法研究，为区域水循环研究奠定基础。基于SEBS模型，利用Landsat8、DEM和气象等数据，对研究区地表蒸散发量进行遥感估算。结果表明，蒸散发强度的分布与沙丘、草滩的分区一致，沙丘区蒸发量大，草滩区蒸发量小。