Kim et al., 2014 基于L波段雷達(dá)的全球土壤水分反演

【本文關(guān)鍵詞】土壤水分殖侵,雷達(dá)后向散射彰檬,L波段,植被類型乔询,植被含水量樟插,查找表
【內(nèi)容簡介】提出了一個(gè)基于植被類型的L波段雷達(dá)后向散射物理模型,使用查找表方法進(jìn)行土壤水分反演
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前向散射建模

特點(diǎn)

  • 在13種IGBP地表分類+4種主要作物類型(小麥竿刁、玉米黄锤、水稻、大豆)一共17種地表類型的基礎(chǔ)上食拜,只用植被水含量一個(gè)參數(shù)來表示植被層
  • 利用變形Born近似(DBA)對植被-土壤體系的雷達(dá)后向散射進(jìn)行建模鸵熟,將總的后向散射分為土壤、植被负甸、土壤-植被三分量流强。

模型參數(shù)

原始方程要求裸土復(fù)介電常數(shù)\varepsilon痹届,RMS高度s,相關(guān)長度l打月,植被光學(xué)厚度\tau队腐,植被水含量VWC

由于SMAP有三個(gè)觀測通道(HH,VV奏篙,HV)柴淘,需要把原方程中的變量減少到三個(gè)或以下(否則將變?yōu)榍范ǚ匠蹋?/p>

基于植被類型,用(1)植被水含量來表示植被層對后向散射的影響秘通。

用相關(guān)函數(shù)為各向同性指數(shù)函數(shù)的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程(stationary Gaussian random process)來描述(2)土壤層的粗糙度悠就,sl為其參數(shù)。為減少參數(shù)充易,進(jìn)一步假定l/s為常數(shù)(本文取值為10)

另一個(gè)參數(shù)是(3)土壤介電常數(shù)梗脾,這里只取了實(shí)部,因?yàn)樘摬颗c實(shí)部比例是一定的盹靴。

數(shù)據(jù)集(作者命名為數(shù)據(jù)立方體炸茧,Datacubes)建立

原文表1 不同植被類型對應(yīng)的VWC范圍

分裸土、木質(zhì)植被稿静、非木質(zhì)植被三類進(jìn)行討論梭冠。

由于三維數(shù)值Maxwell模型(Numerical Maxwell model for three dimensions,NMM3-D)計(jì)算量很大改备,首先只建立了6介電常數(shù)6均方根高度6(控漠?此處不確定)VWC的查找表,然后再將其插值為280280280的最終查找表悬钳。

不足

  • 受實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)限制盐捷,考慮的植被類型還不夠多樣
  • 次表面介電常數(shù)鄰域不連續(xù)
  • 使用各向同性近似描述土壤粗糙度,忽略了壟行結(jié)構(gòu)

應(yīng)用于土壤水分反演

N個(gè)不同時(shí)刻的觀測

方程(2N個(gè))

  • 2N個(gè)同極化后向散射系數(shù)
  • N個(gè)VWC輸入值

未知量(N+2個(gè))

  • 一個(gè)均方根高度s(認(rèn)為在這段時(shí)間內(nèi)地表粗糙度不發(fā)生變化)
  • N個(gè)時(shí)刻對應(yīng)的介電常數(shù)實(shí)部(通過其來獲取土壤水分)
  • 一個(gè)模型殘差項(xiàng)c

這是一個(gè)超定方程默勾,可以通過最小二乘形式的代價(jià)函數(shù)來進(jìn)行求解碉渡。

精度評價(jià)

主要的誤差來源:

  • 雷達(dá)觀測誤差:由于沒有實(shí)際的SMAP數(shù)據(jù),可以通過Monte-Carlo方法進(jìn)行模擬
  • 數(shù)據(jù)集建模誤差:主要是用VWC代替其他植被參數(shù)造成的誤差
  • 介電模型誤差:0.02\ cm^3/cm^3左右
  • 空間異質(zhì)性
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