一種鹽度衛星雙波段亮溫數據聯合反演土壤水分的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微波遙感領域，主要涉及的是一種采用K波段和C波段亮溫數據聯合反 演土壤水分的方法
【背景技術】
[0002] 土壤水分不僅是地球生態系統非常重要的組成部分，同時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域性或全球性的土壤水分觀測對很多環境學科，如洪 水監測，改良土壤侵蝕模型，天氣預報以及農業應用都至關重要。因此，獲取大范圍地表土 壤水分時空分布信息是一個迫切需要解決的問題。被動微波遙感由于對地表介電特性的強 敏感性而具備良好的反演土壤水分的物理基礎。相比傳統土壤水分測量方法，被動微波遙 感覆蓋面廣，能夠大范圍持續觀測;相比可見光與熱紅外，它具有全天時全天候，穿透性強， 較少受到云霧干擾的優勢。因此，被動微波遙感被認為是目前監測土壤水分最有效的手段， 并已被廣泛應用于快速獲取全球區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，但微波遙感被認為是能夠真正意義上進行定量化土壤水分監測最 有潛力的方法。微波遙感能夠監測土壤水分的原因在于微波傳感器接收到的地表發射的微 波亮溫或者地表反射的微波后向散射系數與地表土壤的介電特性密切相關，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行土壤水分的估算具有很好的物理基礎。 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、全天候觀測 的特點，并對云霧、雨雪、植被及干燥地物有一定的穿透能力，從而彌補了可見光，熱紅外在 土壤水分監測中的不足。
[0004] 海洋鹽度探測衛星有效載荷包括L、C和K波段微波輻射計，為海洋、減災、農業以及 氣象等多個行業和業務部門提供服務。雖然鹽度衛星是為獲取海洋鹽度而設計，但其獲取 的數據在陸表表面也將有重要的應用價值，如獲取陸表溫度和土壤水分等。鹽度衛星頻率 設置是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。
【發明內容】
[0005] 本發明提出一種利用鹽度衛星Κ波段(23.8GHz)和C(6.9GHz)亮溫數據聯合反演地 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，再將傳統的τ- ω模 型進行優化，使影響土壤水分反演的兩個參數均方根高度h和光學厚度τ合成為一個參數， 并在合理的假設條件下，使τ-ω模型僅包括土壤溫度和土壤水分兩個未知參數，再利用C波 段(6.9GHz)H極化亮溫數據直接反演土壤水分信息。采用具有相似系統參數的AMSR-E衛星 數據進行驗證。結果表明本發明提出的方法可以有效獲取地表土壤水分信息。
[0006] 本發明提出的反演土壤水分的方法，其是采用K波段和c波段亮溫數據聯合反演土 壤水分，該方法包括如下步驟：
[0007] 步驟1、獲取鹽度衛星數據，從數據文件中提取K波段（23.8GHz)V極化亮溫數據 BT(23.8, V);
[0008] 步驟2、根據以下公式計算陸表溫度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，步長設為0.01，利用Dobson模型在土壤質 地、容重和陸表溫度T已知的情況下，計算每個土壤水分對應的介電常數ε ;
[0011] 步驟4、獲取鹽度衛星數據，從數據文件中提取C波段(6.9GHz)V和Η極化亮溫數據 ΒΤ(6.9, ν)和BT(6.9,h);
[0012] 步驟5、輸入鹽度衛星的入射角Θ，其是一個固定值，由步驟3中的介電常數ε，根據 下面的公式計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，并令Q=0.174，計算得到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，并將公式的右側與左側的BT(6.9,h)相減，再求絕對值；
[0017] 步驟7、在0.01~0.6之間遍歷完土壤水分后，使步驟6中絕對值最小的土壤水分 值，即為得到的土壤水分反演結果。
[0018] 優選的是:在步驟1和2中，將CAMP/Tibet，瑪曲及那曲三個實驗區的地表土壤溫度 觀測的數據，與同時期的AMSR-E 23.8GHz V極化亮溫數據建立模型：T = 0.767 X BT(23.8, v)+ 76.893;獲取鹽度衛星數據，從數據文件中提取K波段(23.8GHz )V極化亮溫數據BT(23.8, v);根 據上述模型計算陸表溫度T;所述模型與實測數據的相關系數為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計回歸模型 [0020]圖2為反演模型的驗證散點圖。
【具體實施方式】
[0021]衛星數據：AMSR-E共配置有6個波段，具體為6.9GHz，10.7GHz，18.7GHz，23.8GHz， 36.5GHz與89GHz，每個波段均提供雙極化觀測。其中，6.9GHz、18.7Ghz和23.8GHz與鹽度衛 星相同，所以，本發明利用鹽度衛星K波段(23.8GHz)和C波段(6.9GHz)數據發展的土壤水分 反演方法，是利用現有AMSR-E數據驗證其有效性。
[0022] 地面試驗數據:CAMP/Tibet數據:全球協調加強觀測計劃亞澳季風之青藏高原試 驗研究網絡CAMP/Tibet是一個建立于青藏高原中部的中尺度土壤溫濕度觀測網絡。該網絡 建立的目的是為了測量青藏高原地區的土壤水分及土壤溫度，從而用于發展及驗證陸面過 程模型及衛星土壤水分反演算法。CAMP/Tibet觀測網地區地表覆蓋類型主要為稀疏的低矮 草地。記錄的時間范圍為2002年10月1日至2004年3月31日。
[0023] 瑪曲觀測網：瑪曲土壤溫濕度觀測網于2008年7月開始建立。瑪曲觀測網覆蓋的面 積約為40km X 80km，在該網絡地區，每個站點每隔15分鐘對不同深度（從地表5cm至地下 80cm)的土壤水分和土壤溫度進行記錄，時間覆蓋范圍為2008年7月1日至2010年7月31日。 所有站點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] 那曲觀測網：那曲土壤溫濕度觀測網是一個多尺度觀測網絡，覆蓋面積約為100km X 100km。該網絡由56個站點組成，每個站點每隔半小時記錄不同深度（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地表溫度的反演方法均是采用Ka波段(36.5GHz或37GHz)V 極化數據，但鹽度衛星并不包含此波段設置，所以本發明建立了利用K波段(23.8GHz)V極化 亮溫數據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個實驗區中共有實測對應數據1358個，統計模型與實測數據的相關系數為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模型進行優化的過程如下：τ- ω模型將來自于土壤及植被層 的亮溫表示成三個方面：（1)經