了得網自然科學_主被動遙感協同反演地表土壤水分方法

編輯推薦

本書在在闡述光學與SAR遙感反演土壤濕度機理的基礎上，從多個方面對光學與SAR遙感反演地表土壤濕度的方法進行研究，並提出了三種協同反演的方法，同時利用野外實驗的數據對三種模型分別做了驗證，從驗證結果來看，光學與SAR遙感的結合明顯的比單一數據源反演的土壤濕度精度更高。書中提出的算法具有較高的學術價值，在國際相關領域屬於先進水平。

內容簡介

光學遙感與SAR遙感是兩種不同的土壤水分獲取手段，各有優勢與不足。若將兩者結合起來進行土壤水分的協同反演，就能取長補短，提高土壤水分反演精度，這對於土壤水分的定量遙感反演研究是極具意義的。本書在討論現有光學與SAR各自反演地表土壤水分機理的基礎上，還對光學遙感與SAR協同遙感土壤水分的方法進行了較深入的研究與探索。本書可以作為測繪、地理信息、遙感與對地觀測、地理國情監測等相關領域的研究生、科研人員、教師和高年級本科生的研究與參考用書。

作者簡介

餘凡，中國測繪科學研究院副研究員，主要研究方向為攝影測量與遙感，，成功申請獲批國家自然科學基金面上項目“利用全極化SAR數據反演地表土壤水分方法研究”（41471299），青年基金項目“光學與雷達協同反演地表土壤水分的方法研究”（41101321）各1項，並參與973項目“基於先驗知識的土壤水分、植被結構參數遙感綜合反演研究”(2007CB714400)。獲得2014年測繪科技進步獎二等獎1項，共發表論文16篇，其中作者9篇( SCI 4篇，EI/學報 5篇)；發明專利3項（獲批1項），軟件著作權2項。翟亮，1980-，男，中國測繪科學研究院，副研究員，主要從事於遙感影像壓縮、地理國情監測研究。張承明，1971-，男，山東農業大學信息科學與工程學院，副教授，主要從事於遙感定量反演、水文遙感等方面的研究。

第1章緒論1§1.1本書的研究背景與意義1§1.2遙感反演地表參數的主要過程2§1.3遙感反演土壤水分研究進展3第2章光學遙感反演地表土壤水分的方法12§2.1熱慣量法12§2.2植被指數法14§2.3溫度指數法17§2.4蒸散與作物缺水指數17§2.5植被溫度空間18§2.6高光譜法22§2.7其他方法22第3章SAR遙感反演地表土壤水分的方法研究24§3.1電磁學基礎理論24§3.2介電常數25§3.3粗糙度29§3.4裸露地表微波遙感反演地表土壤水分模型31§3.5植被覆蓋地表微波遙感反演土壤水分模型35§3.6被動微波遙感反演土壤水分38第4章裸露地表微波反演土壤水分方法的研究40§4.1隨機粗糙地表的雙尺度微波散射模型研究40§4.2SAR反演裸露地表土壤水分的方法50第5章基於雲參數的大區域地表土壤水分反演方法研究61§5.1中國氣像衛星繫列62§5.2FY2C數據預處理研究67§5.3模型簡介69§5.4模型中各參數的處理及確定71§5.5大空間尺度下遙感旱情監測模型的改進73§5.6實驗與驗證75§5.7本章小結80第6章地表土壤水分定量遙感實驗設計及數據獲取82§6.1黑河定量遙感實驗82§6.2研究區概況83§6.3數據采集及預處理84§6.4地表土壤水分的觀測方法93§6.5地表粗糙度的觀測96第7章基於貝葉斯理論和馬爾可夫隨機場的主被動遙感數據協同分類算法研究99§7.1入射角歸一化方法研究100§7.2基於貝葉斯理論和MRF的分類器設計104§7.3實驗106§7.4結論110第8章基於數據融合的主被動遙感協同反演地表土壤水分112§8.1光學遙感與雷達數據的融合112§8.2貝葉斯網絡分類119§8.3貝葉斯分類提取土壤水分信息121§8.4結果驗證122§8.5本章小結123第9章基於模型耦合的主被動遙感協同反演地表土壤水分125§9.1模型研究126§9.2待定參數敏感性分析131§9.3植被覆蓋地表土壤水分反演實驗132§9.4結果驗證135§9.5本章小結136第10章基於優化算法的主被動遙感協同反演地表土壤水分137§10.1遺傳BP神經網絡算法研究137§10.2優化算法的光學雷達遙感土壤水分反演實驗140§10.3結果驗證141§10.4本章小結145參考文獻146附錄157

