卫星遥感土壤水分产品订正方法及反演算法研究

作     者：徐作敏 

作者单位：中国气象科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：唐世浩

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 09[农学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0903[农学-农业资源与环境] 0816[工学-测绘科学与技术] 081602[工学-摄影测量与遥感] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 090301[农学-土壤学] 

主      题：土壤水分 遥感 再分析资料 地面站 变分订正方法 VPDI 

摘      要：遥感手段能够从空间对地表进行大尺度、长周期的观测。从遥感光谱波段使用上,土壤水分的遥感监测研究可分为光学遥感和微波遥感两大类。光学遥感空间分辨率高,但该波段穿透力有限,受云等天气现象影响较大,不能进行全天候观测。微波遥感能够穿透云雾,可对土壤水分进行全天时、全天候地观测,但其空间分辨率较低,且受地表粗糙度影响较大。由于缺少真实的观测数据检验,土壤水分产品的准确度尚存在很多不确定性,直接影响产品的应用。在使用不同土壤水分产品前对产品质量进行评估是非常关键的。由于遥感反演土壤水分产品精度存在不确定性,对土壤水分产品进行科学的质量订正十分必要。为了获取准确的土壤水分信息,本文对五种土壤水分产品SMAP、FY-3C、ERA-Interim、NCEP R-1和NCEP R-2进行评估。基于真实性检验结果,利用FY-3C微波成像仪(MWRI)的土壤水分数据,使用变分订正方法对土壤水分产品进行订正,并对订正效果进行评估。土壤水分空间变化较大,基于光学遥感空间分辨率高的优势,本文使用近红外(NIR)和红光(RED)波段的辐射获得的二维光谱空间分布,提出了基于光学遥感数据的植被垂直干旱指数(VPDI)法。本文主要工作和成果有:对五种土壤水分产品SMAP、FY-3C、ERA-Interim、NCEP R-1和NCEP R-2进行评估,使用的地面站点数据是2016年青藏高原的外场观测试验数据。在青藏高原地区SMAP土壤水分产品相对于其他产品而言,与实测值偏差最小且相关系数最高;在植被覆盖情况下,低植被覆盖时卫星反演土壤水分质量较好,而在高植被覆盖时,再分析资料提供的土壤水分数据与实测数据偏差较小;卫星产品在青藏高原地区可以更好地反映季节变化,而再分析资料提供的土壤水分季节变化不明显。选取青藏高原地区土壤水分FY-3C微波成像仪(MWRI)的土壤水分数据为试验数据,使用变分订正方法对FY-3C微波成像仪(MWRI)的土壤水分数据进行试验并对订正结果进行检验。结果表明:订正后可以极大提高产品的精度。为了进一步对订正方法进行检验,选取了山东省农业气象站土壤水分数据对FY-3C土壤水分订正前、后产品进行评估,结果显示订正后FY-3C土壤水分产品与地面站土壤水分间偏差减小、相关性明显提高。2016年3-4月山东省干旱过程订正前、后FY-3C土壤水分变化情况进行对比,订正后FY-3C土壤水分更准确地反映出此次干旱过程,利用变分订正方法可以有效地提高土壤水分产品的精度,并更好地反映干旱过程的特征。使用近红外(NIR)和红光(RED)波段的辐射获得的二维光谱空间分布,将植被和土壤光谱分离,提出了一种新的在植被覆盖情况下的干旱监测方法,即基于光学遥感数据的植被垂直干旱指数(VPDI)法。本文使用Himawari-8数据分别计算了青藏高原VPDI和PDI值,并使用那曲地区地面站实际观测数据对VPDI和PDI进行对比验证分析。结果显示:VPDI与PDI相比较,VPDI在高植被覆盖时改进显著;随着植被覆盖的增加,PDI与地面站土壤水分数据相关逐渐变差,VPDI与地面站土壤水分相关系数始终较高。VPDI克服了PDI在植被覆盖影响下随植被覆盖增加而引起的失真现象,VPDI与地面站土壤水分相关较好,可以用于不同植被覆盖条件下的实时动态干旱遥感监测。