CN113063806A - 一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波遥感技术领域，公开了一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，包括根据单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出不同通道的土壤水分；根据不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型计算不同观测条件下的穿透深度；利用不同通道的土壤水分以及不同观测条件下的穿透深度计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量。本发明充分利用了被动微波遥感不同频率和不同角度的观测信息，根据不同观测通道的微波辐射信号对地表的穿透能力不同的特点，反演了土壤垂直剖面不同深度的土壤水分，有助于提高不同深度的被动微波遥感土壤水分产品在陆面过程模式和全球变化研究中的适用性。

Description

一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，具体地涉及一种多通道微波辐射数据反演 裸露土壤水分剖面的方法。

背景技术

微波遥感对地观测技术通过测量地表微波波段电磁波的辐射或散射信号， 从而获取地表参数信息。与光学波段相比，微波波段的电磁波能够穿透云雾， 对地表的植被、土壤也具有一定的穿透能力，能够获得植被层内部和一定深度 的土壤层的信息。被动微波遥感具有数据处理流程相对简单、空间分辨率低的 特点，能够获取全球或国家等大区域尺度的数据，在植被、土壤、冻融、积雪 等参数反演中发挥了重要作用。

由于微波遥感对植被和土壤具有一定的穿透能力，因此微波遥感传感器获 取的信号是地表至某一深度土壤层信号的综合，反演得到的土壤水分等地表参 数也是一定厚度的土壤层含水量的平均值。在传统的被动微波遥感土壤水分反 演算法或产品中，主要是利用某个频率或综合利用某几个频率的观测信号进行 土壤水分的反演，结果没有考虑或是一定程度上模糊了土壤水分反演结果所代 表的土壤层的厚度。由于算法中无法确定遥感反演的土壤水分是多厚土壤层的 值，因此给被动微波遥感数据产品的处理和应用带来了诸多不确定性。

发明内容

本发明提供一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，从而 解决现有技术的上述问题。

本发明提供了一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，包 括以下步骤：

S1)利用微波辐射传输模型建立单通道微波辐射数据反演土壤水分算法， 根据所述单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出不同通道的土壤水 分；

S2)建立不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型， 根据所述不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型计算 不同观测条件下的穿透深度；

S3)利用不同通道的土壤水分以及不同观测条件下的穿透深度计算土壤垂 直剖面上不同深度层的土壤水分含量，获得土壤水分剖面信息。

进一步的，在步骤S1)中，利用微波辐射传输模型建立单通道微波辐射数 据反演土壤水分算法，根据单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出 不同通道的土壤水分，包括如下步骤：

S11)获取裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)，θ表示观测角度，f表示观 测频率；

S12)获取地表温度T，根据裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)和地表温 度T计算粗糙地表发射率E(f,θ)，粗糙地表发射率

根据粗糙地表 发射率E(f,θ)计算粗糙地表反射率R(f,θ)，粗糙地表反射率R(f,θ)＝1-E(f,θ)；

S13)根据粗糙地表反射率R(f,θ)建立粗糙地表微波辐射模型，粗糙地表微波 辐射模型为R(f,θ)＝r(f,θ)·e^-h·cosθ，根据粗糙地表微波辐射模型计算光滑地表 反射率r(f,θ)，h为粗糙度参数，e为自然常数；

S14)建立土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式

根据土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式计算 土壤介电常数

S15)利用土壤混合介电常数模型建立土壤水分与土壤介电常数的关系式

v_w表示土壤含水量；P表示土壤孔隙度，土壤孔隙度为容重与土壤固态物质密度的 比值；ε_a和ε_r分别为空气介电常数和土壤颗粒介电常数；下标a、s、i、w分别表 示土壤中的组成物质对应的空气、土壤颗粒、冰和水，水的介电常数

ε_inf表示介电常数参数，ε_w0和∈分别表示与温度有关的 第一参数和第二参数，第一参数ε_w0＝88.045-0.4147·T+6.295·10^-4·T²+ 1.075·10^-5·T³，第二参数∈＝1.1109·10^-10-3.824·10^-12·T+6.938· 10^-14·T²-5.096·10^-16·T³，v_t表示过渡含水量，γ为经验参数，过渡含水量 v_t＝0.49·(0.06774-0.00064sand+0.00478clay)+0.165，经验参数 γ＝-0.57·(0.06774-0.00064sand+0.00478clay)+0.481，sand和clay分 别表示土壤砂粒含量和粘粒含量；

