一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法技术

本发明专利技术公开了一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，属于森林参数估算技术领域。解决了如何提供一种有效、准确的森林微波辐射传输特性的优化估算方法的问题。本发明专利技术先依据微波辐射传输理论，建模森林下行微波辐射亮度温度与森林微波辐射传输特性(有效透过率t和有效散射反照率ω)的定量关系，然后基于实测的森林下行微波辐射亮度温度和模拟的森林下行微波辐射亮度温度构建代价函数，最后根据遗传算法优化求解森林有效透过率和有效散射反照率。经实验检测，利用本发明专利技术的方法估算的森林有效透过率和有效散射反照率，与理论模型模拟值非常吻合，说明本发明专利技术的方法是优化求解L波段森林微波辐射传输特性的有效方法。

An optimal estimation method for the transmission characteristics of L band microwave radiation

The invention discloses an optimization estimation method for the transmission characteristics of the L band forest microwave radiation, which belongs to the field of estimating the forest parameter. The problem of how to provide an effective and accurate method for estimating the transmission characteristics of the microwave radiation is also solved. The present invention first based on transmission theory of microwave radiation, the transmission characteristics of microwave radiation brightness temperature modeling of forest and forest under microwave radiation (effective transmittance T and scattering albedo omega) the quantitative relationships between the forest and the forest of the measured microwave downlink downlink microwave radiation brightness temperature and simulated brightness temperature based on cost function is constructed, based on genetic through the effective algorithm to solve the forest rate and effective scattering albedo. Through experiment, it is found that the effective transmittance and effective scattering albedo estimated by the method of this method are in good agreement with the simulated values of theoretical models, which indicates that the method of this invention is an effective way to optimize the transmission characteristics of forest microwave radiation in L band.

【技术实现步骤摘要】
一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法
本专利技术涉及一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，属于森林参数估算

