CN104034739A - 双时相雷达监测土壤含水量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双时相雷达监测土壤含水量的方法，包括：根据雷达同极化数据建立半经验散射模型；根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测。本发明实施例能够不依赖地面先验知识，靠两景雷达遥感影像监测裸土含水量。

Description

双时相雷达监测土壤含水量的方法

技术领域

本发明涉及环境遥感技术领域，特别是涉及一种双时相雷达监测土壤含水量的方法。

背景技术

微波遥感是监测土壤湿度的一个有效手段，它是指通过微波传感器获取从目标地物发射或反射的微波辐射，经过判读处理来识别地物的技术。

由于SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)具有微波遥感的许多优势，再加上较高的空间分辨率，因此能够获得土壤湿度相对精确的信息，目前这些研究中大多基于地面试验或调查数据等先验知识来监测土壤湿度，实现方式较为繁琐。

发明内容

本发明实施例提供一种双时相雷达监测土壤含水量的方法，能够不依赖地面先验知识，靠两景雷达遥感影像监测裸土含水量。

本发明实施例采用如下技术方案：

一种双时相雷达监测土壤含水量的方法，包括：

根据雷达同极化数据建立半经验散射模型；

根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测。

可选的，所述根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测之后，还包括：

获取待检测区的土壤水分数据，对监测的土壤水分进行验证。

可选的，半经验散射模型为：

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度，p为同极化比。

可选的，当待检测区的土壤湿度和粗糙度恒定不变时，两景雷达影像的同极化比p₁，p₂分别如下：

$M_v=0.2{\left(\mathrm{lo}{g}_{\frac{1-p_2}{1-p_1}}^{\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\θ}}_1}}\right)}^{1.54}$

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度。

基于上述技术方案，本发明实施例的双时相雷达监测土壤含水量的方法，不需要地面先验知识而仅靠雷达影像，即可监测土壤湿度信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的双时相雷达监测土壤含水量的方法的流程图；

图2为本发明实施例土壤湿度、土壤类型和微波频率、穿透深度的关系示意图；

图3本发明实施例模型的验证结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种双时相雷达监测土壤含水量的方法，包括：

根据雷达同极化数据建立半经验散射模型；

根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测。

可选的，所述根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测之后，还包括：

获取待检测区的土壤水分数据，对监测的土壤水分进行验证。

可选的，半经验散射模型为：

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度，p为同极化比。

可选的，当待检测区的土壤湿度和粗糙度恒定不变时，两景雷达影像的同极化比p₁，p₂分别如下：

$M_v=0.2{\left(\mathrm{lo}{g}_{\frac{1-p_2}{1-p_1}}^{\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{{\mathrm{\θ}}_1}}\right)}^{1.54}$

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度。

本发明实施例的双时相雷达监测土壤含水量的方法，不需要地面先验知识而仅靠雷达影像，即可监测土壤湿度信息。

实施例2

雷达遥感监测土壤水分时，为了摆脱对地面粗糙度等先验知识的依赖，本实施例提出依靠两景HH/VV双极化影像的同极化比和不同的雷达入射角即可获知地表土壤湿度的半经验模型。

图1示出了本发明实施例的双时相雷达监测土壤含水量的方法流程图，步骤：

S1、分析土壤水分在微波波段的散射特性。

地物对微波具有散射作用，微波对地物有一定的穿透能力，其微波散射的强弱与电磁波的频率以及地物的物质组成、结构、介电特性、粗糙度等有关。土壤的介电常数决定于土壤含水量，土壤含水量越高，土壤的介电常数越大，微波的穿透能力越差。通常，波长越短散射越强，穿透力越弱，波长越长散射越弱、穿透力越强。图2表示了不同波长的微波对不同土壤的穿透能力，从图中可以看出，同一种土壤湿度越小，穿透越深，微波对干沙可以穿透几十米，但对潮湿的土壤只能穿透几厘米到几米，一般认为微波对土壤的穿透深度为5厘米左右。

