基于光學(xué)和主被動(dòng)微波遙感蘇打鹽堿地特性識(shí)別方法研究報(bào)告：李洋洋導(dǎo)師：趙凱研究員專業(yè)：地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)方向：定量遙感報(bào)告提綱一、選題目的及意義二、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展三、研究?jī)?nèi)容、研究特色和擬解決的關(guān)鍵問題以及創(chuàng)新點(diǎn)四、研究方法與技術(shù)路線、可行性分析、難點(diǎn)分析及解決辦法五、時(shí)間安排六、預(yù)期成果七、論文詳細(xì)提綱一、選題目的及意義1、選題目的土壤是人類賴以生存及其一切社會(huì)活動(dòng)的基本條件。土壤鹽堿化和次生鹽堿化目前已經(jīng)成為一個(gè)全球性環(huán)境問題，尤其是干旱和半干旱地區(qū)，問題更為嚴(yán)重。鹽堿化土壤是各種發(fā)生鹽化過程和堿化過程土壤的總稱，包括鹽土、堿土和各種鹽化土、堿化土。它是一定的氣候、地形、水文地質(zhì)等自然條件共同對(duì)土壤水鹽運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的結(jié)果，更是由于不合理的人類活動(dòng)和脆弱生態(tài)環(huán)境的共同作用而引起的土地退化。根據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全世界鹽堿地面積為9.5438億公頃，其中我國(guó)為9913萬(wàn)公頃。

一、選題目的及意義1、選題目的微波遙感鹽堿土監(jiān)測(cè)：

應(yīng)用微波遙感監(jiān)測(cè)鹽堿地特性其基本原理是通過鹽堿土壤介電常數(shù)建立地表后向散射系數(shù)或輻射亮溫與土壤水分和含鹽量之間的聯(lián)系，物理意義明確。這為應(yīng)用微波遙感定量反演土壤含鹽量提供了可能。然而微波遙感常受到地表粗糙度、植被等干擾，而光學(xué)遙感對(duì)植被信息非常敏感。因此光學(xué)與微波的協(xié)同遙感將是遙感反演發(fā)展的一個(gè)重要方向。國(guó)際上也越來(lái)越重視二者的協(xié)同反演，若能有效的將光學(xué)與微波數(shù)據(jù)協(xié)同起來(lái)對(duì)地觀測(cè)，將能更準(zhǔn)確的反演大氣和地表參數(shù)。綜合光學(xué)微波遙感的各自優(yōu)勢(shì),擬采用以微波模型為主,光學(xué)模型為輔的方法,將光學(xué)模型反演的植被參數(shù)作為微波模型的輸入來(lái)協(xié)同反演土壤含鹽量。一、選題目的及意義2、選題意義

通過論文的研究工作：（1）明確鹽堿土壤介電特性對(duì)微波輻射/散射信息的響應(yīng)；（2）確定基于光學(xué)與主被動(dòng)微波遙感定量識(shí)別鹽堿地特性的方法，為定量化反演鹽堿土壤含鹽量提供一種可行且準(zhǔn)確的反演方法。為掌握鹽漬土的基本形態(tài)、形成過程、演變規(guī)律和地理分布的規(guī)律性，及鹽堿地改良和合理利用提供理論方法和技術(shù)支持。二、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展國(guó)外研究進(jìn)展：