S16)根据土壤水分与土壤介电常数的关系式求解土壤含水量，若v_w≤v_t， 则土壤含水量

a、b、c分别为第一系数、第二系数和第三系数， 第一系数

第二系数b＝ε_i-1，第三系数c＝(1-P)ε_r+P-ε； 若v_w>v_t，则土壤含水量

进一步的，步骤S2)中，建立不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号 穿透深度计算模型，根据不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深 度计算模型计算不同观测条件下的穿透深度，包括如下步骤：

S21)利用步骤S15)中土壤混合介电常数模型计算不同观测频率的土壤介电 常数；

S22)利用不同观测频率的土壤介电常数计算不同观测频率的穿透深度

V表示光速，ε′和ε″分别表示步骤S21)计算得到的土壤介电 常数的实部和虚部；

S23)计算不同观测角度下电磁波在空气与土壤两种介质中的透射角τ，所述 透射角

θ表示观测角度；

S24)计算不同观测角度下土壤层垂直方向的穿透深度d，所述穿透深度 d＝η·cosτ。

进一步的，在步骤S3)中，利用不同通道的土壤水分以及不同观测条件下的 穿透深度计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量，获得土壤水分剖面 信息，包括如下步骤：

S31)将不同观测条件下的穿透深度按照由小到大进行排序，得到N组穿透深 度和土壤水分数据，N组穿透深度和土壤水分数据分别为(d₁，v₁)、(d₂，v₂)、…、 (d_N，v_N)，其中d表示穿透深度，v表示土壤水分，下标1、2、…、N分别表示 不同深度层编号，υ₁表示d₁厚度土壤层的土壤水分；

S32)计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量

v_j-1,j表示深度为d_j-1至d_j的土壤层的土壤水分含量，j取值为2至N。

本发明的有益效果是：本发明利用微波辐射传输模型建立了单通道微波辐 射数据反演土壤水分算法，反演得到单通道对应的土壤水分，通过不同频率、 不同角度的微波辐射信号穿透深度计算模型得到不同观测条件下的穿透深度， 利用不同通道反演的土壤水分及对应的穿透深度计算土壤垂直剖面不同深度层 的土壤水分，获得土壤水分剖面信息。本发明充分利用了被动微波遥感不同频 率和不同角度的观测信息，根据不同观测通道的微波辐射信号对地表的穿透能 力不同的特点，反演了土壤垂直剖面不同深度的土壤水分，进一步挖掘了被动 微波遥感数据在土壤水分反演工作中的应用潜力，有助于提高不同深度的被动 微波遥感土壤水分产品在陆面过程模式和全球变化研究中的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用 的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例一提供的多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方 法流程示意图。

图2是本实施例一提供的土壤水分剖面计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，本发明的说明书和权利要 求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于 覆盖不排他的包含，以便一系列单元的过程、方法、***、产品或设备不必限 于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设 备固有的其他单元。

实施例一，一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，包括 以下步骤：

S1)利用微波辐射传输模型建立单通道微波辐射数据反演土壤水分算法， 根据所述单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出不同通道的土壤水 分，包括如下步骤：

S11)获取裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)，θ表示观测角度，f表示观 测频率；本实例中获取波段为L波段(1.4GHz)、C波段(6.925GHz)、X波段 (10.65GHz)、和ka波段(36.5GHz)，观测角度为30度至60度，间隔10度。

S12)获取地表温度T，根据裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)和地表温 度T计算粗糙地表发射率E(f,θ)，粗糙地表发射率

根据粗糙地表 发射率E(f,θ)计算粗糙地表反射率R(f,θ)，粗糙地表反射率R(f,θ)＝1-E(f,θ)； 粗糙地表发射率E(f,θ)与粗糙地表反射率R(f,θ)之和为1，即E(f,θ)+R(f,θ)＝1； 本实例中，利用ka波段(36.5GHz)V极化亮温计算地表温度，表示为： T＝1.11·TB(36.5)-15.2。

S13)根据粗糙地表反射率R(f,θ)建立粗糙地表微波辐射模型，粗糙地表微波 辐射模型为R(f,θ)＝r(f,θ)·e^-h·cosθ，根据粗糙地表微波辐射模型计算光滑地表 反射率r(f,θ)，e为自然常数，e取值约为2.71828。h为粗糙度参数，本实例中对 不同波段取值不同，L波段取值为0.15，C波段取值为0.11，X波段取值为0.1。

S14)建立土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式

根据土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式计算 土壤介电常数

S15)利用土壤混合介电常数模型建立土壤水分与土壤介电常数的关系式

v_w表示土壤含水量；P表示土壤孔隙度，土壤孔隙度为容重与土壤固态物质密度的 比值；ε_a和ε_r分别为空气介电常数和土壤颗粒介电常数；下标a、s、i、w分别 表示土壤中的组成物质对应的空气、土壤颗粒、冰和水，本实施例中，空气介 电常数实部取1，虚部取0；土壤颗粒介电常数实部取4.9，虚部取0；冰的介 电常数实部在3.2左右，虚部取0.1；水的介电常数与温度和频率有关，水的介 电常数

