一种fy-3c被动微波数据估算土壤湿度的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种定量遥感技术，尤其涉及一种FY-3C被动微波数据估算土壤湿度 的方法。
【背景技术】
[0002] 地球上的水由海洋水、陆地水和大气水三部分组成，各组分的水在全球环境变化 中都具有重要的作用。其中土壤水分尽管只占到地球总水量的0.005%，但是它对于水圈、 生物圈以及大气圈之间的相互作用有着极为重要的影响，是全球水循环运动中的一个重要 的组成部分。土壤湿度是反映土壤水分状态的关键参数，了解并获取大尺度、长时间序列的 土壤湿度分布和变化状况，对于研究和解决全球变化、农业、生态、水文、环境等方面所面临 的问题有着十分重要的意义。传统土壤湿度的观测方法只能获取有限观测点的土壤湿度数 据，观测结果仅能反映观测点周围区域的土壤湿度情况，因而空间代表性较差，且通过传统 方法获取长时间序列土壤湿度数据的成本较高。因此，无法满足当前农业、生态、环境等方 面的需求。
[0003] 现有的基于微波辐射传输理论的土壤湿度估算方法存在的主要缺点为:算法较为 复杂，需要直接输入的地表状态参数(如粗糙表面发射率和植被光学厚度)获取难度大，而 且在这些地表参数的计算过程中需要更多的其它地表参数(如植被含水量），误差较大，导 致这些土壤湿度估算方法在实际应用中受到了很大的限制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种FY-3C被动微波数据估算土壤 湿度的方法。
[0005] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0006] 本发明包括以下步骤：
[0007] 步骤一 :FY_3C卫星MWRI传感器陆表温度L2产品数据获取及其预处理，所述数据预 处理包括以下步骤：
[0008] (1)提取8个通道（10.7GHz(H V)，18.7GHz(H V)，23.8GHz(H)，36.5GHz(V)， 89.0GHz(Η V))的亮温数据(Η和V分别代表水平极化和垂直极化），其中通道10.7GHz (Η V) 是用于土壤湿度估算，通道36.5GHz (V)是用于计算土壤湿度估算中用到的地表温度，其他 通道数据用于步骤2中掩膜无效像元；
[0009] (2)根据如下公式将DN值转化为星上亮温；
[0010] 公式一：Tb = gainXDN+offset
[0011] 式中，Tb为星上亮温;DN为计数值;对于FY-3C卫星丽RI传感器陆表温度L2产品的 亮温数据，所有通道的gain和of f set分别为0.01和327.68;
[0012] (3)将ESD投影平面坐标转为地理坐标；
[0013] (4)对亮温数据进行裁剪得到陆地范围亮温数据；
[0014] 步骤二:受降雨、冰雪、冻土影响以及大量无线电射频信号干扰的像元并不适合土 壤湿度估算，因此将其视为无效像元，并对其进行掩膜处理。掩膜像元不进行土壤湿度估 算，全部赋值为-1.0;
[0015] 如下为掩膜条件，满足以下条件的像元即为无效像元：
[0016] 雨：Tb89V〈249K;
[0017] 冰雪、冻土 ： Tb36V〈250K 且 Tb36V-Tbl8V〈-3K;
[0018] 无线电射频信号干扰:Tb 10V〈Tb 10H 或 Tb 18H〈Tb 10H-5K 或 Tb 18V〈Tb 10V-5K。
[0019] 步骤三:地表土壤湿度估算：
[0020]对于植被覆盖地表，星上亮温的贡献主要由以下6个方面组成：（a)土壤发射辐射； (b)植被直接发射辐射；（c)地表对植被的反射辐射；（d)大气上行辐射；（e)地面对大气下行 福射的反射福射;（f)地面对宇宙背景福射的反射福射;微波福射传输方程可以表不为：
[0021]
[0022] 式中，p代表不同极化，包括水平极化(H)和垂直极化(V);Tb为星上亮温，可从卫星 数据中直接获取;Ts和Tv分别为土壤和植被温度，本发明假定Ts = Tv; Tb, a丨，Tb, a丨，Tb,。分别为 大气上行、下行和宇宙背景辐射的亮温，这三个参数值较小，其变化对方程影响较小，可以 赋值为常数，且与微波频率和极化无关，即!^丨=6.01(，1^丨=8.71(，1^ = 2.7251(;1%和1% 分别为植被层和大气层的透过率，Γν = θχρ(_τν)，ra = exp(-Ta)，Tv是植被光学厚度，"^是 大气光学厚度，在FY-3C卫星MWRI传感器的观测角53°度下，^为0.014; es为土壤粗糙表面发 射率；ω v为植被单次散射反照率，在10.7GHz频率处，ω v = 〇. 07，与极化无关；