技术介绍
森林作为地表的主要覆盖类型之一，是陆地生态系统的主体，并在水循环、碳循环、能量循环和保持生态平衡等方面发挥着不可替代的作用。因此，在区域范围和全球尺度上实现对森林生物物理参数和森林覆盖下的土壤、积雪等参数的定量观测和反演已成为解决当今时代的全球水循环规律、全球环境变化、碳源和碳汇等环境问题的关键。遥感技术为实现大面积、实时动态观测森林参数和森林覆盖下地表参数提供了技术支持。光学遥感由于穿透性较弱，多应用于反映森林冠层信息。微波遥感穿透性较强，能够穿透森林冠层探测到林下地表参数的动态变化，可用于反演大尺度的土壤水分。例如，学者基于多频段扫描通道微波辐射计(ScanningMultichannelMicrowaveRadiometer,SMMR)观测的1979年至1987年期间的C波段被动微波数据，反演了分辨率为0.25度的全球近地表土壤水分含量(Oweetal.,2001)。而且，2001年NASA发射的对地观测系统EOSAqua卫星上搭载的改进型微波扫描辐射计(AdvancedMicrowaveScanningRadiometer,AMSR-E)提供了空间分辨率为25km的C波段全球土壤水分产品。L波段由于具有更强的穿透性，被认为是微波遥感反演土壤水分的最佳波段。最近几年，L波段微波辐射观测系统陆续升空，如2009年的欧空局发射的土壤水分和海水盐度观测(SoilMoistureandOceanSalinity，SMOS)卫星，2011年NASA发射的Aquarius，和2015年NASA发射的土壤水分主被动探测(SoilMoistureActiveandPassive，SMAP)卫星。我国也将在不久后发射搭载有L波段辐射计的全球水循环观测系统WCOM(Shietal.,2012)。这些星载L波段观测系统都以监测全球土壤水分、冻融状态、森林生物量和海洋盐度的时空变化作为科学目标。其中，SMOS和SMAP一直致力于土壤水分反演算法的修正和改进，力求为用户提供误差不超过0.04m3/m3的地表5cm的土壤水分产品。森林的微波辐射传输特性受森林结构(树干、树枝和树叶的朝向、尺寸和数量)和森林理化参数(温度、湿度、含盐量)的影响，是联系土壤属性与卫星亮温数据的关键参数。准确地估算森林的L波段微波辐射传输特性有助于提高林下土壤水分和积雪参数的遥感反演精度。随着星载微波辐射技术的快速发展，人们对于研究L波段森林微波辐射传输特性的愿望日益增强，但是现有技术中，没有一种准确有效的L波段森林微波辐射传输特性优化估算方法。
技术实现思路
为解决现有技术中的技术问题，本专利技术提供一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，步骤如下：步骤一、测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA、天空下行微波辐射亮度温度TSKY、森林温度TV、土壤温度TS、地表粗糙度参数和土壤水分，并根据地表粗糙度参数和土壤水分模拟林下土壤发射率eS；步骤二、模拟的L波段森林下行微波辐射亮度温度TBSIM：TBSIM＝[t×(TSKY-TV)+TV×(1-rV)+rV×eS×TS+(rV×TBRAD)]/(1+rV×eS-rV)×[1-(1-η)×eS]+(1-η)×eS×TS其中，t为森林有效透过率，rV为森林有效反射率，rV＝ω×(1-t)，ω为森林有效散射反照率，η为天线波束效率，TBRAD为辐射计自身热噪声；步骤三、根据测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA与模拟的L波段森林下行微波亮度温度TBSIM，构建代价函数CF：CF＝|TBSIM-TBMEA|步骤四、根据MATLAB遗传算法，采用代价函数CF的值最小化原则，优化估算森林有效透过率t和森林有效散射反照率ω。优选的是，所述TV和TS由热红外仪同步测量得到。优选的是，TBMEA和TSKY值均通过L波段地基辐射计观测得到。优选的是，eS通过AIEM模型计算。优选的是，η取值为0.8。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，依据微波辐射传输理论，建模森林下行微波辐射亮度温度(TBF)与森林微波辐射传输特性(有效透过率t和有效散射反照率ω)的定量关系，然后基于实测的森林下行微波辐射亮度温度和模拟的森林下行微波辐射亮度温度构建代价函数，最后根据遗传算法优化求解森林有效透过率和有效散射反照率。经实验检测，利用本专利技术的方法测量两种不同森林有效透过率和有效散射反照率，与理论模型模拟值非常吻合，说明本专利技术的方法是优化求解L波段森林微波辐射传输特性的有效方法。附图说明图1为微波辐射计测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA和天空下行微波辐射亮度温度TSKY解析图；图2中，(a)和(b)分别为实施例1和实施例2的取样点通过优化估算方法获得的有效透过率与理论模型模拟透过率的对比图；图3中，(a)和(b)分别为实施例3和实施例4的取样点通过优化估算方法获得的有效透过率与理论模型模拟透过率的对比图；图4中，(a)和(b)分别为实施例1和实施例2的取样点通过优化估算方法获得的有效散射反照率与理论模型模拟有效散射反照率的对比图；图5中，(a)和(b)分别为实施例3和实施例4的取样点通过优化估算方法获得的有效散射反照率与理论模型模拟有效散射反照率的对比图；图中，Sim_tp和GA_tp分别为物理模型模拟的有效透过率和本专利技术方法估算的有效透过率(p＝v或h)；Sim_ωp和GA_ωp分别为物理模型模拟的有效散射反照率和本专利技术方法估算的有效散射反照率(p＝v或h)。具体实施方式为了进一步了解本专利技术，下面结合具体实施方式对本专利技术的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术专利要求的限制。本专利技术的L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，步骤如下：步骤一、利用L波段微波辐射计测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA和天空下行微波辐射亮度温度TSKY；由热红外仪同步测量森林温度TV和土壤温度TS；利用粗糙度板测量地表粗糙度参数；利用环刀采样的方法测量和土壤水分；根据土壤水分、土壤粗糙度等参数，利用AIEM模型模拟出地表发射率eS；根据微波辐射传输理论，得到森林下行微波辐射亮度温度TBSIM的表达式：TBSIM＝t×TSKY+(1-rV-t)×TV+rV×TB0(1)TB0＝eS×TS+(1-eS)×TBSIM(2)其中，TB0为地表上行微波辐射亮度温度，t为森林有效透过率，ω为森林有效散射反照率，rV为森林有效反射率，eS为林下土壤发射率；步骤二、考虑到L波段微波辐射计自身工作效率，L波段微波辐射计接收到的亮温，还包含背瓣的辐射。另外由于任何绝对温度高于零度的物体，都具有向外辐射的能力，因此微波辐射计自身也是一个发射源，它发射的热能被植被反射后也会被微波辐射计接收。因此考虑背瓣辐射TBBACK和微波辐射计自身热噪声TBRAD的影响，L波段微波辐射计测量的森林下行微波辐射亮度温度为：TBSI本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA、天空下行微波辐射亮度温度TSKY、森林温度TV、土壤温度TS、地表粗糙度参数和土壤水分，并根据地表粗糙度参数和土壤水分模拟林下土壤发射率eS；步骤二、模拟的L波段森林下行微波辐射亮度温度TBSIM：TBSIM＝[t×(TSKY‑TV)+TV×(1‑rV)+rV×eS×TS+(rV×TBRAD)]/(1+rV×eS‑rV)×[1‑(1‑η)×eS]+(1‑η)×eS×TS其中，t为森林有效透过率，rV为森林有效反射率，rV＝ω×(1‑t)，ω为森林有效散射反照率，η为天线波束效率，TBRAD为辐射计自身热噪声；步骤三、根据测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA与模拟的L波段森林下行微波亮度温度TBSIM，构建代价函数CF：CF＝|TBSIM‑TBMEA|步骤四、根据MATLAB遗传算法，采用代价函数CF的值最小化原则，优化估算森林有效透过率t和森林有效散射反照率ω。

【技术特征摘要】
1.一种L波段森林微波辐射传输特性的优化估算方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA、天空下行微波辐射亮度温度TSKY、森林温度TV、土壤温度TS、地表粗糙度参数和土壤水分，并根据地表粗糙度参数和土壤水分模拟林下土壤发射率eS；步骤二、模拟的L波段森林下行微波辐射亮度温度TBSIM：TBSIM＝[t×(TSKY-TV)+TV×(1-rV)+rV×eS×TS+(rV×TBRAD)]/(1+rV×eS-rV)×[1-(1-η)×eS]+(1-η)×eS×TS其中，t为森林有效透过率，rV为森林有效反射率，rV＝ω×(1-t)，ω为森林有效散射反照率，η为天线波束效率，TBRAD为辐射计自身热噪声；步骤三、根据测量多角度森林下行微波辐射亮度温度TBMEA与模拟的L波段森林下行微波亮度温度TBSIM，构建代价函数CF：CF＝|TBSIM-TBMEA...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑兴明，姜涛，李晓峰，赵凯，
申请(专利权)人：中国科学院东北地理与农业生态研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22