ε_inf表示介电常数参数，ε_inf取值为4.9，ε_w0和∈分 别表示与温度有关的第一参数和第二参数，第一参数ε_w0＝88.045-0.4147·T+6.295·10^-4·T²+1.075·10^-5·T³，第二参数∈＝1.1109·10^-10-3.824· 10^-12·T+6.938·10^-14·T²-5.096·10^-16·T³，v_t表示过渡含水量，γ为经验 参数，两个参数均由土壤质地确定，过渡含水量v_t＝0.49·(0.06774- 0.00064sand+0.00478clay)+0.165，经验参数γ＝-0.57·(0.06774- 0.00064sand+0.00478clay)+0.481，sand和clay分别表示土壤砂粒含量和粘 粒含量；本实例中取sand＝25％，clay＝18％。

S16)根据土壤水分与土壤介电常数的关系式求解土壤含水量，若v_w≤v_t， 则土壤含水量

a、b、c分别为第一系数、第二系数和第三系数， 所述第一系数

第二系数b＝ε_i-1，第三系数c＝(1-P)ε_r+ P-ε；若v_w>v_t，则土壤含水量

S2)建立不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型， 根据所述不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型计算 不同观测条件下的穿透深度，包括以下步骤：

S21)利用步骤S15)中土壤混合介电常数模型计算不同观测频率的土壤介电 常数；

S22)利用不同观测频率的土壤介电常数计算不同观测频率的穿透深度

V表示光速，ε′和ε″分别表示步骤S21)计算得到的土壤介电 常数的实部和虚部；

S23)计算不同观测角度下电磁波在空气与土壤两种介质中的透射角τ，所述 透射角

θ表示观测角度；

S24)计算不同观测角度下土壤层垂直方向的穿透深度d，穿透深度 d＝η·cosτ。

S3)利用不同通道的土壤水分以及不同观测条件下的穿透深度计算土壤垂 直剖面上不同深度层的土壤水分含量，获得土壤水分剖面信息，如图2所示， 包括如下步骤：

S31)同等土壤条件下，不同观测频率对土壤的穿透能力不同，一般情况下， 频率越低穿透能力越强。将不同观测条件下的穿透深度按照由小到大进行排序， 得到N组穿透深度和土壤水分数据，N组穿透深度和土壤水分数据分别为(d₁，v₁)、 (d₂，v₂)、…、(d_N，v_N)，其中d表示穿透深度，v表示土壤水分，下标1、2、…、 N分别表示不同深度层编号，υ₁表示d₁厚度土壤层的土壤水分，即最浅层的土壤 水分含量。本实例中计算了3个波段、4个角度，共12组数据，即N＝12。

S32)计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量

v_j-1,j表示深度为d_j-1至d_j的土壤层的土壤水分含量，j取值为2至N。

随着被动微波遥感传感器技术的发展，观测频率涵盖了L波段(约1.4GHz) 至Ka波段(36.5GHz)，观测角度涵盖了0度至60度，因此提供了多频率、多 角度的观测信息。由于不同频率的电磁波对土壤的穿透能力不同，本发明实施 例充分利用被动微波遥感不同频率和不同角度的观测信息，根据不同观测通道 的微波辐射信号对地表的穿透能力不同的特点，获取土壤垂直剖面不同深度的 土壤水分，进而提高不同深度的被动微波遥感土壤水分产品在陆面过程模式和 全球变化研究中的适用性。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明利用微波辐射传输模型建立了单通道微波辐射数据反演土壤水分算 法，反演得到单通道对应的土壤水分，通过不同频率、不同角度的微波辐射信 号穿透深度计算模型得到不同观测条件下的穿透深度，利用不同通道反演的土 壤水分及对应的穿透深度计算土壤垂直剖面不同深度层的土壤水分，获得土壤 水分剖面信息。本发明充分利用了被动微波遥感不同频率和不同角度的观测信 息，根据不同观测通道的微波辐射信号对地表的穿透能力不同的特点，反演了 土壤垂直剖面不同深度的土壤水分，进一步挖掘了被动微波遥感数据在土壤水 分反演工作中的应用潜力，有助于提高不同深度的被动微波遥感土壤水分产品 在陆面过程模式和全球变化研究中的适用性。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1)利用微波辐射传输模型建立单通道微波辐射数据反演土壤水分算法，根据所述单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出不同通道的土壤水分；