S2、构建双时相SAR的土壤水分散射模型。

对于裸地可利用半经验的后向散射系数模型来估算其土壤湿度，本实施例的双时相雷达监测土壤含水量的方法基于该模型改进的只需两景HH/VV同极化影像即可获知地表土壤湿度的新的半经验模型，模型如下：

σ⁰ _hh,σ⁰vv是雷达同极化(hh/vv)散射系数，M_v是土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度。p为同极化比。模型适合范围较大的地表条件(0.04<M_v<0.291m³/m³，0.13<ks<6.98)。

对于裸地或低植被覆盖区域，如果两景时相相距很近(时间间隔在一周之内)的HH/VV双极化雷达影像，期间没有降雨/雪和灌溉等事件发生，也没有较大的人类农业活动等，其土壤湿度和粗糙度变化不大，可以假定不变，因此根据上述模型中的同极化比公式，可以得到两景HH/VV影像的同极化比p₁，p₂分别如下：

$M_v=0.2{\left(\mathrm{lo}{g}_{\frac{1-p_2}{1-p_1}}^{\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{{\mathrm{\&theta;}}_1}}\right)}^{1.54}$

σ⁰ _hh,σ⁰vv分别是雷达同极化(hh/vv)散射系数，M_v是土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度，l为表面相关长度。p为同极化比。模型适合范围较大的地表条件(0.04<M_v<0.291m³/m³，0.13<ks<6.98)。该法不依赖于地面先验知识而只依靠两景HH/VV双极化影像的同极化比和不同的雷达入射角即可获知地表土壤湿度和粗糙度的半经验模型。该模型应用的关键是两景时相相邻的HH/VV双极化影像，并且时相间隔内无降雨和改变地表粗糙度的人类活动发生，从而可以忽略土壤湿度及地表粗糙度的变化而假定其恒定。

S3、待检测区土壤水分数据的采集。

采用测量土壤体积含水量的时域反射仪TDR300，实地采集贵州安顺9个样地的裸土表层7.6厘米深度内的土壤水分数据，每个样地大小约30米×30米，样地之间间隔10-20米，每个样地采集五个样点，并求平均值，用以对上述反演的模型进行验证。

S4、利用实测的土壤水分进行验证。

利用该模型和两景ASAR影像，估算地面土壤含水量，和实测值的比较如图3。可以看出，验证结果较好，均方根误差RMSE为0.026cm³/cm³，平均绝对误差为0.024cm³/cm³，均在0.05cm³/cm³之内，表明该模型具有较好的精度。从而证明仅依赖两景同极化的雷达影像，而不依赖地面先验知识，即可获取地面土壤水分信息。然而不足的是，地面裸土样地较少，所以采样点也较少，使得土壤含水量的分布较集中在0.06-0.15cm³/cm³之间。

本实施例不依赖于地面先验知识，只依靠两景HH/VV双极化影像的同极化比和不同的雷达入射角即可获知地表土壤湿度的半经验模型，从而不需要地面先验知识而仅靠雷达影像，即可监测土壤湿度信息。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种双时相雷达监测土壤含水量的方法，其特征在于，包括：

根据雷达同极化数据建立半经验散射模型；

根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据半经验散射模型对待检测区进行土壤水分监测之后，还包括：

获取待检测区的土壤水分数据，对监测的土壤水分进行验证。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，半经验散射模型为：

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度，p为同极化比。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当待检测区的土壤湿度和粗糙度恒定不变时，两景同极化比同极化比p₁，p₂分别如下：

$M_v=0.2{\left(\mathrm{lo}{g}_{\frac{1-p_2}{1-p_1}}^{\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{{\mathrm{\&theta;}}_1}}\right)}^{1.54}$

其中，σ⁰ _hh为雷达水平同极化散射系数，σ⁰vv为雷达垂直同极化散射系数，M_v为土壤湿度，θ为雷达入射角，k为波数＝2π/λ，s为均方根长度。