学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

东北地区土壤湿度被动微波遥感高精度反演方法研究

作　者: 郑兴明
导　师: 赵凯
学　校: 中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 土壤湿度微波辐射计被动微波遥感植被冠层盐碱土
分类号: S127
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 451次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

地球表层土壤含水量只占全球总水量的很少一部分，但它是联系地表水和地下水的纽带，其变化影响着地表能量分配与蒸散过程，制约着区域水分、能量循环，对于水文气象、生态环境等科学研究有着重要意义。此外，土壤湿度决定农作物的水分盈亏，土壤湿度过低或过高都将影响农作物的正常生长，甚至出现旱涝灾害，因此实现土壤湿度的时空动态监测能为“精准农业”、干旱预警以及作物估产服务。微波具有穿透低矮植被冠层探测浅表层土壤特性的能力，更因复相对介电常数对土壤水分的高敏感性，微波遥感已成为大尺度土壤湿度反演的最有效技术。论文在中国科学院知识创新工程重要方向项目“土壤湿度与积雪参量高精度微波遥感反演机理研究（KZCX2-YW-340）”的支持下开展研究工作。论文详细介绍了国内外被动微波遥感土壤湿度研究进展，凝练了被动微波遥感土壤湿度理论研究方法。在此基础上，根据我国东北地区区域特色，利用电磁波传播理论，结合地基被动微波遥感实验，深入开展了植被覆盖下土壤微波辐射模型的研究，重点开展了东北典型农作物玉米耕地、吉林西部盐碱地土壤湿度的被动微波遥感反演研究工作，取得了如下几方面创新性研究成果：（1）根据空间自相关函数与功率谱密度的傅里叶变换对关系，提出了一种利用笔束天线微波辐射计测量地表功率谱密度，通过傅氏变换得到表面空间自相关函数，最终解得粗糙表面粗糙度参数（表面均方根高度与空间自相关长度）的方法。（2）根据能量守恒定律，通过离散化方法建立了周期性结构表面的微波辐射模型。利用该模型进行表面发射率模拟，揭示出周期性表面微波辐射具有方向性的特点，该表面微波发射率与平坦表面的差异与垄的结构参数（垄高、垄周期）有关。利用多角度亮度温度的土壤湿度反演结果证实了周期性表面对土壤湿度反演精度存在影响这一观点，并且考虑周期性表面模型能够提高土壤湿度反演精度。（3）根据地基长时间系列遥感实验数据，利用零阶微波辐射传输模型进行了不同生长季玉米冠层覆盖下的农田土壤湿度反演研究，通过比较四种反演模式的反演结果，发现即使在植被冠层覆盖下周期性表面模型也能改进土壤湿度反演精度，同时，还发现当植被光学厚度与植被含水量呈二次幂关系时，土壤湿度反演精度能够得到改进。（4）根据盐碱土介电常数的频率响应差异，利用双频地基微波辐射计亮度温度数据实现了盐碱土土壤水分和盐分的提取，土壤湿度反演平均误差约为0.009cm3/cm3，土壤盐分反演绝对误差变化范围为0.5-12g/kg，平均绝对误差为3g/kg，这证实了利用被动微波遥感数据提取盐碱土壤参数的可行性与有效性。（5）结合蒙特卡罗方法和矩量法对农田表面后向散射系数进行模拟，结果表面后向散射系数随着土壤表面土块的增大增多而变大，且角度依赖性变小；利用双层冠层辐射传输模型，模拟了农田作物冠层后向散射系数，发现后向散射系数随着冠层含水量的增加而增大，但随着地表粗糙度的增加而降低。

全文目录

中文摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  第一节选题依据、目的及意义  11-16
    一、选题背景与依据  11-13
    二、研究目的与意义  13-16
  第二节国内外研究进展  16-20
    一、国外研究进展  16-17
    二、国内研究进展  17-20
  第三节研究内容、技术路线与创新点  20-22
    一、研究内容与方法  20
    二、论文主要创新点  20-21
    三、论文技术路线  21-22
  本章小结  22-23
第二章微波辐射基础理论  23-50
  第一节基本概念与定律  23-28
    一、普朗克黑体辐射定律  23-24
    二、双站散射系数与发射率  24-25
    三、文中常用概念的定义  25-26
    四、有关粗糙表面的概念  26-28
  第二节地物介电常数研究  28-34
    一、土壤介电常数  28-30
    二、植被介电常数  30-34
  第三节粗糙表面电磁散射理论  34-40
    一、粗糙地表散射物理模型  35-37
    二、粗糙地表散射半经验模型  37-39
    三、随机粗糙表面重建的蒙特卡罗方法  39-40
  第四节植被冠层的后向散射系数模拟  40-49
    一、单一植被散射体的散射系数  40-45
    二、玉米冠层后向散射系数模拟  45-49
  本章小结  49-50
第三章周期性地面结构裸土土壤湿度反演  50-92
  第一节 PBSS 地表粗糙度参数估测方法  50-56
    一、粗糙表面电磁散射模型研究概述  50-51
    二、粗糙地表的微波辐射特性  51-52
    三、粗糙度参数的估测  52-53
    四、数值模拟仿真  53-56
  第二节农田粗糙表面生成及其后向散射系数模拟  56-63
    一、农田土壤表面生成  57-58
    二、矩量法  58-63
  第三节地基裸土遥感实验  63-71
    一、周期性地表观测实验  63-69
    二、农田土壤湿度观测实验  69-71
  第四节周期性表面微波辐射建模方法  71-76
    一、周期性表面微波辐射模型介绍  71
    二、离散化模型  71-76
  第五节周期性表面的微波辐射模拟  76-84
    一、周期性光滑表面微波发射率模拟  76-80
    二、垄行结构对土壤湿度反演的影响  80-83
    三、小结  83-84
  第六节农田裸土土壤湿度反演  84-91
    一、土壤湿度反演方法  84-85
    二、反演结果分析  85-91
  本章小结  91-92
第四章植被覆盖区域的土壤湿度反演  92-113
  第一节植被覆盖下土壤微波辐射实验  92-95
    一、实验概况  92-93
    二、实验数据  93-95
  第二节玉米叶倾角的自动提取方法  95-98
    一、研究叶片倾角的意义  95
    二、叶片倾角自动提取方法  95-97
    三、结果评价  97-98
  第三节玉米冠层下的周期性表面土壤湿度反演  98-112
    一、植被冠层辐射模型  98-100
    二、土壤微波辐射亮温模拟及土壤湿度反演  100-112
  本章小结  112-113
第五章盐碱土含水量和含盐量的被动微波遥感反演  113-127
  第一节改进传输反射法测量介质的复介电常数  113-120
    一、常用测量方法  113-114
    二、实验数据及测量系统  114-117
    三、测量结果分析  117-120
  第二节盐碱地土壤水分和含盐量的微波遥感反演  120-126
    一、盐碱土的遥感识别  120
    二、地基遥感实验数据  120-122
    三、盐碱土土壤水分和盐分反演  122-126
  本章小结  126-127
第六章结论与展望  127-130
  第一节主要结论  127-129
  第二节展望  129-130
参考文献  130-138
在读期间发表论文及科研课题情况  138-139
致谢  139

东北地区土壤湿度被动微波遥感高精度反演方法研究

内容摘要

全文目录

相似论文