联合PROSAIL模型和植被水分指数的低矮植被含水量估算

植被冠层含水量CWC (Canopy Water Content)和植被地上部分含水量VWC (Vegetation Water Content)对于植被健康状况和土壤干旱监测具有重要意义。本文联合PROSAIL辐射传输模型和植被水分指数NDWI(Normalized Difference Water Index),发展了一种简单、通用性较好的低矮植被CWC和VWC反演方法,可实现中、高空间分辨率下的CWC和VWC估算。首先对PROSAIL模型输入参数进行敏感性分析,明确各参数对模型输出反射率的影响机制,以优化PROSAIL模型输入参数设置并生成低矮植被的反射率模拟数据。基于模拟数据,计算了4个植被水分指数NDWI_((860,1240))、NDWI_((860,1640))、NDWI_((1240,1640))和NDWI_((860,970))用于反演低矮植被CWC和VWC。基于模拟数据的结果表明,4个植被水分指数与ln (CWC)都存在明显的线性关系,基于该关系建立了CWC估算模型。该模型可以直接用于低矮植被CWC估算,并通过VWC与CWC之间的经验关系间接计算得到VWC。模型模拟结果也表明,由于NDWI_((860,1640))和NDWI_((1240,1640))高度相关(R~2=0.99),两者可以提供相似且相对较好的低矮植被CWC估算精度。基于地面实测数据的验证结果与基于模拟数据的结果表现出很好的一致性,即基于NDWI_((860,1640))和NDWI_((1240,1640))估算的VWC都有相似且较高的精度,决定系数(R~2)都为0.88,均方根误差(RMSE)分别为0.4558 kg/m~2和0.4380 kg/m~2。利用Landsat 5 TM数据对NDWI_((860,1640))估算效果的验证结果显示,模型估算CWC与地面实测CWC的R~2为0.84,RMSE为0.1342 kg/m~2,估算VWC的RMSE为0.5651 kg/m~2。本文提出的基于NDWI_((860,1640))和NDWI_((1240,1640))的CWC/VWC估算模型可被用于低矮植被的长势监测和干旱监测,为低矮植被覆盖地表的土壤水分反演提供高质量的植被水分信息。     

黑河流域表层土壤水分干化特征研究

土壤水分干化是指降水发生后土壤逐渐变干的过程,此过程一般包括重力排水、大气需求限制的蒸发以及水分限制的蒸发三个阶段,此三阶段在表层土壤中表现最为明显。黑河流域发源于祁连山中段,上中下游具有十分明显的景观地带性,探讨该地区表层土壤水分干化特征将为理解流域内不同环境下土壤蒸发的规律和影响因素提供理论支撑。本文基于2016-2020年黑河流域上中下游10个气象观测站点表层土壤水分、土壤温度、气温等资料,利用降水后的土壤干化事件分析了各区域土壤水分、潜在蒸散、归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)和土壤质地等因素与表层土壤干化速率的关系,并使用指数模型拟合干化事件,总结了各站点干化速率的季节间变化规律。2016-2020年黑河流域10个站点共识别出362个有效干化事件,分析结果表明：(1)土壤进入干化期后,干化速率随土壤含水率降低而逐渐减缓,约12天后,上游、中下游站点土壤干化速率皆趋于稳定,上游站点稳定在约0.04 cm³·cm^-3·day^-1,中下游则趋于0。...     

利用AMSR-E数据反演华北平原冬小麦单散射反照率

首先,基于冬小麦不同生育期的地面实测参数,构建了组成冬小麦冠层的、包括不同尺寸和含水量的介电散射体模拟数据库,并在此基础上建立冬小麦单散射反照率和光学厚度分别在C(6.925 GHz)和X(10.65 GHz)波段之间的依赖关系。然后,根据一阶参数化模型推导得到的微波植被指数MVIs(Microwave Vegetation Indices)的物理表达式,结合AMSR-E被动微波亮温数据,反演了华北平原地区冬小麦不同生育期的单散射反照率。与MODIS日归一化差异植被指数NDVI的对比结果显示:冬小麦单散射反照率与NDVI随时间的变化趋势大致相同,但在冬小麦的抽穗期到乳熟期,NDVI呈现饱和趋势,而单散射反照率对小麦的生长变化仍旧比较敏感,在指示冬小麦生长方面具有一定优势。     

棉花和大豆等效散射反照率估算

本文以棉花和大豆为例,基于车载多频率微波辐射计的观测数据,利用最小二乘原理实现对两种典型农作物等效散射反照率的估算,研究了植被层等效散射反照率随观测角度、频率以及植被浓密程度的变化规律,对不同覆盖度情况下植被层的等效散射反照率进行了定性的分析。这一研究结果在以零阶模型为基础进行地表参数反演时,对于植被层等效散射反照率的确定具有重要的理论参考价值。     

利用AMSR2和MODIS数据的土壤冻融相变水量降尺度方法

本文基于站点实测土壤温度和土壤湿度数据分析,发现温度指数TI(Temperature Index)和土壤冻融相变水量呈现幂函数关系,温度指数能够反映相变水量的变化。使用MODIS地表温度产品计算温度指数,在AMSR2卫星观测尺度上与相变水量建立了关系,从而对土壤冻融相变水量进行了降尺度研究。采用CTP-SMTMN数据采集仪观测网络上的站点观测到土壤水分对土壤冻融相变水量降尺度结果进行了验证。结果表明,土壤冻融相变水量降尺度结果与实测值较为接近,在土壤相变水量大于0.01(m³/m³)时,RMSE为0.0085(m³/m³),MAE为0.0059(m³/m³)。这种通过温度指数对土壤相变水量进行降尺度的方法具有简便,可行,可靠的优势,适合在冻融交替期计算较湿润土壤在冻融过程中产生的相变水量。同时,这种降尺度方法能够生成小尺度上的相变水量产品,实现了热红外遥感和被动微波遥感的优势整合,对研究地气水热平衡,气候变化,土壤冻结强度以及冻融侵蚀强度等具有重要意义。     

