一種鹽度衛(wèi)星雙波段亮溫?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合反演土壤水分的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波遙感領(lǐng)域，主要涉及的是一種采用K波段和C波段亮溫?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合反 演土壤水分的方法
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤水分不僅是地球生態(tài)系統(tǒng)非常重要的組成部分，同時(shí)也是地表干旱信息最重 要的表征參量。諸多的研究均表明區(qū)域性或全球性的土壤水分觀測(cè)對(duì)很多環(huán)境學(xué)科，如洪 水監(jiān)測(cè)，改良土壤侵蝕模型，天氣預(yù)報(bào)以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要。因此，獲取大范圍地表土 壤水分時(shí)空分布信息是一個(gè)迫切需要解決的問題。被動(dòng)微波遙感由于對(duì)地表介電特性的強(qiáng) 敏感性而具備良好的反演土壤水分的物理基礎(chǔ)。相比傳統(tǒng)土壤水分測(cè)量方法，被動(dòng)微波遙 感覆蓋面廣，能夠大范圍持續(xù)觀測(cè);相比可見光與熱紅外，它具有全天時(shí)全天候，穿透性強(qiáng)， 較少受到云霧干擾的優(yōu)勢(shì)。因此，被動(dòng)微波遙感被認(rèn)為是目前監(jiān)測(cè)土壤水分最有效的手段， 并已被廣泛應(yīng)用于快速獲取全球區(qū)域的地表土壤水分信息。
[0003] 由于土壤顏色和表層溫度受土壤濕度的影響，利用可見光和紅外波段的遙感方法 也能反映土壤濕度狀態(tài)，但微波遙感被認(rèn)為是能夠真正意義上進(jìn)行定量化土壤水分監(jiān)測(cè)最 有潛力的方法。微波遙感能夠監(jiān)測(cè)土壤水分的原因在于微波傳感器接收到的地表發(fā)射的微 波亮溫或者地表反射的微波后向散射系數(shù)與地表土壤的介電特性密切相關(guān)，而土壤的介電 特性主要由其含水量決定，因此利用微波遙感進(jìn)行土壤水分的估算具有很好的物理基礎(chǔ)。 此外，相比可見光、熱紅外易受大氣、云霧等影響的限制，微波遙感具有全天時(shí)、全天候觀測(cè) 的特點(diǎn)，并對(duì)云霧、雨雪、植被及干燥地物有一定的穿透能力，從而彌補(bǔ)了可見光，熱紅外在 土壤水分監(jiān)測(cè)中的不足。
[0004] 海洋鹽度探測(cè)衛(wèi)星有效載荷包括L、C和K波段微波輻射計(jì)，為海洋、減災(zāi)、農(nóng)業(yè)以及 氣象等多個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)部門提供服務(wù)。雖然鹽度衛(wèi)星是為獲取海洋鹽度而設(shè)計(jì)，但其獲取 的數(shù)據(jù)在陸表表面也將有重要的應(yīng)用價(jià)值，如獲取陸表溫度和土壤水分等。鹽度衛(wèi)星頻率 設(shè)置是L波段（1.415GHz)、C波段(6.9GHz)和K波段（18.7GHz和23.8GHz)，均包括Η和V兩種極 化方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種利用鹽度衛(wèi)星Κ波段(23.8GHz)和C(6.9GHz)亮溫?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合反演地 表土壤水分的方法。首先利用K波段(23.8GHz )V極化亮溫獲取土壤溫度，再將傳統(tǒng)的τ- ω模 型進(jìn)行優(yōu)化，使影響土壤水分反演的兩個(gè)參數(shù)均方根高度h和光學(xué)厚度τ合成為一個(gè)參數(shù)， 并在合理的假設(shè)條件下，使τ-ω模型僅包括土壤溫度和土壤水分兩個(gè)未知參數(shù)，再利用C波 段(6.9GHz)H極化亮溫?cái)?shù)據(jù)直接反演土壤水分信息。采用具有相似系統(tǒng)參數(shù)的AMSR-E衛(wèi)星 數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明本發(fā)明提出的方法可以有效獲取地表土壤水分信息。
[0006] 本發(fā)明提出的反演土壤水分的方法，其是采用K波段和c波段亮溫?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合反演土 壤水分，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1、獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)文件中提取K波段（23.8GHz)V極化亮溫?cái)?shù)據(jù) BT(23.8, V);
[0008] 步驟2、根據(jù)以下公式計(jì)算陸表溫度T:
[0009] T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893；
[0010] 步驟3、在0.01~0.6土壤水分范圍內(nèi)，步長(zhǎng)設(shè)為0.01，利用Dobson模型在土壤質(zhì) 地、容重和陸表溫度T已知的情況下，計(jì)算每個(gè)土壤水分對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)ε ;
[0011] 步驟4、獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)文件中提取C波段(6.9GHz)V和Η極化亮溫?cái)?shù)據(jù) ΒΤ(6.9, ν)和BT(6.9,h);