利用衛(wèi)星遙感進(jìn)行鹽漬化監(jiān)測(cè)始于20世紀(jì)70年代（Singh，1977）。進(jìn)入80年代，多波段、多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用到土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)、調(diào)查、制圖研究中，代表有Budd（1982）、Sommerfeldt（1985）、Sharma（1988）、Singh（1989）等。90年代以來(lái)，隨著遙感數(shù)據(jù)源的豐富，方法也日趨成熟：Rao（1991）利用遙感技術(shù)研究鹽堿土?xí)r用OIF，指出TM數(shù)據(jù)中1、3、5波段組合所含鹽堿化信息量最大。Dwivedi（1992）利用PCA技術(shù)，發(fā)現(xiàn)第一主成份是識(shí)別鹽堿土的最有效組分，并進(jìn)行了鹽堿土監(jiān)測(cè)最佳波段組合試驗(yàn)研究。Rao（1995）對(duì)鹽堿化土壤光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)其在可見光和近紅外波段有很強(qiáng)的反射率。Metternicht（1997）指出研究鹽堿化土壤波譜響應(yīng)模式，選擇敏感波段有助于鹽堿土的分離。Evans等（1998）使用最大似然分類、無(wú)參數(shù)決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的那個(gè)進(jìn)行鹽堿化土壤分類，取得較好結(jié)果。Nasir等（2001、2002）通過比較典型地物的波譜特征及波段混合實(shí)驗(yàn)，提出了由紅和藍(lán)波段確定的土壤鹽分指數(shù)模型，該模型能較好的反應(yīng)土壤鹽堿化程度。Taylor（2001）利用高光譜數(shù)據(jù)，分析鹽堿土壤波段特性，發(fā)現(xiàn)在0.800m處鹽堿土有強(qiáng)反射峰，在1.450m與1.900m處出現(xiàn)寬吸收帶，可以用來(lái)進(jìn)行鹽堿土的制圖,在0.980m和1.170m處的微弱水吸收特征對(duì)改進(jìn)鹽堿土制圖十分重要。Dehaan等（2002）發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤含鹽量很高時(shí)，將在0.68m1.18m1.78m處有清晰地吸收特征，利用Hymap成功地繪制了澳大利亞Murray盆地土壤鹽堿化分布圖。Wang，Wilson和Shannon等（2002）研究了不同鹽堿化程度及灌溉條件下大豆冠層的光譜反射關(guān)系。土壤鹽漬化一直是國(guó)外研究的熱點(diǎn)，眾多專家從土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物生理學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)等不同角度對(duì)土壤鹽漬化展開研究?；赗S和GIS技術(shù)對(duì)鹽漬土應(yīng)用，主要是從鹽漬化土壤的光譜特征、空間分布及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究。鹽堿土遙感影像定性識(shí)別技術(shù)已經(jīng)比較成熟，多光譜數(shù)據(jù)可以較有效地提取有關(guān)鹽堿土的空間范圍、地理分布及鹽堿化程度等方面的定性信息，然而對(duì)于鹽堿土壤光譜反射特性與鹽分的關(guān)系等定量問題需要深入研究。近年來(lái)利用高光譜遙感定量反演含鹽量的研究開始出現(xiàn)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等方法大量應(yīng)用于此。二、國(guó)外研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展：

