密級(jí)： 論文編號(hào)： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 學(xué)位論文 基于 極化 壤水分 反演 算法 研究 摘 要 作為陸面生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的重要組成，土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本條件，也是研究植物水分脅迫、進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)等的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，大面積監(jiān)測(cè)土壤水分在水文、氣象和農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域具有較大的意 義，土壤水分監(jiān)測(cè)一直是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。 應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行土壤水分等地表參數(shù)的反演在過(guò)去的幾十年 間 取得了顯著進(jìn)展，微波遙感尤其是主動(dòng)微波遙感 具有全天時(shí)、全天候觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)地表具有一定的穿透能力，能夠彌補(bǔ)其他遙感方式 在土壤水分監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的不足，為流域尺度土壤水分監(jiān)測(cè)提供了新的方法和途徑。 目前的星載 統(tǒng)在向多極化、多角度方向發(fā)展，因此采用不同極化方式及不同入射角條件下的后向散射系數(shù)組合類研究雷達(dá)后向散射系數(shù)與地表參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。本研究在比較三種典型的地表微波散射模型（ 型、 型、 型）的基礎(chǔ)上，用理論模型型對(duì)地表的微波散射特征進(jìn)行了模擬和分析，提出了用多極化 向散射系數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)反演地表 粗糙度 參數(shù) 和土壤水分 的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀１狙芯康闹饕芯砍晒?包括以下幾方面 ： 對(duì) 型、 型和 型的比較結(jié)果表明， 型對(duì)介電常數(shù)、入射角變化的響應(yīng)與實(shí)際情況呈截然不同，因此在用雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤水分反演研究時(shí)不推薦選擇型。 型能夠模擬交叉極化的后向散射特征，而 型只能模擬同極化的后向散射數(shù)據(jù)，因此如果需要模擬交叉極化微波后向散射 特征時(shí)，可以選擇 型。理論模型 型對(duì)同極化后向散射特征的模擬能夠比 型更好地刻畫(huà)地表微波散射特征，因此在進(jìn)行同極化模擬時(shí)應(yīng)選擇 型。 分析了 均方根高度、相關(guān)長(zhǎng)度 、土壤含水量 等地表參數(shù) 以及 入射角、極化方式 等系統(tǒng)參數(shù) 對(duì)雷達(dá)微波 后向散射 特征的影響 ，揭示了雷達(dá)后向散射系數(shù)隨 這些參數(shù) 的變化而 變化的規(guī)律 ，對(duì)雷達(dá)反演地表土壤水分的理想系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了探討 。 提出了利用同極化 （ 后向散射系數(shù)在小入射角和大入射角情況下的差來(lái)反演地表組合粗糙度參數(shù)于該模型，建立了利用雷達(dá)后向散射系數(shù)反演地表土壤水分的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?提出了利用 化相同角度的后向散射系數(shù)差來(lái)反演地表均方根高度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型可以在較大的地表粗糙度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)地表均方根高度的反演， 從而 使 建立 雷達(dá) 后向散射系數(shù)與地表粗糙度之間像元尺度的 對(duì)應(yīng)關(guān)系成為可能 。 首次對(duì) S 波段地表微波散射特征進(jìn)行了模擬與分析，并針對(duì)該波段提出了相應(yīng)的地表粗糙度參數(shù)及土壤含水量反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而為將?lái) S 波段星載 統(tǒng)發(fā)射升空后在環(huán)境監(jiān)測(cè)及防旱減災(zāi)方面的應(yīng)用提供技術(shù)支持。 利用獲取的 據(jù)，對(duì)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮?河 北平原南部進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證，結(jié)果表明本研究建立的地表粗糙度參數(shù)反演模型和土壤水分反演模型均能取得較好的應(yīng)用效果。 