基于微波遥感农田土壤水分反演研究-地图学与地理信息系统专业论文.docx

Research on Soil Moisture Retrieval over the Agricultural Field Using Microwave Remote Sensing Data Type of Degree Academic Degree Discipline (Type of Professional Degree) Cartography and GIS Candidate JIANG Liangmei Student Number 09011001014 Supervisor and Professional Title WANG Fang Lecturer Practice Mentor and Professional Title ZHANG Lixin Professor School School of Architecture and Urban Planning Date June, 2012 Unive rs ity Hunan University of Science and Technology 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 i i PAGE PAGE iv 摘 要 土壤水分是影响全球 水循环和全球 能量平 衡的一个关键状态参 数，它 在地表 能量交换、气候的动态 变化中发挥重 要的 作用。大尺度范围内的 土壤水分监测 对 于气候变化预测、洪 涝监测及农作 物产量 估测意义重大。 传统基于点的土壤水 分测量方法 ，很难实现 在大尺度上的测量 ，而且费时耗 力。光学遥感 由于受云层 、气溶胶 、太阳 照射条件及植被覆盖 等因素的限制 ，测 量的精度非常有限。微 波遥感以其全 天时 、全天候、对地表有一 定穿透性等独 特 的优势，成为目前土 壤水分监测的 一种最 为有效的方法。 研 究 主 要 包 括 基 于 雷 达 数 据 的 玉 米 地 土 壤 水 分 研 究 及 基 于 车 载 辐 射 计 数 据 的农作物辐射特征研 究两个方面 的 内容。 下面分别进行归结： 在主动微波遥感中 ，雷达的 后向散射系数与 土壤的介电常数两者 之间存在一 定的相关性，且土壤的 介电常数又对 土壤 水分的变化响应明显，这就是主动微 波 反演土壤水分的研究 基础。但是由于 雷达 与地表的相互作用的 复杂性，雷达信 号 还受到地表粗糙度 、仪器参数 、植被 覆盖 等因子的影响 。研究表明 ，与土壤水 分 一样，雷达对 植被层信息同样 敏感。因此 ，在植被覆盖 地表反演土壤水 分时，去 除植被散射的影响是 必要的。研究利用 GIMICS 改进后的一阶微波 相干散射模型 及 AIEM 模型对玉米地的 后向散射特征 进 行模拟，从裸土后向 散射与玉 米地 总的 后向散射数值计算（ 比值和残差） 的角度 出发，探索它们与植 被参量的相关 性。 同时，分析了后向散 射特征与植被 参量之 间的变化关系。最终 ，选用 6 月 19 日 及 8 月 21 日两天的测量数据，成功建 立裸 露地表后向散射与植 被总后向散射 的 比值与植被含水量的 半经验模型。当 输入 参量与输出参量的关 系未知时，神经 网 络算法往往成为首选 。研究基于 AIEM 模型 建立的模拟数据库，将相关长度（ l ）、 均方根高度（ s ）及 HH 极化的后向散射系 数（ ??0 ）作为神经网络 的输入向量， 土壤水分作为输出向 量，建立了具有 三层 拓扑关系的神经网络。最终反演得到 土 壤水分。通过与实测的土壤水 分数 据对比，反演精度为 R2=0.6050 ， RMSE=0.00298。 另外，研究还对 2009 年河 北省保定市地区 的小麦实测数据进行 了处理及分 析，并利用 AIEM 理论模型及回归分析 和神 经网络的方法对小麦 前期的地表土 壤 水分反演。结果表明 ，神经网络方 法的反 演结果优于回归分