微波遥感技术监测土壤湿度的研究_赵少华
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Key words: Radar, M icrowave, Vegetation, Roughness
引 言
作为最重要的地表特征参数之一 ,土壤湿度是 影响全球环境和气候变化的重要因素 ,直接控制着 地表与大气间水热的输送和平衡 。现代遥感技术 ,
特别是受天气条件影响较弱的微波遥感技术 ,是探 测土壤湿度空间分布的主要手段 。
微波 (波长在 1mm ～1m 之间 ) 遥感是指通过 微波传感器获取从目标地物发射或散射的电磁辐 射 ,达到识别目标或定量反演物理参数 、解算几何坐
3 收稿日期 : 2009204229 基金 项 目 : 气 象 行 业 科 研 经 费 专 项 ( GYHY200806022 ) ; 国 家 “863 ”高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 2008AA121806, 2009AA12Z128) ;中国博士后科学基金 (20090450223)
第 26卷第 2期 2010年 4月
微 波
JOURNAL OF
学 报
M ICROWAVES
V oAl. p2r.6
No. 2 2010
文章编号 : 100526122 (2010) 0220090207
微波遥感技术监测土壤湿度的研究3
达 ,发射一束窄脉冲 (微波波束 )投射于地物表面 ,由 雷达天线收集其反射的回波信号经处理后获取地物 后向散射信息 (后向散射系数 σ或归一化散射截面 σ°) ,据此提取与分析目标物体特性或参数的有关遥 感技术。通常雷达天线越长 ,对地物的观测分辨率就 越高 ,但受天线长度的限制 , RAR (真实孔径雷达 )的 地表分辨率往往很低 ,难以满足应用要求 ,而 SAR (合 成孔径雷达 )正是解决了利用有限的天线长度的等效 合成天线来获取高分辨率图像的问题 ,因此 SAR 更 常用。雷达的后向散射除了和土壤水分有关 ,也受到 植被覆盖、土壤表面粗糙度等多种因素的影响 ,例如 植被冠层中散射体的尺度大小及几何分布 、植被的行 向和间距、郁闭度等会改变裸露土壤的散射特性 ;同 时植被本身所含水分影响经过冠层的微波信号 。同 一土壤表面 ,对于不同波长的微波来说 ,其粗糙程度 不同 ,对雷达回波信号的影响程度也不同 ,粗糙度的 影响在于改变了面积分中雷达波照射到的土壤表面 的几何特性 ,因此改变了土壤湿度监测的灵敏性。目 前常用的方法主要有散射模型法 、土壤湿度变化探测 法 、数据融合法等 [1 ] ,分别阐述如下 : 1. 1. 1 散射模型法
College of R esou rces S cience and Technology, B eijing N orm a l U n iversity, B eijing 100875, Ch ina)
Abstract: Soil moisture ( SM ) p lays an important role in global environment. The technique of m icrowave remote sensing (RS) has many advantages in monitoring the critical environmental parameters, its p rincip le based on the close rela2 tion between soil water content and soil dielectric constant. This paper states the advances of m icrowave RS on SM retrieval from active m icrowave and passive m icrowave RS algorithm , app lication and shortcom ing. The techniques of Synthetic Aper2 ture Radar ( SAR ) and Advanced M icrowave Scanning Radiometer (AM SR ) are introduced respectively as emphasis, which both have a w ide app lication. In active m icrowave RS, the p resent and future issues are in focus on how to decrease or get rid of the dependence of ground parameters measurements, how to decrease or elim inate the vegetation effects using available scatter models, and so on. In passive m icrowave RS, the research of model mechanism is lacking, more related studies need to be conducted, in combination w ith raditative transfer equation and wave analytic theory. In their combined fields, issues mainly concentrate on the scale transformation, data assim ilation, etc.
