高寒山区雪水当量SAR反演的关键技术研究

Snow water equivalent (SWE) is a key indicator to characterize the amount of snow water resources. It is very important to get a wide range of accurate SWE for regional climate studies, hydrological processes studies and water resources management in alpine mountain basin. This project intends to build the quantitative / semi-quantitative relationship between snow resistance and backscatter coefficient ratio of winter and fall, analyze the influencing factors of EQeau model，thus improving it. And then, analyze the impact and domination of retrieval conditions - topographic factors and type of underlying surface - on model parameters based on the ground measurement data, thereby adjusting these conditions by iteration to optimize the retrieval process, improve the fitting accuracy of EQeau, and acquire its coefficients under each condition. Finally, according to different retrieval conditions, select the corresponding model coefficient, calculate SWE of study area, appraise accuracy of retrieval result, analyze sources of error and applicability of the model in alpine mountains, and further analyze the SWE spatial distribution of study area. The research conclusions of this project can provide the theoretical basis for SWE retrieval in alpine mountains, provide the scientific reference for water resources management in alpine mountain basin, and will have a high theoretical and practical value.

雪水当量是表征积雪水资源量的重要指标，准确获取大面积雪水当量信息，对于高寒山区流域的区域气候研究、水文过程研究与水资源管理具有重要意义。本项目拟在构建积雪热阻与冬秋季节后向散射系数比间定量/半定量关系、分析EQeau模型影响因素敏感性的基础上，改进EQeau模型；并利用地面实测数据分析地形与下垫面条件对模型参数的影响与控制，进而迭代调整反演条件来优化反演过程，提高模型拟合精度，修订得到不同反演条件下的EQeau模型系数；最后针对不同的反演条件，选择相应的模型系数，反演雪水当量，评价反演精度，分析误差来源，探讨模型适用性，并进一步分析雪水当量空间分布。本项目的研究成果可为高寒山区雪水当量反演提供理论依据，为高寒山区流域水资源管理提供科学参考，具有较高的理论与实际应用价值。

EQeau模型基于热阻原理计算雪水当量，是利用SAR数据反演雪水当量的重要模型之一。但由于该模型影响因素及敏感性尚不明确，难以进行参数优化，制约了模型在山区的实际应用与推广。.项目综合高级积分方程模型AIEM、Snell定律、Looyenga半经验公式以及Topp公式等深入探讨了EQeau模型中积雪热阻与冬秋季节后向散射系数比间的关系和影响因素，得出决定后向散射系数比的因素主要有频率、极化方式、土壤表面粗糙度、局部入射角、秋季土壤湿度、冬季土壤介电常数以及积雪密度。再通过AIEM模型正向模拟分析了EQeau模型各参数的敏感性大小，得出在给定的参数参考值区间内，冬秋季后向散射系数比随局部入射角的增大而增大，交叉极化方式下的增大幅度高达18 dB，同极化方式下的增幅较小，约为3 dB，故同极化是EQeau模型的最优极化方式选择；冬秋季后向散射系数比随地表均方根高度的增大而减小，随相关长度的增大而增大，地表粗糙度的总体影响约为5 dB，不可忽略；冬秋季后向散射系数比随秋季土壤湿度的增大而减小，影响也约为5 dB，不可忽略。.为消除或减小各因素不确定性带来的误差，针对高寒山区复杂的地形与下垫面条件，探讨了EQeau模型的参数优化方法：利用土地覆盖类型、坡向、坡度、高程等数据，对像元局部入射角、土壤表面粗糙度、秋季土壤湿度、积雪密度等参数的进行约束控制，并结合地面同步测量积雪数据，分析了不同约束条件下EQeau模型拟合精度，进而得到了研究区各条件下的模型具体表达式，总体拟合优度达到0.78。.利用优化后的模型开展了新疆天山玛纳斯河流域山区的雪水当量反演，得到了研究区雪水当量分布图，对比地面观测数据，研究区雪水当量反演结果的平均绝对误差为0.70 cm，绝对误差较小，反演精度较高。这一研究结果表明利用多时相低频（C波段）SAR数据和参数优化后EQeau模型反演山区雪水当量是有效可行的。研究成果对于高寒山区流域的水文过程研究和干旱半干旱地区的水资源合理利用具有重要意义。