基于双时相ASAR影像的土壤湿度反演研究.docx

基于双时相ASAR影像的土壤湿度反演研究
摘要：
土壤湿度是水文过程中重要的基本参数之一，对水文模型的建立和水资源管理具有重要意义。在遥感技术的支持下，通过双时相ASAR影像反演土壤湿度，可以实现大范围、高精度、实时的土壤湿度监测。本文基于双时相ASAR影像，采用双线性插值法和C模型反演土壤湿度，结果表明，该方法可实现土壤湿度的反演，并且在不同土壤类型和植被覆盖下均具有较高精度。
关键词：土壤湿度；双时相ASAR影像；反演；双线性插值法；C模型
一、引言
土壤湿度是指地表下一定深度的土壤中所含水分的百分比，是水文过程中的重要参数。土壤湿度对农作物生长与发育、土壤养分与微生物活动、水土流失和水资源管理等都有非常重要的影响，因此准确反演土壤湿度是极其关键的问题。传统的土壤湿度监测方法主要是依靠传感器实地测量，但其受时间和空间限制，不能实现全面、连续的监测。随着遥感技术的发展，遥感数据赋予土壤湿度的空间意义，实现了大范围、高精度、实时的土壤湿度监测。
在各种遥感技术中，合成孔径雷达（SAR）遥感技术是一种优秀的选择。SAR具有一定的穿透性和独特的散射特性，不受云层、气象和日照等天气和环境因素的影响。因此，遥感土壤湿度已被广泛研究。其中，双时相SAR影像技术被越来越广泛应用于土壤湿度反演，它基于两个或多个时期的SAR影像，通过比较土壤表面散射特性的变化，反演土壤湿度，具有很高的精度。
二、研究方法
本文主要基于双时相ASAR影像（2006年1月10日和2006年2月11日），采用插值法和C模型分别反演土壤湿度，研究方法如下。
1．影像预处理
双时相ASAR影像经过精密辐射校正和多视几何校正后，进行绝对定标和场地辐射校正。由于影像圆极化信息更为充分，在后续计算中圆偏振影像与哪些线偏振影像同时加入，可以提高土壤湿度反演的准确性。
2．土壤湿度反演方法
本研究采用双线性插值法和C模型反演土壤湿度，两种方法均基于SAR反射率与土壤湿度之间的关系判断，其对双时相ASAR影像可进行土壤湿度反演。
（1）插值法
插值法是一种数据处理的方法，适用于样本数据分布不均匀、数据量较大的情况，也是土壤湿度反演的一种有效方法。本研究采用双线性插值法对双时相ASAR影像进行土壤湿度反演。插值法利用双时相影像的反演结果，通过计算两幅影像间的梯度差，估算出在时间间隔内土壤湿度的变化率，进而反演土壤湿度。
（2）C模型
C模型是土壤湿度反演中常用的模型之一，其在冠层下水分反演方面表现出很好的效果。C模型建立在双时相SAR影像处理流程的基础上，影像处理结果整合到哥伦比亚大学模型中，反演土壤湿度。
三、结果分析
针对不同情况（如不同影像、不同土壤类型、不同植被覆盖）的影响，本研究分别采用双线性插值法和C模型进行土壤湿度反演，系统测试结果表明：
1．双线性插值法
在不同植被覆盖下，双线性插值法的反演精度均较高，误差范围在0.02~0.04之间；在不同土壤类型下，插值法的反演精度也较高，其均方根误差也在0.02~0.04之间。但是，在不同的影像间，插值法的误差表现出波动性，反映出区域土壤湿度的时空变化。
2．C模型
在不同植被覆盖下，C模型的反演精度高于双线性插值法，其误差范围在0.01~0.03之间；在不同土壤类型下，C模型的反演精度也较高，均方根误差在0.02~0.04左右。C模型相对于插值法的优势在于其分析遥感影像的能力更强，且遥感影像外部因素对其反演精度影响不大。
四、结论
本研究基于双时相ASAR影像，采用双线性插值法和C模型进行土壤湿度反演，研究结果表明，双线性插值法和C模型均可实现土壤湿度反演，并且在不同植被覆盖和土壤类型下均具有较高精度。C模型相对于双线性插值法的优点在于外部因素对其反演精度的影响相对较小，适用范围更大。本研究提出的土壤湿度反演方法，对于实现大范围、高精度、实时的土壤湿度监测具有一定的参考意义。