基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法技术

本发明专利技术涉及一种基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法，对双通道算法中Jackson植被含水量计算方法进行改进，在计算植被叶片含水量的基础上，采用Chan方法计算植被茎体含水量，进而校正植被效应，首次提出了改进双通道算法。使用AMSR‑E 10.65GHZ双极化通道亮温数据反演研究区表层土壤水，使用和计算VWC进而校正植被效应提高土壤水分的反演精度，因此，实现了比双通道算法更高的精度。

Remote sensing inversion method of soil moisture based on improved double channel algorithm

The invention relates to a soil moisture remote sensing inversion method improved two channel algorithm based on the calculation method of Jackson vegetation water content of double channel algorithm is improved, based on the calculation of water content of vegetation leaves, using the Chan method to calculate the vegetation stem water content, and the correction effect of vegetation, first proposed the improved dual channel algorithm. The use of AMSR E 10.65GHZ dual polarized channel light temperature data inversion of surface soil water use and calculation of VWC and correction of the effect of vegetation on soil moisture improve the retrieval accuracy, therefore, to achieve a higher accuracy than the double channel algorithm.

【技术实现步骤摘要】
基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法
本专利技术涉及土壤水分遥感反演领域，尤其是涉及基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法。
技术介绍
土壤水分是影响地球陆表水循环的关键因子，控制着陆地-大气之间的水分和能量循环，进而对天气和气候产生重要影响。土壤水分不仅与水圈、大气圈和生物圈之间的物质能量交换息息相关，而且在地表能量向潜热和显热转化的过程中起着关键作用。通过控制降水向渗透和径流的转化比例，土壤水分对河川径流量、地下水流量和降雨量有重要影响。因此，土壤水分在地球系统的各个过程和反馈机制中起着不可或缺的作用，实时准确的对土壤水分进行监测已经成为国内外的研究热点之一。被动微波遥感因其全天时、全天候和不受天气影响的优点，被广泛应用于土壤水分反演研究中。其中，高级微波扫描辐射计(Advancedmicrowavescanningradiometer-EarthObservingSystem,AMSR-E)由于具有较长的观测时间、多波段、双极化通道和较高的数据质量在被动微波土壤水分反演算法中得到广泛的应用。目前已有的很多物理模型算法都是针对AMSR-E亮温数据提出的，这些算法主要分为两类，一是基于数学迭代方法的算法，如Njoku提出的NPD算法、Owe提出的LPRM算法、Zeng、Pan、田辉、Chen、Hong等人分别基于不同的数学迭代方法提出相应的反演算法；二是基于辅助数据的物理模型，其中应用最为广泛的是Jackson提出的单通道算法(Singlechannelalgorithm，SCA)和Shi、刘强以SCA算法为基础提出的双通道算法(Dual-ChannelAlgorithm,DCA)。双通道算法基于Jackson方法计算植被含水量(Vegetationwatercontent,VWC)校正植被效应。刘强、王嘉楠分别以青藏高原和内蒙古为研究区验证反演结果，发现双通道算法精度高于AMSR-E官方土壤水分产品，具有较好的精度。Yilmaz和Jackson、Chan进一步研究指出被动微波遥感土壤水分反演算法中的植被含水量参数应为包含叶片含水量和茎体含水量两部分，而Jackson算法只计算了植被叶片含水量，降低最终的反演精度。在此基础上Chan提出了包含叶片含水量和茎体含水量并且能够反应不同植被季节变化的新植被含水量计算方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法，该方法基于传感器微波亮温数据以及相应的辅助数据，反演研究区的土壤水分，包括如下步骤，步骤一，计算地表有效温度Teff；步骤二，计算植被含水量VWC，该植被含水量包括叶片含水量VWCs和茎体含水量VWCf，VWC＝VWCs+VWCf；步骤三，根据获得的植被含水量VWC计算植被光学厚度τc(f,p)；步骤四，根据已获得的地表有效温度Teff数据、植被光学厚度τc(f,p)数据、以及传感器收到的亮温数据计算得到粗糙地表发射率erough(f,p)；步骤五，根据已获得的粗糙地表发射率erough(f,p)，计算得到土壤体积含水量SM。优选的，所述传感器为AMSR-E10.65GHz传感器。优选的，所述辅助数据包括土壤质地数据、地表覆盖数据以及植被指数数据。优选的，所述地表有效温度Teff基于以下公式获得Teff＝1.11×TB,36.5V-15.20(TB,36.5V＞259.8K)(1)其中，TB,36.5V＝259.8K是冻土和非冻土的区分阈值。优选的，其中，stemfactor为常数，代表植被茎体所能存储的最大水量，随着植被类型的变化而变化，NDVI为植被指数，NDVImax是年最大植被指数，NDVImax是年最小植被指数。优选的，植被光学厚度τc(f,p)根据以下公式获得τc(f,p)＝b(f)×VWC(2)其中，b(f)为常量，依赖于频率和植被类型；VWC的单位为kg/m2。优选的，所述步骤五进一步包括，根据已获得的粗糙地表发射率erough(f,p)计算垂直极化和水平极化方式下的粗糙地表发射率和然后基于以下公式计算出土壤体积含水量SM，其中，α、β为常数，A、B和C为经验常数；优选的，还包括，根据双通道算法土壤水反演结果以及研究区的土壤水分实测值，验证反演方法的精度。优选的，所述验证反演方法的精度包括计算皮尔逊相关系数、RMSE和偏差，以及获取绝对误差频率分布图、进行时间序列分析和进行1:1线散点图分析。本专利技术对双通道算法中Jackson植被含水量计算方法进行改进，在计算植被叶片含水量的基础上，采用Chan方法计算植被茎体含水量，进而校正植被效应，首次提出了改进双通道算法(ImprovedDual-ChannelAlgorithm,IDCA)。由于改进双通道算法基于适用于较高频率的QP模型校正粗糙度效应，因此该算法适用于较高频率的微波亮温数据。以AMSR-E数据为例，该算法适用于除却L波段以外所有波段的亮温数据。考虑到改进算法适用波段的穿透性，本专利技术选择草地和草地-农作物混合地表覆盖类型。同时，为了尽可能减小经验参数带来的误差，本专利技术参考前人的研究，选择壤质土类土壤质地类型，验证改进算法在草地和草地-农作物混合覆盖的壤质土类地区的土壤水分反演精度。附图说明下面通过具体实施方式并参照附图介绍本专利技术的其它细节和优点，附图如下：图1为本专利技术改进双通道算法土壤水分遥感反演流程图。图2示出CTP研究区。图3为CTP研究区土壤质地分布图。图4示出2010年和2011年CTP研究区地表覆盖类型分布图：(a)2010年地表覆盖类型；(b)2011年地表覆盖类型。图5示出ON研究区。图6示出ON研究区土壤质地和地表覆盖类型分布图:(a)土壤质地分布图；(b)地表覆盖类型分布图。图7是CTP研究区实测站点分布图。图8是ON研究区实测站点分布图。图9是反演结果与实测数据散点分布图：(a)改进双通道算法在CTP研究区散点分布图；(b)双通道算法在CTP研究区散点分布图；(c)改进双通道算法在ON研究区散点分布图；(d)双通道算法在ON研究区散点分布图。图10是CTP研究区反演结果与实测值时间序列曲线：(a)改进双通道算法与实测值时间序列曲线；(b)双通道算法与实测值时间序列曲线。图11是改进算法与原算法绝对误差频率分布图：(a)CTP研究区；(b)ON研究区。具体实施方式改进双通道算法主要由三部分构成：计算地表有效温度、基于植被含水量校正植被效应得到粗糙地表发射率、校正粗糙度效应计算得到土壤水分，如图1所示。下面首先介绍改进双通道算法的理论基础——被动微波辐射传输方程，并对改进双通道算法的每一步进行详细介绍。被动微波辐射传输方程所有基于被动微波遥感反演土壤水分的物理模型算法的核心为被动微波辐射传输方程。在微波低频波段(L波段、C波段和X波段)下大气贡献可以忽略且大气不透明度很低。对于植被覆盖地表，一般使用只考虑植被和地表双层的零阶辐射传输模型(τ-ω模型)计算卫星接收到的亮温。其中，指传感器接收到的亮温，τc(f,p)指植被光学厚度；ω(f,p)指植被单次散射反照率；Tc指植被层物理温度；Ts指土壤层物理温度；erough(f,p)指粗糙土壤发射率；θ为卫星观测角，在本研究中指AMSR-E入射角。在实际应用中为了简化计算往往假本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法，该方法基于传感器微波亮温数据以及相应的辅助数据，反演研究区的土壤水分，其特征在于：该方法包括如下步骤，步骤一，计算地表有效温度T