國(guó)內(nèi)開展土壤鹽漬化光學(xué)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)研究始于80年代，比國(guó)外大約晚10年，現(xiàn)階段集中在利用RS、GIS和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行土壤鹽漬化的管理、信息提取、監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。彭望琭等（1989）研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過K-T變化得到的3個(gè)分量（亮度、綠度、濕度）地學(xué)意義明確，可以提高鹽漬土的判讀分析效果。張恒云(1992)曾用氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，建立了鹽漬土與土壤含水量、日最低氣溫和日最高氣溫之間的回歸模型來(lái)間接分析研究濱海鹽漬土的分布。喬玉良（1993）研究了彩紅外航片在忻定盆地水澆地清查及鹽堿地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。劉慶生等(2000)利用HIS和PCA變換將資源一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與高分辨率全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，更清晰地確定了不同級(jí)別鹽漬土及農(nóng)田的分布狀況。駱玉霞等(2001)采用了K-T、K-L變換和有關(guān)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，從LandsatTM數(shù)據(jù)中提取了鹽漬土的光譜特征和紋理特征參與分類。關(guān)元秀等人（2001）利用TM數(shù)據(jù)，基于地物光譜特征、野外調(diào)查建立的地物與影像之間的關(guān)系以及土壤和地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的輔助，提取了不同鹽漬化程度的鹽堿地。史曉霞(2003)通過建立GeoCA-Salinization模型模擬對(duì)長(zhǎng)嶺縣土壤鹽漬化時(shí)空演變過程。許迪(2003)用LANDSAT衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用監(jiān)督分類、NDVI指數(shù)等遙感影像處理方法，對(duì)黃河上游的寧夏青銅峽灌區(qū)進(jìn)行了識(shí)別作物及土壤鹽漬分布的應(yīng)用研究。李曉燕等(2003)以GIS技術(shù)為支撐，基于地形圖和MSS、TM影像，從數(shù)量、類型、空間分布及重心轉(zhuǎn)移幾個(gè)方面進(jìn)行了大安市鹽漬地景觀的動(dòng)態(tài)變化及成因分析。翁永玲等(2006)利用高光譜圖像對(duì)黃河三角洲鹽漬化問題進(jìn)行了研究，發(fā)展了基于高光譜Hymap的鹽漬化監(jiān)測(cè)指數(shù)。何祺勝等(2007)利用TM衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，分析了鹽漬地地區(qū)主要地物的光譜特征，并建立決策樹模型得到了鹽漬地信息的提取結(jié)果，總體提取效果較好。丁建麗等(2008)通過探討土壤鹽漬化與離子含量之間的關(guān)系，利用土壤離子含量信息研究渭庫(kù)綠洲土壤鹽漬化狀況。劉煥軍等（2008）以吉林西部鹽堿土及其光譜反射率為研究對(duì)象，建立各種土壤光譜指數(shù)，分析并確定反映鹽堿化程度的最佳波段與土壤光譜指數(shù)，建立了鹽堿化土壤參數(shù)的高光譜定量模型用于評(píng)價(jià)土壤鹽堿化程度。劉丹丹等(2009)將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對(duì)土壤含鹽量反演。二、國(guó)外研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展：國(guó)內(nèi)也有學(xué)者應(yīng)用微波遙感對(duì)鹽漬土進(jìn)行了研究：熊文成等（2003）研究了含水含鹽NaCl土壤的介電常數(shù)模型，即建立了土壤含水量、含鹽量與介電常數(shù)虛部的關(guān)系。邵云等人（2005，2006）研究土壤含鹽量與土壤介電常數(shù)及雷達(dá)后向散射系數(shù)的關(guān)系，把經(jīng)典的Dobson土壤混合介電模型擴(kuò)展為含水含鹽土壤的混合介電模型；利用后向散射理論模型并結(jié)合吉蘭泰實(shí)驗(yàn)區(qū)的雷達(dá)影像分析了雷達(dá)影像對(duì)土壤含鹽量的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在相對(duì)濕潤(rùn)的土壤中，雷達(dá)后向散射系數(shù)與土壤含鹽量相關(guān)性很大。何祺勝（2007）利用RADARSAT雷達(dá)影像對(duì)表征土壤鹽漬化的離子的灰色關(guān)聯(lián)分析研究了雷達(dá)影像在干旱區(qū)鹽漬地信息提取中的潛力并分析如何應(yīng)用雷達(dá)影像來(lái)提高干旱區(qū)鹽漬地信息的提取精度進(jìn)行了分析，定性的分析了雷達(dá)識(shí)別鹽堿地的可行性。買買提·沙吾提（2008）對(duì)微波遙感數(shù)據(jù)在鹽漬地信息提取中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，分析了不同極化對(duì)鹽漬化土壤參數(shù)響應(yīng)，并探索了多參數(shù)SAR數(shù)據(jù)在鹽漬地識(shí)別上的應(yīng)用二、國(guó)外研究進(jìn)展綜上所述：（1）基于土壤光譜特征的土壤鹽堿化遙感監(jiān)測(cè)研究仍是現(xiàn)階段的主要研究方法，然而光學(xué)遙感定性分析應(yīng)用廣泛，而定量分析需要深入研究。（2）微波遙感（主動(dòng)/被動(dòng)）對(duì)土壤鹽堿化信息的提取存在較多的理論空白。就應(yīng)用而言，也沒有成熟的應(yīng)用模式，因此對(duì)于鹽堿土壤后向散射特性/微波輻射特性等機(jī)理研究，以及對(duì)于植被覆蓋地區(qū)鹽堿土壤含鹽量反演問題，是一個(gè)重要研究趨勢(shì)。（3）植被的生物物理特性、植被指數(shù)與土壤鹽分的關(guān)系，以及如何充分利用植被這一間接指征，揭示土壤表層和植被根部之間的土壤鹽堿化狀況、擴(kuò)展探測(cè)深度等有待進(jìn)一步研究。三、研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)1、典型觀測(cè)區(qū)植被光譜分類方法及植被含水量反演研究，主要建立植被指數(shù)與植被含水量關(guān)系，為微波遙感提供植被參數(shù)支持；2、低矮植被（鹽堿農(nóng)田、草地等）擾動(dòng)下，鹽堿地的微波輻射/散射特性研究；3、不同尺度、不同信息源數(shù)據(jù)的集成分析；研究?jī)?nèi)容：三、研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)建立雙頻雙極化微波輻射識(shí)別鹽堿土壤雙參數(shù)（含水量及含鹽量）反演模型；建立衛(wèi)星主動(dòng)微波散射數(shù)據(jù)與地基被動(dòng)微波輻射數(shù)據(jù)的耦合模式；創(chuàng)新點(diǎn)：

四、研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法

研究方法

室內(nèi)與野外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：野外采樣、室內(nèi)分析

微波與光學(xué)遙感相結(jié)合：ETM+、HJ-1CCD與雷達(dá)影像協(xié)同反演

理論與實(shí)踐相結(jié)合

主動(dòng)微波與被動(dòng)微波相結(jié)合：雷達(dá)后向散射系數(shù)及輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)

