用于单频单极化星载GNSS-R的土壤水分反演方法及其应用

本发明涉及一种土壤水分反演方法，具体涉及一种用于单频单极化星载gnss-r的土壤水分反演方法及其应用。

背景技术：

1、gnss-r技术是利用导航卫星(gnss)的反射信号对地物参数进行遥感的新方法。其应用领域涉及海洋表面，比如利用gnss-r进行海面风场、有效波高、风速的研究。gnss-r在陆地表面的应用相对滞后，利用其散射计模式可以进行土壤水分、植被生物量、地表冻融和湿地的相关监测研究。其中利用星载gnss-r数据进行土壤水分监测是目前应用较多的领域。

2、目前利用星载gnss-r进行土壤湿度反演的方法主要包括：空间平均法和机器学习预测两大类。其中，空间平均法认为格网反射率变化和土壤湿度变化之间存在很强的相关性，并且认为地表植被、地形和地表粗糙度的时间变化尺度远小于地表土壤湿度的时间变化尺度，时空平均的格网有效反射率的期望将包含植被、地表地形和粗糙度的共同影响。目前的反演方法，在网格内将植被和地表粗糙度信息进行平均，忽略了网格内角度对其的影响，同时将网格内的角度信息一般归一化到35°。这种方法严重忽略了每个网格内的角度信息，无法捕捉到网格内的植被和粗糙度信息，限制并影响了最终的反演结果。目前针对星载gnss-r，现在使用的机器学习的算法，缺乏对物理机理的支撑，物理意义不明确，限制了对有效数据的挖掘。

3、因此，急需一种新的用于单频单极化星载gnss-r的土壤水分反演方法，来捕捉到网格内的植被和粗糙度信息，进而提高土壤水分反演结果的准确性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于单频单极化星载gnss-r的土壤水分反演方法，以提高土壤水分反演结果的准确性。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种用于单频单极化星载gnss-r的土壤水分反演方法，包括：

3、s1：获取gnss-r的有效反射率；

4、s2：将gnss-r的镜像入射角进行细化，并将步骤s1的gnss-r的有效反射率根据经过细化的镜像入射角进行分组，得到不同镜像入射角下的有效反射率；

5、s3：确定土地的类型；

6、s4：在土地的类型是裸土时，执行裸土类型的土壤水分反演方法以得到去除粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数；在土地的类型是单一的且包含植被时，执行植被类型的土壤水分反演方法以得到去除植被和粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数；

7、s5：利用介电常数模型得到纯净的菲尼尔反射系数的理论值，并建立纯净的菲尼尔反射系数的理论值与土壤水分的对应关系数据库，随后利用步骤s4中的纯净的菲尼尔反射系数在所述对应关系数据库中查找到相应的土壤水分；

8、s6：将所有的镜像入射角下的土壤水分汇总，得到最终的对应的土地类型的土壤水分。

9、所述土地的类型包括裸土和多种植被类型，所述步骤s3具体包括：利用igbp的土地利用分类图得到裸土区域、和各个植被类型的区域的分布情况，以得到不同区域的土地的类型；

10、在所述步骤s4中，针对裸土类型的土地区域，执行裸土类型的土壤水分反演方法以得到去除粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数；针对每一种植被类型的土地区域，分别将一套独立植被类型的土壤水分反演方法作为该植被类型的土壤水分反演方法来分别执行，以得到去除植被和粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数。

11、所述土地的类型包括低矮植被和高大森林；或者，所述土地的类型包括农作物、灌木林和白桦林。

12、在所述步骤s4中，裸土类型的土壤水分反演方法包括：

13、s41：根据smap或者smos的地表粗糙度系数s结合gnss-r获取的与粗糙度相关的数据，利用有效反射率的理论模型回归计算得到gnss-r的粗糙度校正系数c，并得到相应的gnss-r的粗糙度系数；

14、s42：将不同镜像入射角下的有效反射率与相应的gnss-r的粗糙度系数相除，获取去掉粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数。

15、在所述步骤s41中，gnss-r获取的与粗糙度相关的数据包括：裸土的有效反射率srsoil、gnss-r的镜像入射角θ和不同θ下的菲尼尔反射系数模的平方裸土的有效反射率srsoil的值等于裸土区域处的不同镜像入射角下的有效反射率；在所述步骤s41中，基于如下公式回归计算得到gnss-r的粗糙度校正系数c：

16、

17、其中，srsoil是裸土的有效反射率；θ是gnss-r的镜像入射角，是不同θ下的菲尼尔反射系数模的平方；c是粗糙度校正系数；s是smap或者smos中的地表粗糙度系数；

18、所述gnss-r的粗糙度系数为粗糙度校正系数c与smap或者smos中的地表粗糙度系数s的乘积。

19、所述植被类型的土壤水分反演方法包括：根据smap或者smos的植被水分含量vwc结合gnss-r获取的与植被相关的数据，利用有效反射率的理论模型来回归得到菲尼尔反射系数的校正系数；利用菲尼尔反射系数的校正系数来获取去掉植被和粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数。

20、所述植被类型的土壤水分反演方法具体包括：

21、s41’：根据smap或者smos的植被水分含量vwc结合gnss-r获取的与植被相关的数据，利用有效反射率的理论模型回归计算得到gnss-r的植被密度校正系数a、双向传播路径校正系数b和粗糙度校正系数c；

22、s42’：根据植被密度校正系数a、双向传播路径校正系数b和粗糙度校正系数c获取植被的双层衰减γ2和不同镜像入射角下的有效反射率的植被体散射项srveg；

23、s43’：根据不同镜像入射角下的有效反射率、相应的植被的双层衰减γ2和植被体散射项srveg，获取去掉植被和粗糙度影响的纯净的菲尼尔反射系数。

24、gnss-r获取的与植被相关的数据包括：不同镜像入射角下的有效反射率sr、gnss-r的镜像入射角θ和不同镜像入射角θ下的菲尼尔反射系数模的平方

25、基于如下公式回归计算得到gnss-r的植被密度校正系数a、双向传播路径校正系数b和粗糙度校正系数c：

26、

27、γ2＝exp(b×(-2×vwc×csc(θ)))，

28、其中，γ2为植被的双层衰减，sr是不同镜像入射角下的有效反射率；θ是gnss-r的镜像入射角，是不同θ下的菲尼尔反射系数模的平方，vwc为smap或者smos的植被水分含量；a是植被密度校正系数，b是双向传播路径校正系数，c是粗糙度校正系数。

29、另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序在计算机中执行时，令计算机执行如上文所述的用于单频单极化星载gnss-r的土壤水分反演方法。

30、本发明的于星载gnss-r的土壤水分反演方法将土地分类，并逐网格地去除粗糙度和植被对菲尼尔反射系数的影响，使得得到的土壤水分反演结果能够满足业务化应用。此外，本发明通过获取植被密度校正系数、双向传播路径校正系数和粗糙度校正系数，可以在物理意义明确的基础上有效去除地表粗糙度和植被的影响。