[0023]在公式二中，星上亮温Tb可从卫星数据中直接获得;右边三个未知数 糙地表发射率es的获取首先需要根据菲涅尔方程计算光滑地表发射率es_th，然后再加入 地表粗糙度对地表发射率的影响，该过程计算复杂，需要多个描述地表粗糙度的参数，误差 较大。鉴于此，将地表粗糙度对星上亮温的影响与植被光学厚度τ ν对星上亮温的影响合二 为一，这样微波辐射传输方程中的植被光学厚度由新的变量τ'ν代替，该变量包含了植被 和地表粗糙度对星上亮温的综合影响，同时，方程中的粗糙地表发射率e s由光滑地表发射 率代替，微波辐射传输模型可以表示为：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]在公式三中两个极化的星上亮温TbH和Tbv可从卫星数据中直接获得；右边三个未 知数Ts，ε smcroth和 τ ' v;
[0028]光滑表面发射率￡_。也的计算：
[0029]建立介电常数ε与土壤湿度mv的关系
[0030] 公式四：?:=(丨 + "丨5 + ）+ (/)(! + + )〃/, + (?Λ) + C'丨S +
[0031] 在 10.7GHz频率处ao = 2.502，ai = -〇. 003，a2 = -0.003，bo= 10.101，bi = 0.221，b2 =-ο · 004，CQ = 77 · 482，Cl = -ο · 061，C2 = -ο · 135，S 为沙土含量，C 为黏土含量。
[0032] 根据菲涅尔方程计算光滑地表反射率
[0033] 公式五：
[0034] 式中，u是FY-3C卫星MWRI传感器地面入射角53° ;H，V为两个极化。
[0035] 因此，光滑表面发射率可以表示为：
[0036] 公式六：
[0037] 根据如下公式进行地表温度估算：
[0038] 公式七
[0039] 式中，Ts为地表温度，n365Gm为通道36 · 5GHz (V)的星上亮温，a = 0 · 893，b = 44 · 8;
[0040] 综上，根据公式三通道10.7GHz(H V)可以建立两个方程，两个方程中只有两个未 知数土壤湿度mv和τ ' v，因此可以根据最小二乘拟合法求解土壤湿度。
[0041] 本发明的有益效果在于：
[0042]本发明是一种FY-3C被动微波数据估算土壤湿度的方法，与现有技术相比，本发明 通过被动微波遥感技术来监测区域、全球尺度的土壤湿度时空分布和变化规律，可以有效 地提高水文和气象模型等的预报精度，为农业生产和灾害防控提供实时、准确、可靠的数据 支持，对全球变化、农业、生态、水文、环境等领域的研究和工作具有十分重要的实用价值。
【具体实施方式】
[0043]下面对本发明作进一步说明：
[0044]本发明包括以下步骤：
[0045] 步骤一 :FY-3C卫星MWRI传感器陆表温度L2产品数据获取及其预处理，所述数据预 处理包括以下步骤：
[0046] (1)提取8个通道（10.7GHz(H V)，18.7GHz(H V)，23.8GHz(H)，36.5GHz(V)， 89.0GHz(Η V))的亮温数据(Η和V分别代表水平极化和垂直极化），其中通道10.7GHz (Η V) 是用于土壤湿度估算，通道36.5GHz (V)是用于计算土壤湿度估算中用到的地表温度，其他 通道数据用于步骤2中掩膜无效像元；
[0047] (2)根据如下公式将DN值转化为星上亮温；
[0048] 公式一：Tb = gainXDN+offset
[0049] 式中，Tb为星上亮温;DN为计数值;对于FY-3C卫星MWRI传感器陆表温度L2产品的 亮温数据，所有通道的gain和of f set分别为0.01和327.68;
[0050] (3)将ESD投影平面坐标转为地理坐标；
[0051] (4)对亮温数据进行裁剪得到陆地范围亮温数据；
[0052]步骤二:受降雨、冰雪、冻土影响以及大量无线电射频信号干扰的像元并不适合土 壤湿度估算，因此将其视为无效像元，并对其进行掩膜处理。掩膜像元不进行土壤湿度估 算，全部赋值为-1.0;
[0053]如下为掩膜条件，满足以下条件的像元即为无效像元：
[0054] 雨：Tb89V〈249K;
[0055] 冰雪、冻土 ： Tb36V〈250K 且 Tb36V-Tbl8V〈-3K;
[0056] 无线电射频信号干扰:Tb 10V〈Tb 10H 或 Tb 18H〈Tb 10H-5K 或 Tb 18V〈Tb 10V-5K。
[0057] 步骤三:地表土壤湿度估算：
[0058]对于植被覆盖地表，星上亮温的贡献主要由以下6个方面组成：（a)土壤发射辐射； (b)植被直接发射辐射；（c)地表对植被的反射辐射；（d)大气上行辐射；（e)地面对大气下行 福射的反射福射;（f)地面对宇宙背景福射的反射福射;微波福射传输方程可以表不为：
[0059]公式二：
[0060] 式中，p代表不同极化，包括水平极化(H)和垂直极化(V);Tb为星上亮温，可从卫星 数据中直接获取;Ts和Tv分别为土壤和植被温度，本发明假定Ts = Tv; Tb, a丨，Tb, a丨，Tb,。分别为 大气上行、下行和宇宙背景辐射的亮温，这三个参数值较小，其变化对方程影响较小，可以 赋值为常数，且与微波频率和极化无关，即!^丨=6.01(，1