S2)建立不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型，根据所述不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型计算不同观测条件下的穿透深度；

S3)利用所述不同通道的土壤水分以及所述不同观测条件下的穿透深度计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量，获得土壤水分剖面信息。

2.根据权利要求1所述的多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，其特征在于，在步骤S1)中，利用微波辐射传输模型建立单通道微波辐射数据反演土壤水分算法，根据所述单通道微波辐射数据反演土壤水分算法分别反演出不同通道的土壤水分，包括如下步骤：

S11)获取裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)，θ表示观测角度，f表示观测频率；

S12)获取地表温度T，根据所述裸露土壤的H极化微波辐射亮温TB(f,θ)和所述地表温度T计算粗糙地表发射率E(f,θ)，所述粗糙地表发射率

根据所述粗糙地表发射率E(f,θ)计算粗糙地表反射率R(f,θ)，所述粗糙地表反射率R(f,θ)＝1-E(f,θ)；

S13)根据所述粗糙地表反射率R(f,θ)建立粗糙地表微波辐射模型，所述粗糙地表微波辐射模型为R(f,θ)＝r(f,θ)·e^-h·cosθ，根据所述粗糙地表微波辐射模型计算光滑地表反射率r(f,θ)，h为粗糙度参数，e为自然常数；

S14)建立土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式

根据所述土壤介电常数ε与光滑地表反射率r(f,θ)之间的关系式计算土壤介电常数

S15)利用土壤混合介电常数模型建立土壤水分与土壤介电常数的关系式

v_w表示土壤含水量；P表示土壤孔隙度，所述土壤孔隙度为容重与土壤固态物质密度的比值；ε_a和ε_r分别为空气介电常数和土壤颗粒介电常数；下标a、s、i、w分别表示土壤中的组成物质对应的空气、土壤颗粒、冰和水，水的介电常数

ε_inf表示介电常数参数，ε_w0和∈分别表示与温度有关的第一参数和第二参数，所述第一参数ε_w0＝88.045-0.4147·T+6.295·10^-4.T²+1.075·10^-5·T³，所述第二参数∈＝1.1109·10^-10-3.824·10^-12·T+6.938·10^-14·T²-5.096·10^-16·T³，v_t表示过渡含水量，γ为经验参数，过渡含水量v_t＝0.49·(0.06774-0.00064sand+0.00478clay)+0.165，所述经验参数γ＝-0.57·(0.06774-0.00064sand+0.00478clay)+0.481，sand和clay分别表示土壤砂粒含量和粘粒含量；

S16)根据土壤水分与土壤介电常数的关系式求解土壤含水量，若v_w≤v_t，则土壤含水量

a、b、c分别为第一系数、第二系数和第三系数，所述第一系数

所述第二系数b＝ε_i-1，所述第三系数c＝(1-P)ε_r+P-ε；若v_w>v_t，则土壤含水量

3.根据权利要求2所述的多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，其特征在于，在步骤S2)中，建立不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型，根据所述不同观测频率、不同观测角度的微波辐射信号穿透深度计算模型计算不同观测条件下的穿透深度，包括如下步骤：

S21)利用步骤S15)中土壤混合介电常数模型计算不同观测频率的土壤介电常数；

S22)利用所述不同观测频率的土壤介电常数计算不同观测频率的穿透深度

V表示光速，ε′和ε″分别表示步骤S21)计算得到的土壤介电常数的实部和虚部；

S23)计算不同观测角度下电磁波在空气与土壤两种介质中的透射角τ，所述透射角

θ表示观测角度；

S24)计算不同观测角度下土壤层垂直方向的穿透深度d，所述穿透深度d＝η·cos。

4.根据权利要求3所述的多通道微波辐射数据反演裸露土壤水分剖面的方法，其特征在于，在步骤S3)中，利用所述不同通道的土壤水分以及所述不同观测条件下的穿透深度计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量，获得土壤水分剖面信息，包括如下步骤：

S31)将不同观测条件下的穿透深度按照由小到大进行排序，得到N组穿透深度和土壤水分数据，所述N组穿透深度和土壤水分数据分别为(d₁，v₁)、(d₂，v₂)、…、(d_N，v_N)，其中d表示穿透深度，v表示土壤水分，下标1、2、…、N分别表示不同深度层编号，v₁表示d₁厚度土壤层的土壤水分；

S32)计算土壤垂直剖面上不同深度层的土壤水分含量

v_j-1,j表示深度为d_j-1至d_j的土壤层的土壤水分含量，j取值为2至N。

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