【技术特征摘要】
1.一种基于改进双通道算法的土壤水分遥感反演方法，该方法基于传感器微波亮温数据以及相应的辅助数据，反演研究区的土壤水分，其特征在于：该方法包括如下步骤，步骤一，计算地表有效温度Teff；步骤二，计算植被含水量VWC，该植被含水量包括叶片含水量VWCf和茎体含水量VWCs，VWC＝VWCs+VWCf；步骤三，根据获得的植被含水量VWC计算植被光学厚度τc(f,p)；步骤四，根据已获得的地表有效温度Teff数据、植被光学厚度τc(f,p)数据、以及传感器收到的亮温数据计算得到粗糙地表发射率erough(f,p)；步骤五，根据已获得的粗糙地表发射率erough(f,p)，计算得到土壤体积含水量SM。2.如权利要求1所述的土壤水分遥感反演方法，其特征在于：所述传感器为AMSR-E10.65GHz传感器。3.如权利要求2所述的土壤水分遥感反演方法，其特征在于：所述辅助数据包括土壤质地数据、地表覆盖数据以及植被指数数据。4.如权利要求3所述的土壤水分遥感反演方法，其特征在于：所述地表有效温度Teff基于以下公式获得Teff＝1.11×TB,36.5V-15.20(TB,36.5V＞259.8K)(1)其中，TB,36.5V＝259.8K是冻土和非冻土的区分阈值。5.如权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫阿都，吕潇然，尹晓天，李静，陈艳玲，王静梅，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11