地表冻融过程被动微波遥感机理研究进展

地表冻融过程及参数特征是陆表过程、气候模式、全球变化等研究的重要方面。被动微波遥感由于具有对土壤水分敏感、高时间分辨率等特点,非常适合用于地表冻融过程的监测和相关参数的反演。在分析地表冻融过程被动微波遥感机理研究发展现状的基础上,面向全球范围内大尺度陆表冻融过程微波遥感算法发展的需求,针对由土壤、积雪和植被组合的复杂地...     

裸露地表微波热采样深度统计模型

被动微波遥感反演土壤水分对应的土壤深度是土壤水分产品真实性检验和应用中必须确定的问题。本研究利用理论模型对影响土壤热采样深度的参数进行了分析。在此基础上,通过回归分析的方法发展了一个估算被动微波遥感土壤热采样深度的统计模型,并通过微波辐射测量实验对模型进行了验证。研究证明,理论模型模拟裸露地表发射率平均误差为0.032,基于理论模型发展的热采样深度统计模型的误差在0.5 cm左右。该统计模型可以通过土壤含水量、温度、质地和观测频率4个较容易获取的参数计算土壤微波辐射的热采样深度,为被动微波遥感土壤水分产品的真实性检验工作中地面土壤水分测量以及土壤水分遥感产品的应用提供参考。     

基于自回归神经网络的时间序列叶面积指数估算

叶面积指数LAI是众多气象、环境、农业等模型的关键输入参数。尽管具有多个传感器的全球LAI产品已经相继发布,但是由于受反演方法的局限性以及反射率产品质量的影响,这些由单一传感器数据得到的LAI产品在时间上表现出一定的不连续性,这与自然生长植被的LAI变化规律不能一致。而神经网络在对复杂的、非线性数据的模式识别能力方面具有出色的表现。如在3层神经网络中,只要对隐层采用非线性递增映射函数,输出层采用线性映射函数,就可以用于对任意连续函数进行逼近。对于具有相同植被覆盖类型的同一地点多年的LAI数据,在无自然灾害和人为破坏的前提下,可以构成一个非线性的、连续的时间序列。通过融合MODIS和VEGETATION两种传感器产品,在利用相同植被类型的LAI时间序列来建立自回归神经网络,即NARX神经网络的同时,引入红、近红外和短波红外3个波段上时间序列的反射率以及相应的太阳天顶角、观测天顶角和相对方位角作为NARX神经网络的外部输入变量,并最终达到估算时间序列LAI的目的。验证结果表明,NARX神经网络非常适用于时间序列的LAI估算,并且其预测的LAI比原始的MODIS LAI在时间序列上表现的更连续和平滑。因此,该方法在...     

闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验

遥感试验是进行遥感原理的验证、遥感模型与反演方法的发展、遥感产品的真实性检验,推动卫星计划的论证实施及其观测在地球系统科学中应用的重要途径。闪电河流域水循环和能量平衡遥感综合试验以滦河上游闪电河流域为核心试验区,以地球表层系统的水循环过程和能量平衡为研究对象,旨在通过天—空—地一体化的观测手段,针对不同典型地表类型开展全波段主被动协同遥感观测,研究异质地表和山地条件下像元尺度遥感关键参量的观测方案,研究重要水热参量的遥感方法及其同陆面/水文过程模型的结合,支撑国家民用空间基础设施和空间科学先导专项相关卫星计划的论证实施。其中,航空飞行遥感试验搭载L波段主被动一体化微波载荷、双角度热红外相机、四波段多光谱相机和高光谱成像仪进行协同观测,实现了土壤水分、组分温度、植被含水量、叶面积指数等地表参数以及湖泊、水库、湿地等的遥感监测;地面同步观测试验利用车载微波辐射计、地基雷达和光谱仪进行了典型地物如裸土、植被、水体、人工目标等的遥感观测,并按照样区—样方—样点的多尺度嵌套方案进行了地表参数的同步采样,获取了该地区关键地表参数的短时期时空变化特征;同时配合卫星和机载观测,在闪电河流域完成了土壤温湿度、地表水热通量、地表辐射四分量、降水等气象要素的地面观测网络的建设,为验证地表辐射/散射遥感模型,发展、优化和验证水热参量遥感反演算法,研究地表水热参量尺度效应与尺度转化问题提供了重要平台,将促进陆表能量与水分交换过程的理解及其对全球变化的作用和反馈机制的研究。     

双矩阵算法的L波段多角度玉米微波辐射参数化模型

双矩阵MD(Matrix-Doubling)算法是辐射传输方程的一种数值解,考虑了植被层内的多次散射信号,具有较高的模拟精度。但受限于算法的复杂性,很难直接应用到地表参数的反演中。本文以玉米覆盖地表为研究对象,基于MD算法的模拟数据,发展了一种L波段多角度微波辐射参数化模型。基于模拟数据的对比结果表明,参数化模型具有与理论模型相当的精度,两者之间的发射率误差不超过0.004(V极化)和0.007(H极化)。同时,结合黑河流域的地面实测数据,利用本论文中发展的参数化模型模拟了纯玉米像元的辐射亮温。该模拟结果与相同像元尺度上机载L波段微波辐射计(PLMR)观测亮温之间的差异基本在10 K以内。