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土壤湿度是气候、水文、生态、农业等领域的主要参数，在地表与大气界面的水分和能量交换中起重要作用。在充分调研土壤湿度遥感监测方法及偏振遥感应用现状的基础上，本论文提出利用光学偏振遥感技术反演土壤湿度的方法。
在开展含水土壤光学偏振特性及土壤湿度偏振反演算法研究时，采用偏振度作为研究不同湿度土壤表面偏振特性的表征参数，从定性和定量两方面对土壤表面偏振特性与土壤湿度之间的关系进行研究，主体内容包含三个方面：不同湿度土壤表面的光学偏振特性研究、土壤粗糙面的偏振散射模型模拟与验证、以及土壤湿度的光学偏振反演及真实性验证。
为了研究不同湿度土壤表面的偏振特性，首先，采用了偏振光谱仪对不同湿度的河沙、红砂土、黄棕壤样品进行了多角度观测，获取到了不同湿度土壤表面的光谱偏振度曲线，着重对不同角度上偏振度受湿度的影响进行了显著性分析。结果表明，当光源照射角较大时，不同观测角上土壤表面的偏振度与土壤湿度之间存在单调递增关系，并且在大的观测角度上，土壤表面偏振度受湿度影响更显著。其次，采用偏振相机分别在在实验室和野外对不同湿度的黄棕壤土壤样品表面进行了多角度探测，对比室内和野外的观测结果发现，采用室内模拟光源和野外太阳光照射土壤表面，观测到不同湿度土壤表面的偏振度变化规律基本一致，固定光源照射角时，在大的观测角度上，土壤表面偏振度较大，并且受湿度影响更明显。
为了分析土壤表面偏振特性与湿度之间的本质联系，建立了基于几何光学的粗糙面偏振散射模型，并对不同湿度红砂土、黄棕壤表面的多角度偏振观测结果进行了模拟，将模拟结果与实测结果进行比对，获得不同湿度情况下模型中的参数，结果表明，在土壤表面固体颗粒的排列状态保持一致时，湿度使土壤表面的粗糙情况发生改变，土壤表面反射中的镜面反射比例增加，并且微面元的法线朝向趋于一致，最终改变土壤表面的偏振特性。
为了建立土壤表面偏振特性与湿度之间的定量关系，在土壤表面偏振度受湿度影响显著的几何观测条件下，采用偏振相机对不同湿度土壤表面进行观测，结果表明，在此几何观测条件下，土壤表面偏振度与土壤湿度之间满足线性关系。并采用一次回归得到土壤湿度的偏振反演公式，对大量含水土壤样品的湿度进行了反演，反演数据与实测数据比较一致，证实了采用光学偏振遥感算法反演土壤湿度的可行性。
论文对不同湿度土壤表面的偏振特性进行了全面探测和分析，在此基础上给出了土壤湿度的偏振反演算法，并加以了验证。结果表明光学偏振探测技术能够有效反映土壤的湿度信息，为土壤湿度的反演提供了一种新的途径，对传统光学遥感方法进行了补充。