地表土壤物理参数的被动微波遥感反演方法

摘要

本发明公开了地表土壤物理参数的被动微波遥感反演方法，其包括以下步骤：步骤1、通过发射的星载被动微波遥感计AMSR-E获取AMSR-E被动微波遥感亮度温度影像的亮度温度数据和MPDI指数；步骤2、推演获取关于平滑地表反射率、表层土壤粗糙度参数、MPDI指数以及植被光学厚度的关系，步骤3、计算表层土壤湿度m_v和土壤粗糙度h；步骤4、计算表层土壤温度T_S。本发明基于简化的被动微波辐射传输方程，并结合MPDI指数、Q/H表层土壤粗糙度模型、植被光学厚度模型、Fresnel方程等，构建了地表土壤关键属性参数（土壤温度、表层土壤温度、土壤粗糙度）物理反演模型，基于此方法可以反演我国乃至全球区域的表层土壤温度、土壤湿度和地表粗糙度分布，具有重要的科学意义。

主权项

地表土壤物理参数的被动微波遥感反演方法，其特征在于，其包括以下步骤：步骤1、通过发射的星载被动微波遥感计AMSR‑E获取AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像的亮度温度数据和MPDI指数，所述亮度温度数据为AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像6.9GHz波段水平极化通道的亮度温度数据T_b6.9h，所述MPDI指数包括AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像6.9GHz波段的MPDI指数MPDI_6.9以及AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像10.7GHz波段的MPDI指数MPDI_10.7；步骤2、推演获取关于平滑地表反射率、表层土壤粗糙度参数、MPDI指数以及植被光学厚度的关系，其包括以下步骤：步骤21、将被动微波辐射方程进行简化，可得：$T_{bp}=T_S(1-r_{sp}*e^{-2{\tau }_c})---\left(1\right)$其中，T_bp是星载被动微波遥感计AMSR‑E接收的亮度温度，其包括垂直极化波段的亮度温度T_bv和水平极化波段的亮度温度数值的亮度温度T_bh；T_S是表层土壤温度；r_sp是粗糙地表反射率，其包括粗糙地表垂直极化波段的反射率r_sv以及粗糙地表水平极化波段的反射率r_sh；τ_c是植被光学厚度，因此，公式(1)可分解成：$T_{bv}=T_S(1-r_{sv}*e^{-2{\tau }_c})---(1-1)$$T_{bh}=T_S(1-r_{sh}*e^{-2{\tau }_c})---(1-2)$步骤22、根据Wang和Choudhury(1995)建立的Q/H表层土壤粗糙度模型，针对AMSR‑E双极化微波波段，得到垂直极化和水平极化波段的粗糙地表反射率与平滑地表反射率的关系：r_sv＝[(1‑Q)r_ov+Q*r_oh]e^‑h  (2‑1)r_sh＝[(1‑Q)r_oh+Q*r_ov]e^‑h  (2‑2)其中，r_ov是平滑地表垂直极化波段的反射率；r_oh是平滑地表水平极化波段的反射率；Q是土壤粗糙度的极化差异比例，0≤Q<0.5，h是地表土壤粗糙度，所述Q和h构成表层土壤粗糙度参数；步骤23、将公式(1‑1)、(1‑2)、(2‑1)、(2‑2)代入MPDI指数的定义：$MPDI=\frac{T_{bv}-T_{bh}}{T_{bv}+T_{bh}}---\left(3\right)$可得平滑地表反射率、表层土壤粗糙度参数、MPDI指数以及植被光学厚度的关系：$\frac{1}{MPDI}=\frac{r_{ov}+r_{oh}}{(1-2Q)(r_{ov}-r_{oh})}-\frac{2}{(1-2Q)(r_{ov}-r_{oh})}{e}^{2{\tau }_c+h}---\left(4\right)$步骤3、计算表层土壤湿度m_v和地表土壤粗糙度h；其包括以下步骤：步骤31、将De Jeu(2003)植被光学厚度τ_c的表示：τ_c＝C₁ln(MPDI)³+C₂ln(MPDI)²+C₃ln(MPDI)+C₄  (5)代入公式(4)可得：(MPDI‑1+2Q)×r_oν+(MPDI+1‑2Q)×r_oh＝2(MPDI)^α×e^β+h  (6)其中，C₁、C₂、C₃和C₄指经验模型的系数，其均为常量；α＝6C₁+4C₂+2C₃，β＝2C₄；步骤32、将公式(6)分别应用于AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像6.9GHz波段和10.7GHz波段，可得：(MPDI_6.9‑1+2Q)×r_ov6.9+(MPDI_6.9+1‑2Q)×r_oh6.9＝2(MPDI_6.9)^α×e^β+h  (7‑1)(MPDI_10.7‑1+2Q)×r_ov10.7+(MPDI_10.7+1‑2Q)×r_oh10.7＝2(MPDI_10.7)^α×e^β+h  (7‑2)步骤33、对AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像的单个6.9GHz波段或10.7GHz波段，根据Dobson(1985)的介电常数模型，利用AIEM模拟出各频率波段的平滑地表反射率与表层土壤温度的关系：r_ov6.9＝0.7258*m_v+0.0314  (8‑1)r_oh6.9＝0.7757*m_v^0.4481     (8‑2)r_ov10.7＝0.7117*m_v+0.0284  (8‑3)$r_{{\mathrm{oh}}_{10.7}}=0.7619*{m_v}^{0.461}---(8-4)$其中：r_ov6.9为AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像6.9GHz波段垂直极化通道的平滑地表反射率；r_oh6.9为AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像6.9GHz波段水平极化通道的平滑地表反射率；rov10.7为AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像10.7GHz波段垂直极化通道的平滑地表反射率；r_oh10.7为AMSR‑E被动微波遥感亮度温度影像10.7GHz波段水平极化通道的平滑地表反射率；步骤34、将公式(8‑1)和公式(8‑2)代入公式(7‑1)，将公式(8‑3)和公式(8‑4)代入公式(7‑2)，分别得到公式(9‑1)和公式(9‑2)：$\begin{array}{c}({\mathrm{MPDI}}_{6.9}-1+2Q)\times (0.7258*m_v+0.0314)+\\ ({\mathrm{MPDI}}_{6.9}+1-2Q)\times \left(0.7757{m_v}^{0.4481}\right)=2{\left({\mathrm{MPDI}}_{6.9}\right)}^{\alpha }\times e^{\beta +h}\end{array}---(9-1)$$\begin{array}{c}({\mathrm{MPDI}}_{10.7}-1+2Q)\times (0.7117m_v+0.0284)+\\ ({\mathrm{MPDI}}_{10.7}+1-2Q)\times \left(0.7619{m_v}^{0.461}\right)=2{\left({\mathrm{MPDI}}_{10.7}\right)}^{\alpha }\times e^{\beta +h}\end{array}---(9-2)$步骤35、联立公式(9‑1)和公式(9‑2)，计算表层土壤湿度m_v和地表土壤粗糙度h；步骤4、计算表层土壤温度T_S，具体为联立公式(1‑2)、(2‑2)、(5)、(8‑1)、(8‑2)可得：$T_S=\frac{e^{(h+\beta )}-[(1-Q)(0.7757\times {m_v}^{0.4481})+Q(0.7258\times m_v+0.0341)]}{T_{b6.9h}\times {\left({\mathrm{MPDI}}_{6.9}\right)}^{\alpha }\times e^{(h+\beta )}}---\left(10\right).$