[0012] 步驟5、輸入鹽度衛(wèi)星的入射角Θ，其是一個(gè)固定值，由步驟3中的介電常數(shù)ε，根據(jù) 下面的公式計(jì)算得到法向入射的菲涅耳反射率RoH和Rov，帶入到公式fspia-Q^op+QRoq， 該公式中下標(biāo)p和q表示正交極化方式，即若p為Η或V極化，則q為V或Η極化，Q表示粗糙度參 數(shù)，并令Q=0.174，計(jì)算得到f sH和f sV;
[0015]步驟6、令TBV = BT(6 · 9，v)，Tbh = BT(6 · 9，h);并將Tbh、TBV、IT sH、V sv和陸表溫度T代 入下面的公式的右側(cè)，并將公式的右側(cè)與左側(cè)的BT(6.9,h)相減，再求絕對(duì)值；
[0017] 步驟7、在0.01~0.6之間遍歷完土壤水分后，使步驟6中絕對(duì)值最小的土壤水分 值，即為得到的土壤水分反演結(jié)果。
[0018] 優(yōu)選的是:在步驟1和2中，將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)的地表土壤溫度 觀測(cè)的數(shù)據(jù)，與同時(shí)期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)建立模型：T = 0.767 X BT(23.8, v)+ 76.893;獲取鹽度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)文件中提取K波段(23.8GHz )V極化亮溫?cái)?shù)據(jù)BT(23.8, v);根 據(jù)上述模型計(jì)算陸表溫度T;所述模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87，均方根誤差為3.94K。
【附圖說明】
[0019] 圖1為23.8GHz V極化亮溫與地表溫度統(tǒng)計(jì)回歸模型 [0020]圖2為反演模型的驗(yàn)證散點(diǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]衛(wèi)星數(shù)據(jù)：AMSR-E共配置有6個(gè)波段，具體為6.9GHz，10.7GHz，18.7GHz，23.8GHz， 36.5GHz與89GHz，每個(gè)波段均提供雙極化觀測(cè)。其中，6.9GHz、18.7Ghz和23.8GHz與鹽度衛(wèi) 星相同，所以，本發(fā)明利用鹽度衛(wèi)星K波段(23.8GHz)和C波段(6.9GHz)數(shù)據(jù)發(fā)展的土壤水分 反演方法，是利用現(xiàn)有AMSR-E數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性。
[0022] 地面試驗(yàn)數(shù)據(jù):CAMP/Tibet數(shù)據(jù):全球協(xié)調(diào)加強(qiáng)觀測(cè)計(jì)劃亞澳季風(fēng)之青藏高原試 驗(yàn)研究網(wǎng)絡(luò)CAMP/Tibet是一個(gè)建立于青藏高原中部的中尺度土壤溫濕度觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò) 建立的目的是為了測(cè)量青藏高原地區(qū)的土壤水分及土壤溫度，從而用于發(fā)展及驗(yàn)證陸面過 程模型及衛(wèi)星土壤水分反演算法。CAMP/Tibet觀測(cè)網(wǎng)地區(qū)地表覆蓋類型主要為稀疏的低矮 草地。記錄的時(shí)間范圍為2002年10月1日至2004年3月31日。
[0023] 瑪曲觀測(cè)網(wǎng)：瑪曲土壤溫濕度觀測(cè)網(wǎng)于2008年7月開始建立?，斍^測(cè)網(wǎng)覆蓋的面 積約為40km X 80km，在該網(wǎng)絡(luò)地區(qū)，每個(gè)站點(diǎn)每隔15分鐘對(duì)不同深度（從地表5cm至地下 80cm)的土壤水分和土壤溫度進(jìn)行記錄，時(shí)間覆蓋范圍為2008年7月1日至2010年7月31日。 所有站點(diǎn)分布在黃河河谷及其周圍的小山，地表覆蓋類型為均一的低矮草地。
[0024] 那曲觀測(cè)網(wǎng)：那曲土壤溫濕度觀測(cè)網(wǎng)是一個(gè)多尺度觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積約為100km X 100km。該網(wǎng)絡(luò)由56個(gè)站點(diǎn)組成，每個(gè)站點(diǎn)每隔半小時(shí)記錄不同深度（分別為0~5 cm， 10cm，20cm及40cm)的土壤水分及土壤溫度信息，記錄時(shí)間范圍為2010年8月1日至2011年10 月31日。
[0025] 常用的微波輻射亮溫對(duì)地表溫度的反演方法均是采用Ka波段(36.5GHz或37GHz)V 極化數(shù)據(jù)，但鹽度衛(wèi)星并不包含此波段設(shè)置，所以本發(fā)明建立了利用K波段(23.8GHz)V極化 亮溫?cái)?shù)據(jù)反演土壤溫度的方法，如圖1所示。
[0026] T = 0.767XBT(23.8,v)+76.893
[0027] 3個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)中共有實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)1358個(gè)，統(tǒng)計(jì)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.87， 均方根誤差為3.94K，表明以上模型能較好的反演陸表溫度。
[0028] C波段(6.9GHz) τ- ω模型進(jìn)行優(yōu)化的過程如下：τ- ω模型將來自于土壤及植被層 的亮溫表示成三個(gè)方面：（1)經(jīng)