一、引 言
土壤濕度在氣象、水文等環境研究中作為最重要的特征參數之一,是影響全球氣候的重要因素,而且土壤水分的研究對土壤能量平衡有著非常重要的意義。隨著微波遙感技術的發展和應用,微波遙感已經在地表土壤水分研究領域逐漸蓬勃發展,成為重要的監測手段。利用微波遙感器進行地表土壤水分研究的原理在于微波遙感能直接捕獲土壤的介電性能,而土壤介電性在很大程度上取決于土壤含水量,因此可從微波遙感觀測資料中提取土壤含水量的信息。星載微波遙感器進行對地觀測時,由于其波長相對較長,受天氣狀況的影響較弱,而且對地物具有一定的穿透性,保證了在對地觀測過程中全天時、全天候的觀測能力。此外,近年來的研究表明,微波遙感具有定量估算裸土和矮小、稀疏植被覆蓋下的土壤水分的潛力。因此,微波遙感在土壤水分、地表溫度觀測的應用方面具有獨特的優勢。
二、國內外研究進展
目前國內外利用遙感監測土壤濕度的方法主要有微波遙感、紅外遙感、植被供水指數、數據同化等方法。紅外遙感和衛星監測都會因天氣的影響產生誤差,且衛星遙感也會有自然條件的局限。而微波遙感技術不受天氣影響,微波輻射計的被動微波方法時間分辨率高,費用低,而且能針對不同的地質進行檢測。
在微波遙感反演土壤水分的研究中,均未對頻繁變化的土壤表面結構因素予以充分考慮,但土壤粗糙度正是制約土壤水分遙感精度的重要因素,由于自然地表往往都是不平坦的,因此如何減弱地表粗糙度對反演精度的影響一直是微波遙感反演土壤水分研究中的重點。
三、試驗方案設計
1. 試驗設備
試驗所采用的微波輻射計是由中科院東北地理所\\(長春\\) 設計并研制的,本次試驗所采用的輻射計波段為 C 波段\\(頻率 6.6 GHz,波長 4.55 cm\\) ,以及Ku 波段\\(頻率 13.9 GHz,波長 2.16 cm\\) 。
2. 試驗設計
1\\) 粗糙度的改變方式是將通過手工制作的帶有不同尺寸尖劈狀的硬泡沫板的尖劈處按均勻的力度插入土中,并使其均勻分布于土壤表面所有位置。通過不同尺寸的尖劈泡沫板,來實現土壤粗糙度的梯度變化。
2\\) 試驗中先保持土壤濕度不變,改變粗糙度,在每個濕度下將粗糙度變化 5 ~ 7 個等級,然后用C、Ku 兩臺微波輻射計同時觀測并記錄每個粗糙度下的土壤微波輻射亮度溫度,入射角選擇 55°\\(參考星載微波掃描輻射計 AMSR-E 的入射角參數\\) ,極化方式為水平和垂直兩種,輻射計天線朝向樓群較少的北方。
3\\) 完成觀測后對土壤進行噴水、攪拌、整平,過程中要保證土壤水分的均勻分布。在下一個濕度下繼續改變粗糙度進行觀測,整個過程為人工操作。如此反復進行觀測,土壤濕度共分為 6 個等級,其測量值分別為 1.71%、4.41%、8.84%、9.87%、12.97%、16.64%。
4\\) 試驗過程中用環刀取土烘干法測量土壤的含水率,用土壤溫濕度速測儀測量土壤的溫度。
四、數據處理與結果分析
對土壤粗糙度的數據處理是以地表起伏的均方根高度\\(s\\) 作為指標。試驗中發現,隨著土壤表面粗糙度的增大,水平和垂直極化的輻射亮度溫度之間差值有明顯變化,因此對微波輻射計數據處理時分別采用了兩種微波指數: 微波發射率極化差 Δe;微波極化差異指數 MPDI。這兩種指數均能很好地剔除土壤溫度對輻射亮度溫度的影響,公式分別為
式中,TBV、TBH分別為垂直、水平極化下的亮度溫度;TSV、TSH分別為垂直、水平極化觀測時土壤的熱力學溫度。通過對微波指數與土壤粗糙度測量值的關系進行擬合計算,發現二者呈現二次方曲線相關。表 1是在不同土壤含水率下的 s、Δe、MPDI 的計算結果,圖 1 是 s—Δe、s—MPDI 的曲線擬合計算結果。
通過擬合計算得到的二次曲線方程見表 2、表 3。
五、結 論
通過對以上試驗結果進行對比分析,可以得到如下結論:
1\\) 粗糙度對微波輻射信號有較大影響,微波極化指數 MPDI、微波發射率極化差 Δe 都與粗糙度呈二次曲線關系,且 C 波段的相關性要好于 Ku 波段。
2\\) 當土壤表面由平滑\\(均方根高度小于 1 cm\\)變化至中等粗糙\\(均方根高度為 2.5 cm 左右\\) 時,微波的兩個指數 Δe 和 MPDI 呈迅速下降趨勢,粗糙度的增大削弱了微波在水平、垂直極化的輻射亮溫的差值,對微波輻射信號有著去極化的作用。當土壤表面由中等粗糙變化至粗糙\\(均方根高度為 4 cm 左右\\) 時,微波的兩個指數 Δe 與 MPDI 逐漸趨于平穩,說明在這個區間內粗糙度對微波輻射信號的影響較小。
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