前言

地表土壤水分是決定陸地與大氣能量交換的關鍵因子，是全球水循環的重要組成部分，直接控制地表與大氣之間水、熱量的輸送和平衡。土壤水分一直也是水文、氣像、農業、生態、氣候變化等研究的關鍵參數，它在地球科學研究中具有重要意義。土壤水分是主導農作物長勢及產量的一個重要因素，也是干旱監測的一個重要指標。土壤供水不足會導致植被正常生長發育受阻，影響作物長勢和產量，甚至作物由於干旱而絕收。從全球範圍看，旱災已經成為影響面廣、造成經濟損失的因素，被認為是世界上嚴重的自然災害類型，也成為制約我國農業生產和經濟發展的主要因素。土壤干旱缺水也將引起土壤沙化、鹽漬化、植被退化、水土流失等生態環境惡化現像。因此，探討一套客觀、動態、實時的土壤水分監測與反演方法，具有重要的科學意義和現實意義。傳統土壤水分監測方法很難進行大範圍、高效率和實時常規測量，而遙感技術由於其自身特點及潛力，已在地表土壤水分研究中蓬勃開展。目前，遙感技術已經進入一個能動態、快速、高效地提供多源對地觀測數據的新階段。多源遙感數據的協同觀測能一定程度上克服各種單一遙感手段獲取的圖像數據在幾何、光譜、時間和空間分辨率的局限性，對觀測目標有一個更加全面、清晰、準確的理解與認識。光學遙感與雷達遙感是兩種不同的土壤水分獲取手段，能從不同的角度反映地表的土壤水分情況。若能將兩者結合起來協同反演土壤水分，取長補短，提高土壤水分反演精度，對於土壤水分的定量遙感反演研究是極具意義的。本書共分為10章。第1章介紹了本項研究的目的、意義及遙感反演土壤水分相關研究現狀和進展；第2章介紹了現有的光學遙感反演土壤水分方法；第3章對微波反演土壤水分的基本原理和方法進行了介紹；第4章介紹了兩個裸露地表的微波散射模型，即雙尺度微波散射模型和雙極化反演土壤水分模型；第5章介紹了大區域地表土壤水分反演的雲參數法，並利用FY2C數據對全國的干旱狀況進行了反演；第6章主要對實驗和研究區進行說明，然後對本文遙感與地面觀測數據及其預處理方法進行了簡單介紹；第7章介紹了一種馬爾可夫隨機場和貝葉斯理論相結合的光學與SAR遙感數據協同分類方法；第8章主要探討了一種先融合後分類的土壤水分提取方法，首先將光學和微波數據采取一定的算法融合，然後以融合的結果作為貝葉斯網絡的輸入，通過分類提取土壤水分信息；第9章介紹了利用光學、雷達遙感模型耦合，協同反演土壤水分的方法，通過光學和微波模型的耦合，發展了一種反演植被覆蓋區地表土壤水分的半經驗模型，並對植被冠層重疊造成的雷達陰影效應進行了驗證；第10章從優化算法的角度，通過遺傳神經網絡模型，將光學和微波這兩種表達土壤水分機理完全不同的遙感數據協同起來反演土壤水分，模型不僅能實現面上區域內土壤水分的反演，同時具有較高的精度。本書是筆者近十餘年來在光學遙感與雷達遙感協同反演地表土壤水分領域的研究工作的階段總結，主要成果先後在國內外學術刊物上發表，也在部分國家項目中得到有意義的應用。本書的完成得到國家“973”項目“陸表生態環境要素主被動遙感協同反演理論與方法”（2007CB714407）、“復雜地表遙感信息動態分析與建模”（2013CB733400），國家自然科學基金項目“光學與SAR遙感協同反演地表土壤水分方法研究”（41101321）、“全極化雷達反演地表土壤水分方法研究”（41471299），以及國家基礎測繪項目的資助，在此表示衷心的感謝。感謝中國科學院大學趙英時教授和宋小寧教授、國家測繪地理信息局燕琴研究員、中國測繪科學研究院李海濤研究員、廣州地理研究所周霞研究員等，在本書的完成過程中所給予的誠懇建議和幫助。由於筆者水平有限，書中錯漏不足之處敬請廣大讀者批評指正。

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