波段 Ka K Ku X
表 1 主要的微波波段
波长 / cm
波段 波长 / cm
0. 75～1. 1
C
3. 8～7. 5
1. 1～1. 67
S
7. 5～15
1. 67～2. 4
L
1来自百度文库～30
2. 4～3. 8
P
30～100
1 主动微波遥感
1. 1 主动微波遥感估算土壤湿度的算法 主动微波遥感是指利用搭载在遥感平台上的雷
2. N a tiona l D isaster R eduction Cen ter of the M in istry of C ivil A ffa irs / In terna tiona l Cen tre on D rough t R isk R eduction, B eijing 100053, Ch ina; 3. S ta te Key L abora tory of Ea rth S u rface P rocesses and R esou rce Ecology;
赵少华 1 秦其明 1 沈心一 1 王志强 2 邱国玉 3 随欣欣 1
(1. 北京大学遥感与地理信息系统研究所 ,北京 100871; 2. 民政部国家减灾中心 /国际减轻旱灾风险中心 ,北京 100053; 3. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室 ;北京师范大学资源学院 ,北京 100875)
散射模型的使用是为了考虑植被 、粗糙度和土
壤湿度对雷达 σ°的相互影响 ,一般把 σ°作为传感 器配置和地表条件的函数反演土壤湿度 。主要分为 经验 、半经验及理论模型 。经验模型主要来自试验 和统计理论 ,不过多局限于当时的地表条件和雷达 参数 。半经验模型是基于理论模型 ,结合遥感数据 确定模型参数 ,如 Oh等的裸土监测模型 , Shi模型 , 水云模型 (W ater C loud Model, WCM )等 [ 1 ] 。这类模 型基于一定的理论和统计基础 ,摆脱了理论模型的 复杂性 ,因此应用效果较好 ,是今后散射模型发展的 一个趋势 。还有一些模型基于严格的理论基础 ,如 监测裸土的 Kirchoff模型 (包括几何光学模型 ( Ge2 om etry Op ticsModel, GOM ) 和物理光学模型 ( Phys2 ical Op tics Model, POM ) ) 、小扰动模型 ( Sm all Per2 turbation Model, SPM ) 、积 分方 程模 型 ( Integral E2 quation Model, IEM ) 等面散射模型和监测植被区土 壤湿度的微波植被体散射模型 (M ichigan M icrowave Canopy Scattering model, M IM ICS ) , Karam 模 型 等 [ 2 ] 。 Kirchoff模型基于地表分段光滑的近似 , 因 此只适合变化相对平缓的表面 ;小扰动理论的模型 基于小方差表面的级数分解中低阶项能够快速收敛 假设 ,因此只适合于 h <λ稍微粗糙的地表 [ 3 ] 。这 些模型在自然地表的应用范围很窄 。 IEM 通过加入 针对 Kirchoff场的补偿场项导出了针对裸地地表 , 适用于广泛粗糙度范围的模型 [ 4 ] ,它的高低频极限 分别退化为 Kirchoff和小扰动模型 [ 5 ] ,因此成为应 用最广泛的后向散射模型 。后来的 A IEM 模型在去 掉一些 IEM 中对格林函数的近似并加入 Fresnel反 射系数的处理上做了改进 ,可更好地反演土壤湿度 。 M MI ICS模型是基于辐射传输方程一阶解的植被散射 模型 [2 ] ,是目前应用最为广泛的研究微波植被散射特 性的理论模型之一 ,但较复杂 。下面以常见农作物的 雷达后向散射机制为例描述散射过程 (图 1) 。
摘 要 : 土壤湿度在全球气候环境变化中具有重要的作用 ,微波遥感技术具有监测这一参数的诸多优势 。其 原理是基于土壤水分在一定范围内和土壤介电常数密切相关 。该文从主动微波遥感及被动微波遥感的算法 、应用 和存在问题等方面分别阐述了当前微波遥感在土壤湿度反演中的研究进展 ,其中重点介绍了应用较广泛的主动微 波遥感中的合成孔径雷达 ( SAR)和被动微波遥感中的高级微波扫描仪 (AM SR ) 。主动微波遥感中 ,如何减少或摆 脱对地面参数测定特别是粗糙度的依赖 、如何采用有效的植被散射模型去除植被影响等问题是未来关注的热点和 难点 。被动微波遥感中对模型的机理研究还很欠缺 ,需要结合辐射传输机理及波动论等加强对机理的探讨 。另外 主被动结合的微波遥感中 ,对尺度转换 、数据同化等技术的研究将是未来关注的重要方向 。
