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土壤水分是影响作物生长和地-气界面水热交换及全球水循环过程的关键变量。土壤水分的准确监测与预报在作物生长与估产、旱涝灾害监测和预报、地表水文研究、全球水循环和能量交换等方面发挥着关键作用。与光学遥感相比,微波遥感对于土壤水分变化十分敏感,其中的L波段被认为是监测土壤水分的最佳波段。尽管SMOS(Soil Moisture Ocean Sanility)与SMAP(Soil Moisture Active Passive)计划已经能够提供全球范围的土壤水分产品,但由于被动微波遥感土壤水分产品的空间分辨率为几十公里尺度,且像元内部土壤水分存在程度不一的异质性,导致这些土壤水分产品(或反演算法)的不确定性一直没有在我国东北区域进行精确地评估。因此,本论文针对被动微波像元尺度的土壤水分产品真实性检验与算法改进开展研究,通过建设与运行微波像元尺度土壤水分观测网络(36km×36km),评估了L波段被动波遥感土壤水分产品的不确定性,取得的主要研究成果如下:(1)像元尺度农田土壤水分观测网络的建设东北地区是我国最大的商品粮基地,平原面积广阔,主要的农作物为小麦、水稻和玉米。东北农田区土壤水分准确监测对于粮食产量和农业发展具有重要作用。为验证被动微波遥感土壤水分产品在东北农田区域的不确定性,首先需要获取一套精确的地面土壤水分观测数据集。本论文首先考虑植被类型均一性、高程差小、土壤质地均一等原则,选择了吉林省长春市北郊农田区(主要作物为玉米)作为被动微波遥感土壤水分产品的检验场;其次利用土壤表观热惯量(ATI)来表示被动微波像元内土壤水分的空间异质性,并结合规则格网方法选定了土壤水分观测站点;然后对观测站点的土壤水分传感器进行了室内定标,以减小点尺度测量值的不确定性。通过以上工作的开展,最终提出了一套适合于被动微波像元尺度土壤水分产品真实性检验的地面观测网络的建设规范。(2)像元尺度被动微波遥感土壤水分产品的精度分析通过被动微波像元尺度土壤水分观测网络的成功运行,利用2016年至2017年的时间序列土壤水分观测网络实测数据验证了SMAP和SMOS L3被动微波遥感土壤水分产品。与实测土壤水分相比较,2016年的SMOS L3(升降轨)和36km SMAP_L3_P被动微波遥感土壤水分产品存在低估现象,伴随降雨事件会出现高于实测土壤水分的情况;SMOS升降轨被动微波遥感土壤水分产品的均方根误差(RMSE)分别为0.125 cm3/cm3和0.127 cm3/cm3;而无偏均方根误差(ub RMSE)分别为0.123 cm3/cm3和0.090 cm3/cm3,说明降轨土壤水分产品受随机误差的影响较大;SMAP_L3_P被动微波土壤水分产品数据的ub RMSE略低,为0.078cm3/cm3。两种被动微波土壤水分产品的ub RMSE都大于0.07cm3/cm3。与实测土壤水分相比较,类似于2016年验证结果,2017年的SMAP_L3_P升降轨被动土壤水分产品存在“干偏”现象(负偏差),RMSE分别为0.074cm3/cm3和0.062 cm3/cm3,SMAP_L3_P降轨被动土壤水分产品与实测数据的一致性较好,二者的RMSE都超过了0.06 cm3/cm3,没有达到SMAP预期精度。在选定的36 km像元内(嵌套模式),大部分9km增强型SMAP L3级升降轨土壤水分产品(SMAP_L3_P_E)的RMSE大于0.07cm3/cm3(降轨),和0.08cm3/cm3(升轨),同样地,SMAP_L3_P_E降轨被动土壤水分产品与实测数据的一致性较好。SMAP_L3_P_E被动土壤水分产品也存在干偏现象,且其RMSE高于相应的36 km SMAP_L3_P被动土壤水分产品的RMSE。综合两年的被动土壤水分产品的评价结果,都没有达到SMOS和SMAP卫星预期精度,并且都存在干偏现象,需要对影响土壤水分反演的因素进行分析。(3)SMAP土壤水分反演算法参数优化方法研究通过对比分析发现,SMAP土壤温度(Ts)是使得SMAP_L3_P被动土壤水分产品低估及SMAP_L3_P升降轨被动土壤水分产品产生精度差异的重要参数。在裸土/低矮植被阶段,SMAP升降轨Ts的偏差分别为-5.46K和-1.33K,而在高植被阶段,升降轨时刻实测Ts与植被温度(Tc)之间的偏差为2.11K和-0.21K,SMAP升轨土壤温度的不确定性大于SMAP降轨土壤温度的不确定性,并且该参数被低估。SMAP降轨土壤温度的不确定性满足SMAP任务要求(2K),我们对SMAP升轨Ts进行了校正。校正SMAP升轨Ts后,裸土/低植被阶段和高植被覆盖阶段的SMAP_L3_P升轨被动土壤水分产品的RMSE分别从0.063 cm3/cm3降低到0.041 cm3/cm3和0.083 cm3/cm3降低到0.078 cm3/cm3,裸土/低矮植被阶段精度明显提高且接近SMAP任务要求,高植被阶段精度提高不明显,可能需要对影响该阶段土壤水分反演的其他因素如植被含水量等做进一步研究。