专利名称：从amsr-e数据反演土壤水分方法
技术领域：
本发明涉及一种利用对地观测卫星上被动微波传感器AMSR-E获得的地面热辐射 信息反演土壤水分的方法，该方法克服了以往反演方法中参数获取不同步和复杂难以实用 的缺点。能够应用在气象、农业、环境监测和旱情监测等遥感部门。
背景技术：
土壤水分是水文、气象、农业和环境灾害等研究中的一个重要参数。随着微波传 感器技术的发展、对地表微波辐射机理的深入理解及反演模型和算法的完善，被动微波遥 感监测土壤水分将会有越来越宽阔的应用前景。大尺度的土壤水分变化对于建立全球的 水循环模型很重要，进而可以预测气候变化和洪涝监测。传统的地面测量站网络不能满 足大尺度土壤水分的时间、空间变化研究的需要。而微波在土壤水分反演方面具有独特 的优势。可以说，通过被动微波遥感技术监测地表温度和土壤水分时空变化规律，将大大 提高和完善水文和气象模型的预报精度，并为农业生产和灾害监测提供准确的数据。目 前，被动微波遥感土壤水分反演仍然是当前的一个研究热点和难点。虽然L(1.4GHz)波 段已经被证明非常适合于反演土壤水分，但植被仍然是土壤水分反演中最大的难题。目 前存在三个主要的问题第一，低频的数据分辨率很低；第二以往的被动微波数据没 有L波段的数据，而我们需要了解过去土壤水分的变化情况；第三虽然L波段能穿透 植被获得较多的地表信息，但它仍然受植被的影响。许多小尺度的地面和航空实验已经 进行并且许多模型和算法提出来了 [ Matzler C.，Seasonal evolution for microwave radiation from an oat field, Remote Sensing ofEnvironment,1990,31,161-173 ； Griend A. A. van de,Owe Μ. , Ruiter J. d. ,Gouweleeuw B. Τ. , Measurement and behavior of dual-polarization vegetation opticaldepth and single scattering albedo at 1. 4 and 5 GHz microwave frequencies, IEEETrans. Geosci. Remote Sensing,1996,34, 957-965 ；Wigneron J. P. ， Parde Μ. ， Waldteufel P. ， Chanzy Α. ， Kerr Y. ， Schmidl S.， Skou N. ， Characterizing thedependence of vegeation model parameters on crop structure, incidence angle, andpolarization at L—band, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 2004,42,416-425 ；Mike Schwank, Christian Matzler., Massimo Guglielmetti, Hannes Fliihler,L-bandradiometer measurements of soil water under growing clover grass, IEEETrans. Geosci. Remote Sensing，2005，43，2225-2237.]，但还没有一个被证明 在大尺度(星上)非常的实用。AMSR是改进型多频率、双极化的被动微波辐射计。2001年AMSR搭载在日本的对 地观测卫星ADEOS-II上升空。AMSR-E微波辐射计是在AMSR传感器的基础上改进设计的， 它搭载在美国NASA对地观测卫星Aqua于2002年发射升空。AMSR和AMSR-E这两个传感 器的仪器参数基本一致。最大区别在于AMSR是在上午10:30左右穿过赤道，而AMSR-E则 是在下午1:30左右。这两个传感器的参数基本相同，AMSR-E辐射计在6. 9-89GHz范围内 的6个频率，以双极化方式12个通道的微波辐射计。主要仪器参数如表 所示[毛克彪，覃志豪，李满春，徐斌，AMSR被动微波数据介绍及主要应用研究领域分析，遥感信息.2005， 3，63-66. ] οAMSR-E通过测量来自地球表面的微波辐射来研究全球范围的水循环变化。在水文 应用研究中，为了取得两个将雨事件前后的土壤水分含量变化，频繁地获得研究区的数据 是非常重要的。卫星的时间分辨率主要取决于刈宽度、卫星高度和倾角。对于AMSR而言，除 了极地地区外，在不到两天的时间内，在升轨和降轨都可以将全球覆盖一次。
图1是AMSR-E 降轨的亮度温度合成图[AMSR-ETeam Leader Science Computing Facility Science Software,2004. 8. AMSR-EBrowse&Quick look image (NASA) :1_69]。从图 1 中可以看出，在 高纬度和低纬度地区，数据覆盖比较区。在中纬度地区，由于受地球形状的影响，相对低纬 度和高纬度地区覆盖的周期可能相对要长。具体地说，在降轨时，AMSR-E基本是两天覆盖 一次，有的地方是一天或者三天。但在纬度55°以上的地区是一天覆盖一次。表1 AMSR-E的主要仪器参数特征
权利要求
从AMSR E数据反演土壤水分方法，其步骤为第一步是利用理论模型模拟地表上绝大数的情况并建立数据库，利用模拟的数据库，进一步分析微波极化指数与土壤水分的关系，10.7GHz和18.7GHz V极化极化指数计算公式如式1。
<mrow><msub> <mi>NDE</mi> <mrow><mn>18.7</mn><mi>GHz</mi><mo>-</mo><mn>10.7</mn><mi>GHz</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>18.7</mn><mi>V</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>10.7</mn><mi>V</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>18.7</mn><mi>V</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><msub> <mi>T</mi> <mrow><mn>10.7</mn><mi>V</mi> </mrow></msub> </mrow></mfrac> </mrow>(式1)第二步，利用第一步中模拟的数据建立土壤水分与NDE18.7GHz 10.7GHz的关系，得到式2； <mrow><mi>SM</mi><mo>=</mo><mn>0.33</mn><mo>+</mo><mn>10.99947</mn><mo>*</mo><msub> <mi>NDE</mi> <mrow><mn>18.7</mn><mi>GHz</mi><mo>-</mo><mn>10.7</mn><mi>GHZ</mi> </mrow></msub><mo>+</mo><mn>563.80628</mn><msubsup> <mi>NDE</mi> <mrow><mn>18.7</mn><mi>GHz</mi><mo>-</mo><mn>10.7</mn><mi>GHz</mi> </mrow> <mn>2</mn></msubsup> </mrow>(式2)第三，用式1和式2从被动微波数据AMSR E计算土壤水分，并进行实地分析，适当修正已提高精度。
全文摘要
本发明涉及一种从AMSR-E数据反演土壤水分的方法，能够应用在气象、环境监测、土地管理、旱情和作物长势监测、以及灾害监测等遥感应用部门。该方法，包含四个步骤第一步是利用理论模型模拟地表上绝大数的情况并建立数据库；第二，利用模拟数据库构建反演算法；第三，对被动微波数据AMSR-E进行反演计算；第四，利用气象部门观测数据进行适当评价分析和修正，从而提高算法的精度和适用性。可以用于气象预报、环境监测、农情监测和灾情监测等部门。我国的风云三号卫星搭载的微波辐射频率设置与AMSR-E基本相似，可以通过修正应用到风云三号和将来我国发射的微波辐射计上。
文档编号G01N22/04GK101936921SQ20101011798
公开日2011年1月5日 申请日期2010年3月5日 优先权日2010年3月5日
发明者卫炜, 宋亮, 毛克彪, 王建明, 邹金秋, 郭同军, 高春雨, 黄青 申请人:中国农业科学院农业资源与农业区划研究所;航天恒星科技有限公司