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土壤水分在全球水资源中所占的比例很小，储存在土壤间隙中的水分仅占全球水资源的0．005％，但它对各种尺度的水文、大气以及农业过程都非常重要。土壤水分直接影响着地球表层与大气圈之间的热交换以及水分交换，从而对气候变化产生重要的影响。同时，在地球系统中，土壤水分与能量、碳循环之间紧密相关，对陆地表面蒸散发、水的运移和碳收支有很强的控制作用。因此，获取土壤水分的时空分布，是研究全球范围内水循环，能量平衡和气象预报的先决条件，对水资源的有效管理和高效利用也具有非常重要的现实意义，尤其对于中国西部广袤的干旱．半干旱地区。
凭借其全天时、全天候的观测能力，以及对土壤水分的高敏感性，主、被动微波遥感在土壤水分的反演研究中得到了广泛的应用。星载被动微波辐射计观测拥有很高的时间分辨率，但空间分辨率太粗，难以应用在流域尺度上。星载SAR可以提供米级的高分辨率观测，可以满足流域尺度的研究及水资源管理要求。
微波遥感反演土壤水分的研究已经历经几十年，为了从包含有众多因素(大气、植被的影响等)贡献的观测信号中获取土壤水分的信息，各种模型与算法发展了起来。从早期的简单线性模型，逐渐发展到经验、半经验模型，并随着地物与电磁波相互作用机理研究的深入，理论方法在研究中发挥越来越重要的作用。但是在理论模型中，地表粗糙度是必需的参数，而粗糙度对微波观测信号的影响是不可忽视的，尤其对主动微波而言。如何能获取像元尺度分布的粗糙度信息对利用物理模型进行土壤水分反演至关重要。此外，机载的微波辐射计在国外的各种大型遥感观测试验中得到了广泛的应用，取得了许多成果，推进了微波遥感理论与算法的发展和对流域水文循环的研究。但是，在我国利用机载微波辐射计数据开展定量遥感的工作还不多见，尤其是反演土壤水分方面。
因此，本研究依托于黑河试验项目，利用试验中收集的ASAR影像、机载微波辐射计数据以及相应的地面同步观测数据，在黑河流域典型区开展土壤水分反演研究。研究中主要使用的面散射模型是AIEM，为了了解地表各参数对微波信号的影响，也为了对后续的反演工作提供先验知识，首先基于Dobson介电混合模型和AIEM模型做敏感性分析，掌握地表参数对微波辐射、散射特性的影响。在此基础上，主要开展了利用主、被动微波遥感数据反演土壤水分的工作，包括：
1．通过正向模型参数敏感性分析，发现土壤水分是影响介电大小的主导因素，其他土壤参数对介电的影响都比较小。正因为此，无论是发射率还是后向散射系数对土壤水分的变化都非常敏感，土壤水分的增加会引起发射率的降低、后向散射系数的增大。对于发射率而言，粗糙度的增大会引起发射率的升高；对于后向散射系数，其随粗糙度的变化比较复杂，主要受观测入射角的影响，但总体来讲非常敏感，其对后向散射系数的影响有时甚至超过土壤水分。
2．针对SAR反演土壤水分时地表粗糙度的强烈影响，本研究利用3景时序接近的ASAR影像，采用2种策略对黑河中游临泽草地试验区的地表参数进行了反演和估算：①使用两个不同角度的ASAR观测，并利用AIEM模拟获得半经验模型，结合地表相关长度和均方根高度的标定关系，可以首先获得地表粗糙度的分布，进而可以通过AIEM进行土壤水分的反演；②直接利用3景数据，同时反演获得土壤水分和地表粗糙度。通过以上的反演策略，可以获得像元尺度上的粗糙度分布状况而不使用地面辅助观测信息，从而避免了粗糙度点观测尺度上推过程中的不确定性。经过验证，土壤水分取得了较为满意的结果(均方根误差<0．06 cm3cm-3)。反演误差的主要来源是植被的影响。
3．使用K波段的机载微波辐射计观测，分别在黑河上游阿柔试验区反演了融化和冻结状况下土壤的液态含水量。由于可使用的观测只是单波段的，因此采用单通道的反演策略。对于含冰土壤，使用了改进的Dobson介电模型，并且，K波段的观测在冻土状态下仍然满足面散射的条件，因此反演中仍然使用AIEM作为正向模型。反演结果与地面实测相比整体偏小，带来误差的主要因为是辐射计的观测，包括定标以及仪器本身的灵敏度问题，以及地面点观测对于较粗分辨率的被动观测像元的代表性问题等。
最后对本论文研究工作存在的问题进行了分析，并讨论了解决途径和进一步的研究方向。为了获取区域上分布的粗糙度信息，今后可以借助激光雷达的观测；另外，随着越来越多的星载SAR可以提供全极化的数据，利用极化分解技术也有助于分离地表土壤和植被各自的贡献，从而减少植被的影响；利用ScanSAR数据可以在流域尺度上进行时间序列的观测，将更加有助于流域水文循环的研究；最后，在野外观测中，要加强对植被参数测量的重视，对于地面同步观测，如何设计更加科学、合理的采样策略也是一个需要加强研究的重要科学问题。