关键词 : 雷达 ,微波 ,植被 ,粗糙度
Rev iew of M icrowave Rem ote Sen sing on So il M o isture M on itor ing
ZHAO Shao2hua1 , Q IN Q i2m ing1 , SHEN X in2y i1 , W ANG Zh i2q iang2 , Q IU Guo2yu3 , SU I X in2x in1 ( 1. Institu te of R em ote sensing and Geog raph ic Inform a tion system , Pek ing U n iversity, B eijing 100871, Ch ina;
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 26卷第 2期
赵少华等 :微波遥感技术监测土壤湿度的研究
91
标的技术 。它不受光照 、气候条件限制 ,可全天时 、 全天候工作 ,能穿透云层 ,对植被和松散盖层具有一 定的穿透能力 ,并通过多极化 、干涉等技术获得更多 更精确信息 。在微波波段 ,土壤水分和介电常数密 切相关 ,介电常数不同 ,产生的微波归一化后向散射 截面亦不同 。常用的微波依据波长的分类见表 1, 其中监测土壤湿度的主要是穿透能力更强的长波波 段 ,如 X、C、S、L 波段等。按其工作方式可分为主动 和被动微波遥感 ,目前已有较多的关于微波遥感监测 土壤湿度的进展报道 ,但大多基于模型算法 ,对实际 应用中存在的问题和未来发展趋势探讨较少 ,下文分 别基于它们的算法 、应用和存在的问题给予介绍 。
引 言
作为最重要的地表特征参数之一 ,土壤湿度是 影响全球环境和气候变化的重要因素 ,直接控制着 地表与大气间水热的输送和平衡 。现代遥感技术 ,
特别是受天气条件影响较弱的微波遥感技术 ,是探 测土壤湿度空间分布的主要手段 。
微波 (波长在 1mm ～1m 之间 ) 遥感是指通过 微波传感器获取从目标地物发射或散射的电磁辐 射 ,达到识别目标或定量反演物理参数 、解算几何坐
3 收稿日期 : 2009204229 基金 项 目 : 气 象 行 业 科 研 经 费 专 项 ( GYHY200806022 ) ; 国 家 “863 ”高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 2008AA121806, 2009AA12Z128) ;中国博士后科学基金 (20090450223)
第 26卷第 2期 2010年 4月
微 波
JOURNAL OF
学 报
M ICROWAVES
V oAl. p2r.6
No. 2 2010
文章编号 : 100526122 (2010) 0220090207
微波遥感技术监测土壤湿度的研究3
达 ,发射一束窄脉冲 (微波波束 )投射于地物表面 ,由 雷达天线收集其反射的回波信号经处理后获取地物 后向散射信息 (后向散射系数 σ或归一化散射截面 σ°) ,据此提取与分析目标物体特性或参数的有关遥 感技术。通常雷达天线越长 ,对地物的观测分辨率就 越高 ,但受天线长度的限制 , RAR (真实孔径雷达 )的 地表分辨率往往很低 ,难以满足应用要求 ,而 SAR (合 成孔径雷达 )正是解决了利用有限的天线长度的等效 合成天线来获取高分辨率图像的问题 ,因此 SAR 更 常用。雷达的后向散射除了和土壤水分有关 ,也受到 植被覆盖、土壤表面粗糙度等多种因素的影响 ,例如 植被冠层中散射体的尺度大小及几何分布 、植被的行 向和间距、郁闭度等会改变裸露土壤的散射特性 ;同 时植被本身所含水分影响经过冠层的微波信号 。同 一土壤表面 ,对于不同波长的微波来说 ,其粗糙程度 不同 ,对雷达回波信号的影响程度也不同 ,粗糙度的 影响在于改变了面积分中雷达波照射到的土壤表面 的几何特性 ,因此改变了土壤湿度监测的灵敏性。目 前常用的方法主要有散射模型法 、土壤湿度变化探测 法 、数据融合法等 [1 ] ,分别阐述如下 : 1. 1. 1 散射模型法
College of R esou rces S cience and Technology, B eijing N orm a l U n iversity, B eijing 100875, Ch ina)
