SAR土壤水分反演中的介電常數(shù)實部簡化模型

　　利用Dobson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒⒛M數(shù)據(jù)庫，用建立的模擬數(shù)據(jù)庫對Hallikainen關(guān)系式進行zui小二乘回歸，標定其在SAR關(guān)鍵頻點下的系數(shù)并進行適當(dāng)改進，zui終建立了介電常數(shù)實部與土壤體積含水量關(guān)系的簡化模型.對建立的簡化模型進行驗證和對比，結(jié)果表明，簡化模型在精度上優(yōu)于Hallikainen經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并且與復(fù)雜的Dobson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖啾?，具有良好的精度和實用?

　　土壤水分即土壤含水量是地球生態(tài)系統(tǒng)的一個非常重要的組成部分，它是水圈、大氣圈和生物圈水分和能量交換的重要組成部分，也是地表干旱信息zui重要的表征參量.頻繁的土壤水分觀測對很多環(huán)境學(xué)科，例如洪水監(jiān)測，改良土壤侵蝕模型，天氣和氣候預(yù)報以及農(nóng)業(yè)應(yīng)用都至關(guān)重要.因此，獲取大范圍地表土壤水分時空分布信息是一個迫切需要解決的問題.

　　微波遙感監(jiān)測土壤水分的物理基礎(chǔ)是土壤的介電特性與土壤的含水量之間有非常密切的.同時有研究表明，對于某一特定土壤，其介電常數(shù)的實部由土壤的含水量決定;而土壤介電常數(shù)的虛部會同時受到土壤含水量與含鹽量的影響.所以，對于特定土壤類型，建立介電常數(shù)實部與土壤體積含水量之間關(guān)系，是微波遙感監(jiān)測土壤水分過程中必須解決的問題.

　　Topp在大量試驗基礎(chǔ)上，根據(jù)四種土壤的試驗結(jié)果擬合得到了土壤體積含水量與土壤介電常數(shù)的三次多項式方程，該模型優(yōu)點是公式表達簡潔，不需要任何土壤類型參數(shù)的輸入，但Topp模型適用面狹窄，只適合輕質(zhì)地土壤含水量與土壤介電常數(shù)關(guān)系的擬合，且因為模型忽略了土壤質(zhì)地的影響，導(dǎo)致誤差較大;此外，Alharathi以及Ferre根據(jù)實驗結(jié)果提出了mv與ε0.5之間的線性表達式，Malicki考慮了土壤容重的影響，利用多種土壤數(shù)據(jù)建立了mv與ε0.5的非線性關(guān)系，但是，此類模型也忽略了土壤質(zhì)地的影響，適用性受到了很大的制;Hallikainen根據(jù)不同土壤類型的實驗結(jié)果提出了基于不同土壤類型的二次多項式擬和模型，因為模型中考慮到了土壤質(zhì)地的影響，所以在精度和適用性上較Topp模型與mv-ε0.5型模型有了較大的提高，但是，其用于標定系數(shù)的樣本數(shù)過少(N<100)，所以標定得到的系數(shù)說服力不強.且一些典型的SAR常用頻點，如L=1.26GHz，S=3.2GHz，C=5.3GHz，X=9.6GHz的系數(shù)未給出;Dobson[12]等利用波導(dǎo)介電常數(shù)測量系統(tǒng)和自由空間傳播技術(shù)獲取的5種不同土壤類型的實測數(shù)據(jù)，提出了土壤介電常數(shù)與土壤體積含水量之間的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停吹腄obson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，由于Dobson模型適用電磁波頻率范圍寬，模擬精度較高，且模型中參數(shù)不依賴于具體土壤類型，這一模型已被廣泛用于土壤介電常數(shù)計算.在理論模型方面，主要有Dobson等提出的土壤四分量混合理論模型和新近發(fā)展的由Mironov等提出的GRMDM模型，這類模型考慮了土壤內(nèi)在束縛水的介電特性，理論上更加完善，但是模型的參數(shù)較多，公式復(fù)雜，必須事先測定土壤的某些物理指標，在實際應(yīng)用中存在較大困難，因此實用性不強.

　　土壤介電常數(shù)，特別是介電常數(shù)的實部變化是利用SAR技術(shù)監(jiān)測土壤水分的基礎(chǔ).本研究利用Dobson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒⒌哪M數(shù)據(jù)庫，標定國內(nèi)外主要SAR傳感器在L/S/C/X波段幾個常用頻點下的Hallikainen關(guān)系式的系數(shù)并進行適當(dāng)改進，建立了這些頻點下土壤介電常數(shù)實部的簡化模型，zui后，隨機選取Dobson模型模擬的數(shù)據(jù)對簡化模型以及插值后得到的相同頻點下的Hallikainen經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行對比，并利用實測數(shù)據(jù)對簡化模型進行驗證.結(jié)果表明，簡化模型在精度上優(yōu)于Hallikainen經(jīng)驗?zāi)Ｐ停⑶揖哂辛己玫膶嵱眯?

　　結(jié)論

　　利用Dobson半經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒⒌哪M數(shù)據(jù)庫對Hallikainen關(guān)系式在SAR四個常用頻點下進行了系數(shù)標定，得到了四個波段下土壤介電常數(shù)實部的簡化模型.尤其針對X波段數(shù)據(jù)受溫度影響較大而精度較低的問題，進一步加入溫度影響因子進行了改進.建立了土壤介電常數(shù)的實部與土壤體積含水量mv、土壤砂土含量S、土壤黏土含量C(L/S/C三個波段的主要頻點)和土壤溫度T(X波段的主要頻點)下的關(guān)系，可方便實現(xiàn)土壤介電常數(shù)實部到土壤體積含水量的轉(zhuǎn)換.如果使用者無法得到目標區(qū)精細尺度的S和C分布情況，可利用大尺度的S和C數(shù)據(jù)替代;X波段的土壤溫度數(shù)據(jù)，可由氣象數(shù)據(jù)或其他遙感數(shù)據(jù)獲得.

　　未來，將在全國范圍內(nèi)選擇一些典型的土壤類型樣本，如南方第四紀紅粘土(代表地區(qū)江西省余江縣及廣東省南海市)、長三角水稻土(代表地區(qū)江蘇省蘇南的太湖平原、蘇北的里下河平原)、華北潮土(代表地區(qū)河北省欒城縣)、東北黑土(代表地區(qū)松遼平原)等開展相關(guān)的實測工作和模型的進一步驗證和修訂，相關(guān)成果對于中國區(qū)域利用微波遙感技術(shù)監(jiān)測土壤水分的工作將有重要意義.