本文主要研究内容
作者靳梦杰（2019）在《林下土壤水分微波遥感反演关键技术研究》一文中研究指出：土壤水分(Soil Moisture,SM)是陆地表面水循环过程的关键要素,控制着陆地与大气间水热能量交换,从而影响气候的变化。高精度的土壤水分数据,可直接应用于洪水和干旱等自然灾害的预警和监测。另外作为天气预报数值模型以及陆面水文模型的输入参数,土壤水分的精度直接影响着这些模型模拟结果的可靠性。森林是地球上规模最大、生态功能最完善的陆地生态系统,对地球系统中的水循环、碳循环、能量循环和生态平衡起着不可替代的作用,是地球生态系统最重要的维系者。森林覆盖下土壤水分变化,对气候变化具有重要的反馈作用。因此,森林生态系统的土壤水分实时动态监测对森林生态系统功能、全球环境变化、碳源-汇等研究至关重要。森林是具有明显垂直分层结构的复杂系统,尽管L波段电磁波能够穿透冠层,但林下植被(如灌木,草丛),覆盖在地表的枯枝落叶和粗糙度等会对削弱亮温对土壤水分的敏感性。另外微波与森林内部的不同尺寸,不同形状,不同含水量的各个散射体之间的相互作用也很复杂,对森林各层辐射能量的定量解耦造成了干扰。尽管物理模型能够解释森林与L波段电磁波的辐射与散射机制,但需要大量的输入参数和庞大的计算资源,因此限制了物理模型在地表参数卫星遥感业务化反演算法中的应用。目前广泛应用于地表参数业务化反演算法中的森林微波辐射参数化模型(如τ-ω模型)虽然形式简单,但由于未考虑植被层内的体散射贡献,不能完全解释森林内部的微波辐射传输过程,这就增强了森林覆盖下土壤水分反演的不确定性,进而导致微波遥感反演的森林下的土壤水分不能满足应用需求的问题。综上,利用微波遥感技术获取长时间序列、大空间尺度的高精度林下土壤水分的主要困难是由于对森林系统电磁波传播物理过程认识不足、不够合理的参数化和模型状态初始化等导致的。本研究基于这一背景展开,结合理论模型模拟和实验观测,加深对森林微波辐射传输特性的认识,建立森林透过率的参数化模型,以及通过对植被、粗糙度等参数和土壤介电模型的研究分别改进了SMOS和SMAP的土壤水分产品精度。论文的主要研究内容概括如下:(1)基于冬夏两季森林L波段多角度的地基微波辐射观测实验分析了东北典型的阔叶林和针叶林这两种森林的有效透过率t和有效反照率ω的极化特性和时变特性;分别基于森林L波段机载和地基微波遥感实验,对SMAP的t建模方法进行了验证。结果表明在L波段,两种森林的t有明显不同的极化效应,即对于阔叶林,观测透过率在h极化(th)高于v极化的(tv),而针叶林正好相反,即th低于tv。根据微波与不同结构散射体相互作用的物理机制,讨论了在L波段针、阔叶林不同极化特性的主要原因是这两种森林一级枝结构的差异。通过对比冬夏两季的实验数据,发现冬季森林的t要明显高于夏季的值,在v极化和h极化冬季t比夏季分别高0.239和0.289。然而ω的取值独立于观测角度、极化方式,也没有明显的季节性变化,即在土壤水分反演算法中将ω的取值设置为固定值是合理的,在该研究区,ω的平均值为0.15,高于SMOS采用的0.06~0.08和SMAP的0.05。SMAP中t的明显低于实验观测值,这说明SMAP对t的参数化方案不适用于森林区域。(2)基于对Tor Vergata模型的参数敏感性分析,针对阔叶林、针叶林这两种森林分别建立敏感变量与不同极化的t的定量参数化方程,并利用实验观测数据对上述参数化方程进行验证。结果表明在L波段树枝含水量最能描述森林t的变化规律,即树枝含水量是参数化L波段透过率的最佳变量。(3)基于地面SM传感器网络观测数据,对SMOS和SMAP纯森林像元的SM产品进行了真实性检验,并针对有机质的影响对其SM精度进行了改进。结果表明,两个卫星的林下土壤水分均低于地面观测值,其中对于SMAP AM和PM的土壤水分产品的均方根误差RMSE分别是0.16 cm~3/cm~3和0.17 cm~3/cm~3,虽然优于SMOS的0.30 cm~3/cm~3和0.31 cm~3/cm~3,但仍未满足其目标精度要求的0.04 cm~3/cm~3。考虑到卫星土壤水分产品的低估可能是受有机质的影响,利用考虑有机质影响的半经验模型Liu模型,分别基于SMOS迭代反演算法和SMAP单通道反演算法(SCA-V),重新进行了SM的反演,结果表明,Liu模型对于森林高有机质土壤有一定的适用性,且能有效的提高卫星反演的SM产品精度,对于SMAP AM和PM SM产品,其RMSE分别提高到0.07 cm~3/cm~3和0.05 cm~3/cm~3,对于SMOS AM和PM SM产品其精度分别提高了56%和45%。(4)定量分析了被动微波SM反演算法中的t和ω,以及Q-H模型中地表粗糙度参数H的不确定性对SM反演精度的影响,并对Q-H模型中的参数N_p(p=v,h)进行了标定。结果表明t和ω被低估时,会导致反演的SM被高估,而H被低估时,会导致反演的SM被低估。最后结合中国东北典型森林t和ω的极化特征和时变特征,地表粗糙度参数的标定结果,以及Liu土壤介电模型,对微波SM反演的各影响因素进行修正,从而改进了SMAP林下SM产品的反演精度,修正后的SMAP AM的SM产品,其RMSE为0.04 cm~3/cm~3,满足了目标精度要求。
Abstract
tu rang shui fen (Soil Moisture,SM)shi liu de biao mian shui xun huan guo cheng de guan jian yao su ,kong zhi zhao liu de yu da qi jian shui re neng liang jiao huan ,cong er ying xiang qi hou de bian hua 。gao jing du de tu rang shui fen shu ju ,ke zhi jie ying yong yu hong shui he gan han deng zi ran zai hai de yu jing he jian ce 。ling wai zuo wei tian qi yu bao shu zhi mo xing yi ji liu mian shui wen mo xing de shu ru can shu ,tu rang shui fen de jing du zhi jie ying xiang zhao zhe xie mo xing mo ni jie guo de ke kao xing 。sen lin shi de qiu shang gui mo zui da 、sheng tai gong neng zui wan shan de liu de sheng tai ji tong ,dui de qiu ji tong zhong de shui xun huan 、tan xun huan 、neng liang xun huan he sheng tai ping heng qi zhao bu ke ti dai de zuo yong ,shi de qiu sheng tai ji tong zui chong yao de wei ji zhe 。sen lin fu gai xia tu rang shui fen bian hua ,dui qi hou bian hua ju you chong yao de fan kui zuo yong 。yin ci ,sen lin sheng tai ji tong de tu rang shui fen shi shi dong tai jian ce dui sen lin sheng tai ji tong gong neng 、quan qiu huan jing bian hua 、tan yuan -hui deng yan jiu zhi guan chong yao 。