四、研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法

鹽分敏感性分析：利用Dobson土壤介電模型結(jié)合鹽水介電模型，建立鹽堿土壤介電模型，分析鹽分、水分對(duì)土壤介電常數(shù)的影響；基于微波輻射傳輸方程，結(jié)合研究區(qū)地表粗糙度測(cè)量結(jié)果，選擇合適的粗糙度模型，進(jìn)行鹽分、水分對(duì)微波亮度溫度敏感性分析；模型應(yīng)用：利用AIEM模型結(jié)合多頻段多角度地基微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，確定反演迭代閾值，然后利用微波輻射傳輸理論的正演模型及最小二乘迭代算法，實(shí)現(xiàn)鹽堿土壤雙參數(shù)（土壤含水量、含鹽量）反演植被含水量是衡量植被冠層輻射與散射能力的關(guān)鍵變量，研究植被含水量對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)的影響，結(jié)合MIMICS模型及水-云模型，以此消除鹽堿土壤含鹽量、含水量反演過程中植被冠層的干擾；利用AIEM模型，建立鹽堿土壤后向散射模擬數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合植被散射模型，反演土壤含水量、含鹽量。四、研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法基于光學(xué)與主被動(dòng)微波遙感蘇打鹽堿地特性識(shí)別方法研究地基微波輻射數(shù)據(jù)（C、X波段）雷達(dá)全極化影像數(shù)據(jù)光學(xué)遙感影像及光譜測(cè)量數(shù)據(jù)光譜特征分析鹽生植被指數(shù)建立植被含水量反演后向散射系數(shù)粗糙度參數(shù)土壤層后向散射野外實(shí)驗(yàn)植被信息土壤信息鹽基離子Ph土壤含水量植被覆蓋層后向散射模型水云模型結(jié)合MIMICS模型含水量、含鹽量響應(yīng)分析輻射亮溫地表參數(shù)溫度、植被參數(shù)等模型數(shù)據(jù)庫(kù)(AIEM)含鹽量定量反演有效反射率Fresnel反射系數(shù)土壤復(fù)介電常數(shù)鹽堿土壤介電模型響應(yīng)4研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法工作基礎(chǔ)：（1）設(shè)計(jì)了2012年6月吉林西部鹽堿地星地同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，在凈月潭遙感實(shí)驗(yàn)站支持下圓滿完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在與衛(wèi)星同步或準(zhǔn)同步時(shí)，開展以下幾項(xiàng)工作：微波輻射計(jì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)及植被參數(shù)采集；像元尺度地表粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)；探地雷達(dá)鹽堿地散射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)；土壤樣地的設(shè)計(jì)和均勻、隨機(jī)樣品采集實(shí)驗(yàn)。

可行性分析4研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法工作基礎(chǔ)：（3）吉林西部鹽堿土微波特性研究

為了解決一定濕度的鹽堿土特性識(shí)別問題，我們于2010年8月，對(duì)吉林西部地區(qū)鹽堿地樣點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。車載地基微波雙頻率（C、X波段）雙極化（H，V）微波輻射計(jì)多角度（30-75°,間隔5°）觀測(cè)樣點(diǎn)地區(qū)，得到樣點(diǎn)地區(qū)的亮溫?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行地面輔助數(shù)據(jù)的觀測(cè)。初步研究裸土鹽堿地微波輻射特性。基于多角度雙頻率雙極化的觀測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，選擇逼近式迭代算法來(lái)反演其介電常數(shù)，同時(shí)將土壤粗糙度作為反演參數(shù)一同進(jìn)行估算，該方法的實(shí)現(xiàn)通過Levernberg-Marquardt算法來(lái)實(shí)現(xiàn)：

4研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法理論基礎(chǔ)：（1）土壤-水混合介質(zhì)介電模型--Dobson模型4研究方法、可行性、難點(diǎn)及解決辦法理論基礎(chǔ)：（2）植被遮蓋層的后向散射特性植被遮蓋層是由許多散射元素組成的一個(gè)容積，其頂部以空氣為界，底部以散射土壤的表面為界。一般情況下，后向散射系數(shù)決定于植被諸元素和土壤表面的散射特性，同時(shí)還與植被空間與土壤表面之間的多次散射作用有關(guān)。常用的模型有MIMICS模型、水-云模型。MIMICS模型（Ulabyetal，1990）：基于一階輻射傳輸方程的雙層物理模型水-云模型（Ulabyetal，1987）：將植被層處理成一層同質(zhì)的均勻介質(zhì)，具有一定的消光能力，總的后向散射由植被層的直接