Abstract: Soil moisture ( SM ) p lays an important role in global environment. The technique of m icrowave remote sensing (RS) has many advantages in monitoring the critical environmental parameters, its p rincip le based on the close rela2 tion between soil water content and soil dielectric constant. This paper states the advances of m icrowave RS on SM retrieval from active m icrowave and passive m icrowave RS algorithm , app lication and shortcom ing. The techniques of Synthetic Aper2 ture Radar ( SAR ) and Advanced M icrowave Scanning Radiometer (AM SR ) are introduced respectively as emphasis, which both have a w ide app lication. In active m icrowave RS, the p resent and future issues are in focus on how to decrease or get rid of the dependence of ground parameters measurements, how to decrease or elim inate the vegetation effects using available scatter models, and so on. In passive m icrowave RS, the research of model mechanism is lacking, more related studies need to be conducted, in combination w ith raditative transfer equation and wave analytic theory. In their combined fields, issues mainly concentrate on the scale transformation, data assim ilation, etc.
波段 Ka K Ku X
表 1 主要的微波波段
波长 / cm
波段 波长 / cm
0. 75～1. 1
C
3. 8～7. 5
1. 1～1. 67
S
7. 5～15
1. 67～2. 4
L
1来自百度文库～30
2. 4～3. 8
P
30～100
1 主动微波遥感
1. 1 主动微波遥感估算土壤湿度的算法 主动微波遥感是指利用搭载在遥感平台上的雷
2. N a tiona l D isaster R eduction Cen ter of the M in istry of C ivil A ffa irs / In terna tiona l Cen tre on D rough t R isk R eduction, B eijing 100053, Ch ina; 3. S ta te Key L abora tory of Ea rth S u rface P rocesses and R esou rce Ecology;
赵少华 1 秦其明 1 沈心一 1 王志强 2 邱国玉 3 随欣欣 1
(1. 北京大学遥感与地理信息系统研究所 ,北京 100871; 2. 民政部国家减灾中心 /国际减轻旱灾风险中心 ,北京 100053; 3. 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室 ;北京师范大学资源学院 ,北京 100875)
散射模型的使用是为了考虑植被 、粗糙度和土