sen lin shi ju you ming xian chui zhi fen ceng jie gou de fu za ji tong ,jin guan Lbo duan dian ci bo neng gou chuan tou guan ceng ,dan lin xia zhi bei (ru guan mu ,cao cong ),fu gai zai de biao de ku zhi la xie he cu cao du deng hui dui xiao ruo liang wen dui tu rang shui fen de min gan xing 。ling wai wei bo yu sen lin nei bu de bu tong che cun ,bu tong xing zhuang ,bu tong han shui liang de ge ge san she ti zhi jian de xiang hu zuo yong ye hen fu za ,dui sen lin ge ceng fu she neng liang de ding liang jie ou zao cheng le gan rao 。jin guan wu li mo xing neng gou jie shi sen lin yu Lbo duan dian ci bo de fu she yu san she ji zhi ,dan xu yao da liang de shu ru can shu he pang da de ji suan zi yuan ,yin ci xian zhi le wu li mo xing zai de biao can shu wei xing yao gan ye wu hua fan yan suan fa zhong de ying yong 。mu qian an fan ying yong yu de biao can shu ye wu 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zhi bei 、cu cao du deng can shu he tu rang jie dian mo xing de yan jiu fen bie gai jin le SMOShe SMAPde tu rang shui fen chan pin jing du 。lun wen de zhu yao yan jiu nei rong gai gua ru xia :(1)ji yu dong xia liang ji sen lin Lbo duan duo jiao du de de ji wei bo fu she guan ce shi yan fen xi le dong bei dian xing de kuo xie lin he zhen xie lin zhe liang chong sen lin de you xiao tou guo lv the you xiao fan zhao lv ωde ji hua te xing he shi bian te xing ;fen bie ji yu sen lin Lbo duan ji zai he de ji wei bo yao gan shi yan ,dui SMAPde tjian mo fang fa jin hang le yan zheng 。jie guo biao ming zai Lbo duan ,liang chong sen lin de tyou ming xian bu tong de ji hua xiao ying ,ji dui yu kuo xie lin ,guan ce tou guo lv zai hji hua (th)gao yu vji hua de (tv),er zhen xie lin zheng hao xiang fan ,ji thdi yu tv。gen ju wei bo yu bu tong jie gou san she ti xiang hu zuo yong de wu li ji zhi ,tao lun le zai Lbo duan zhen 、kuo xie lin bu tong ji hua te xing de zhu yao yuan yin shi zhe liang chong sen 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shui liang zui neng miao shu sen lin tde bian hua gui lv ,ji shu zhi han shui liang shi can shu hua Lbo duan tou guo lv de zui jia bian liang 。(3)ji yu de mian SMchuan gan qi wang lao guan ce shu ju ,dui SMOShe SMAPchun sen lin xiang yuan de SMchan pin jin hang le zhen shi xing jian yan ,bing zhen dui you ji zhi de ying xiang dui ji SMjing du jin hang le gai jin 。jie guo biao ming ,liang ge wei xing de lin xia tu rang shui fen jun di yu de mian guan ce zhi ,ji zhong dui yu SMAP AMhe PMde tu rang shui fen chan pin de jun fang gen wu cha RMSEfen bie shi 0.16 cm~3/cm~3he 0.17 cm~3/cm~3,sui ran you yu SMOSde 0.30 cm~3/cm~3he 0.31 cm~3/cm~3,dan reng wei man zu ji mu biao jing du yao qiu de 0.04 cm~3/cm~3。kao lv dao wei xing tu rang shui fen chan pin de di gu ke neng shi shou you ji zhi de ying xiang ,li yong kao lv you ji zhi ying xiang de ban jing yan mo xing Liumo xing ,fen bie ji yu SMOSdie dai fan yan suan fa he SMAPchan tong dao fan yan suan fa (SCA-V),chong xin jin hang le SMde fan 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fan yan jing du ,xiu zheng hou de SMAP AMde SMchan pin ,ji RMSEwei 0.04 cm~3/cm~3,man zu le mu biao jing du yao qiu 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)的靳梦杰，发表于刊物中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)2019-10-08论文，是一篇关于被动微波论文,土壤水分论文,波段论文,森林论文,透过率论文,中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)2019-10-08论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)2019-10-08论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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