關(guān)鍵詞： 微波 ， 雷達(dá) ， 多波段、多極化 ， 土壤水分 ， 地表粗糙度 a in at be as a of of is a in In by as in of of so it a to in is of so it is to by Oh EM EM in of on of by EM of in (1) Oh EM of or so it in Oh be in is in it (2) On of of of to (3) An to by on (4) An to MS by V H MS in a of to a it to in (5) AR of in (6) in by in of in I 目 錄 第一章 引言 . 1 壤水分微波遙感研究意義 . 1 波傳感器的發(fā)展及介紹 . 2 動(dòng)微波傳感器 . 3 動(dòng)微波傳感器 . 3 國(guó)微波遙感技術(shù)的發(fā)展 . 4 壤水分微波遙感國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 6 壤水分被動(dòng)微波遙感研究 . 6 壤水分主動(dòng)微波遙感研究 . 7 結(jié) . 9 題依據(jù) . 9 要研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線 . 10 究?jī)?nèi)容 . 10 術(shù)路線 . 10 文結(jié)構(gòu) . 11 第二章 微波遙感基本原理簡(jiǎn)介 . 12 磁波譜與電磁波的傳播 . 12 磁波譜 . 12 磁波的傳播 . 12 波遙感的獨(dú)特機(jī)理 . 14 達(dá)方程與雷達(dá)后向散射系數(shù) . 14 達(dá)方程 . 14 達(dá)后向散射系數(shù) . 16 達(dá)系統(tǒng)參數(shù) . 16 段 . 17 化方式 . 18 度參數(shù) . 18 向 . 20 達(dá)圖像的幾何特征 . 20 達(dá)分辨率 . 20 達(dá)圖像的幾何特征 . 21 結(jié) . 22 第三章 微波散射模型及地表散射特征分析 . 23 表散射特征研究 . 23 表參數(shù) . 23 壤水分 . 23 壤介電常數(shù) . 25 糙度參數(shù) . 29 糙表面的散射 . 32 糙表面散射特征的定性描述 . 32 面粗糙（或光滑）的判據(jù) . 33 糙度參數(shù)的測(cè)量 . 34 波散射模型 . 38 露地表微波散射模型 . 38 驗(yàn)?zāi)Ｐ?. 38 論模型 . 40 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?. 44 被覆蓋地表微波散射模型 . 47 型 . 47 . 51 人的農(nóng)作物模型 . 52 露地表微波散射模型比較 . 53 表粗糙度參數(shù)影響比較 . 54 電常數(shù)參數(shù)影響比較 . 54 射角參數(shù)影響比較 . 55 射頻率影響比較 . 56 表微波散射模型比較小結(jié) . 56 露地表后向散射特征分析 . 57 向散射系數(shù)對(duì)地表粗糙度的響應(yīng) . 57 向散射系數(shù)對(duì)均方根高度的響應(yīng) . 57 向散射系數(shù)對(duì)相關(guān)長(zhǎng)度的響應(yīng) . 61 向散射系數(shù)對(duì)介電常數(shù)的響應(yīng) . 63 向散射系數(shù)對(duì)雷達(dá)入射角的響應(yīng) . 71 擬的裸露地表后向散射特征小結(jié) . 75 第四章 土壤水分反演模型研究及其應(yīng)用 . 76 壤水分反演模型研究 . 76 壤水分反演模型探討與分析 . 76 于 土壤水分反演模型研究 . 76 向散射系數(shù)與土壤水分關(guān)系分析 . 77 向散射系數(shù) 與地表粗糙度參數(shù)關(guān)系分析 . 79 波段土壤水分反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?. 97 驗(yàn)?zāi)Ｐ停?C 波段）在農(nóng)作區(qū)的應(yīng)用與驗(yàn)證 . 109 究區(qū)概況 . 109 據(jù)描述 . 110 據(jù)及其處理 . 110 表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) . 111 表粗糙度反演 . 113 壤水分反演 . 113 驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用小節(jié) . 114 五章 結(jié)論與展望 . 115 要研究結(jié)論 . 115 新點(diǎn) . 115 在問(wèn)題與展望 . 116 參考文獻(xiàn) . 117 致 謝 . 124 作者簡(jiǎn)介 . 125 - 1 - 圖目錄 圖 研究主要技術(shù)路線 . 11 圖 磁波示意圖 . 13 圖 波的頻段 . 17 圖 達(dá)系統(tǒng)極化方式 . 18 圖 達(dá)系統(tǒng)成像角度參數(shù) . 19 圖 達(dá)影像幾何特征 . 21 圖 同土壤含水量條件下土壤復(fù)介電常數(shù)實(shí)部歲頻率變化 . 28 圖 壤的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部對(duì)溫度變化的響應(yīng) . 29 圖 種常見(jiàn)隨機(jī)粗糙表面 . 30 圖 面剖面圖 . 31 圖 種不同粗糙表面的電磁波散射現(xiàn)象 . 33 圖 與 B 點(diǎn)間反射程差的相位差 . 34 圖 式剖面儀 . 35 圖 面板 . 36 圖 體攝像裝置 . 37