壤湿度对雷达 σ°的相互影响 ,一般把 σ°作为传感 器配置和地表条件的函数反演土壤湿度 。主要分为 经验 、半经验及理论模型 。经验模型主要来自试验 和统计理论 ,不过多局限于当时的地表条件和雷达 参数 。半经验模型是基于理论模型 ,结合遥感数据 确定模型参数 ,如 Oh等的裸土监测模型 , Shi模型 , 水云模型 (W ater C loud Model, WCM )等 [ 1 ] 。这类模 型基于一定的理论和统计基础 ,摆脱了理论模型的 复杂性 ,因此应用效果较好 ,是今后散射模型发展的 一个趋势 。还有一些模型基于严格的理论基础 ,如 监测裸土的 Kirchoff模型 (包括几何光学模型 ( Ge2 om etry Op ticsModel, GOM ) 和物理光学模型 ( Phys2 ical Op tics Model, POM ) ) 、小扰动模型 ( Sm all Per2 turbation Model, SPM ) 、积 分方 程模 型 ( Integral E2 quation Model, IEM ) 等面散射模型和监测植被区土 壤湿度的微波植被体散射模型 (M ichigan M icrowave Canopy Scattering model, M IM ICS ) , Karam 模 型 等 [ 2 ] 。 Kirchoff模型基于地表分段光滑的近似 , 因 此只适合变化相对平缓的表面 ;小扰动理论的模型 基于小方差表面的级数分解中低阶项能够快速收敛 假设 ,因此只适合于 h <λ稍微粗糙的地表 [ 3 ] 。这 些模型在自然地表的应用范围很窄 。 IEM 通过加入 针对 Kirchoff场的补偿场项导出了针对裸地地表 , 适用于广泛粗糙度范围的模型 [ 4 ] ,它的高低频极限 分别退化为 Kirchoff和小扰动模型 [ 5 ] ,因此成为应 用最广泛的后向散射模型 。后来的 A IEM 模型在去 掉一些 IEM 中对格林函数的近似并加入 Fresnel反 射系数的处理上做了改进 ,可更好地反演土壤湿度 。 M MI ICS模型是基于辐射传输方程一阶解的植被散射 模型 [2 ] ,是目前应用最为广泛的研究微波植被散射特 性的理论模型之一 ,但较复杂 。下面以常见农作物的 雷达后向散射机制为例描述散射过程 (图 1) 。
摘 要 : 土壤湿度在全球气候环境变化中具有重要的作用 ,微波遥感技术具有监测这一参数的诸多优势 。其 原理是基于土壤水分在一定范围内和土壤介电常数密切相关 。该文从主动微波遥感及被动微波遥感的算法 、应用 和存在问题等方面分别阐述了当前微波遥感在土壤湿度反演中的研究进展 ,其中重点介绍了应用较广泛的主动微 波遥感中的合成孔径雷达 ( SAR)和被动微波遥感中的高级微波扫描仪 (AM SR ) 。主动微波遥感中 ,如何减少或摆 脱对地面参数测定特别是粗糙度的依赖 、如何采用有效的植被散射模型去除植被影响等问题是未来关注的热点和 难点 。被动微波遥感中对模型的机理研究还很欠缺 ,需要结合辐射传输机理及波动论等加强对机理的探讨 。另外 主被动结合的微波遥感中 ,对尺度转换 、数据同化等技术的研究将是未来关注的重要方向 。
关键词 : 雷达 ,微波 ,植被 ,粗糙度
Rev iew of M icrowave Rem ote Sen sing on So il M o isture M on itor ing
ZHAO Shao2hua1 , Q IN Q i2m ing1 , SHEN X in2y i1 , W ANG Zh i2q iang2 , Q IU Guo2yu3 , SU I X in2x in1 ( 1. Institu te of R em ote sensing and Geog raph ic Inform a tion system , Pek ing U n iversity, B eijing 100871, Ch ina;
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 26卷第 2期
赵少华等 :微波遥感技术监测土壤湿度的研究
91
标的技术 。它不受光照 、气候条件限制 ,可全天时 、 全天候工作 ,能穿透云层 ,对植被和松散盖层具有一 定的穿透能力 ,并通过多极化 、干涉等技术获得更多 更精确信息 。在微波波段 ,土壤水分和介电常数密 切相关 ,介电常数不同 ,产生的微波归一化后向散射 截面亦不同 。常用的微波依据波长的分类见表 1, 其中监测土壤湿度的主要是穿透能力更强的长波波 段 ,如 X、C、S、L 波段等。按其工作方式可分为主动 和被动微波遥感 ,目前已有较多的关于微波遥感监测 土壤湿度的进展报道 ,但大多基于模型算法 ,对实际 应用中存在的问题和未来发展趋势探讨较少 ,下文分 别基于它们的算法 、应用和存在的问题给予介绍 。