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基于微波遥感的土壤水分反演估算研究进展郑曼迪;刘忠;许昭辉;李剑辉;孙君龄【期刊名称】《土壤学报》【年(卷),期】2024(61)1【摘要】土壤水分是地表和大气水热过程交换的重要纽带,对于农业生产、生态规划、水资源管理等具有十分重要的意义。
微波遥感具有基本不受天气条件影响,具有较好探测植被覆盖下的土壤信息和土壤水分变化趋势等优势,成为目前遥感精确反演土壤水分的热点。
本文整理了现有全球尺度的基于微波遥感的土壤水分产品;分析比较了土壤水分反演中主动微波遥感、被动微波遥感、主被动微波协同技术的原理、特点、适用范围和关键技术进展:主动微波遥感和被动微波遥感的优势分别在于高空间分辨率和高时间分辨率,高空间分辨率可以很好捕捉地表细微的空间信息特征,但囿于土壤水分与后向散射系数之间的复杂关系,特别是植被、地表粗糙度等对雷达后向散射系数的干扰,使得反演土壤水分的精度不高,因而根据现实情况选取不同散射模型以及利用多源数据协同是目前改善精度的研究热点。
而高时间分辨率可以实现全球及大尺度下的土壤水分监测,但是很难满足小尺度或者小区域范围的实际研究需求,为了能使实测数据在空间上得以较好匹配,提出多种降尺度方法。
结合以上两种微波遥感方式的优劣,依托更为丰富的数据源、相对成熟的观测技术来对两者进行融合以提取更多的水分信息,以提升反演精度或者获得长时间序列数据。
在目前的方法中,土壤水分反演在小尺度下表现出良好的性能,但在全球尺度上会出现数据缺失、适用性不强、反演精度不高以及反演过程过于复杂等诸多问题,可以借助多种观测方式(多极化、多角度、多波段)、多时相重复观测、在原有模型上引入新的算法以及数据同化等方面着手进行改进,同时全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)中长期稳定、高时空分辨率的L波段微波信号在陆面遥感领域的快速发展也为我国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)的发展提供了借鉴,展现出在土壤水分反演方面的巨大潜力。
微波遥感大面积土壤含水量估算理论与方法土壤介电性与介电常数模型1.介电性描述：介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数(relative permittivity或dielectric constant)，又称诱电率，与频率相关。
介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。
如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内有可观的下降。
理想导体的相对介电常数为无穷大，因为导体中内部场强总为零，而且由于无穷大的电导率导致趋肤深度为零，导体内形成电磁屏蔽。
介电常数：电场中相对真空介电常数：电场中磁导率：磁场中相对真空磁导率：磁场中复电导率：ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数。
通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。
真空介电常数，又称为真空电容率，或称电常数，是一个常见的电磁学物理常数，符号为ε0。
在国际单位制里，真空介电常数的数值为：ε0 = 8. 854187817 × 10-12F/ m（近似值）；2.极化和磁化：在外部电场的影响下，一种介电物质会产生小的偶极子。
偶极子是一对相反的电荷，可以用两个电荷相隔一个很小的距离来近似。
许多物质可以用偶极子近似，因为相对于电荷之间的距离，电场对细微的细节不敏感。
例如原子的偶极子，电子或电子云围绕着一个正电荷。
由于电场的存在，这些电子受相反力量的牵制，结果是这些电子彼此相对移动。
这被称为电子极化。
分子通常包含不同种类的原子，每个原子有自己的电子云。
这些电子云不是对称共享的，但它们是分离偏心的面对较强的结合原子。
当分子具有对称排列的原子时，这种分子称为非极性分子，因此正和负电荷的重心相同。
由于核的吸引，电子云不能移动或变形很大，在作用场的影响下，电子云将会移动或变形以一种方式，这种方式就是电荷随着作用场将达到均衡状态。
基于微波测量原理的单点土壤水分传感器的开发与应用研究的开题报告一、研究背景与意义土壤水分是衡量土壤水分状况和生态环境的重要指标，对于农业、生态环境、水资源管理等领域具有重要的研究价值和应用前景。
传统的土壤水分探测方法主要有重量法、干湿法、绝对压力法，这些方法的缺点是需要将土样取出后进行处理，破坏了土壤结构，且测量速度较慢、人力物力耗费较多。
因此，发展一种基于微波测量原理的单点土壤水分传感器具有重要的意义和应用价值。
二、国内外研究现状目前国内外已有学者研究了基于微波测量原理的土壤水分传感器，并且在实际应用中取得了显著的效果。
其中，国外研究主要集中在构建数学模型和测量系统，而国内研究重点在于传感器的实现和应用。
但是，目前已有的传感器存在着测量精度不高、操作不方便、工作稳定性差等问题，需要进行进一步的研究和解决。
三、研究内容和目标本研究将基于微波测量原理开发一种单点土壤水分传感器，其主要技术路线包括：设计传感器结构、选择合适的微波器件和信号处理器件、校准传感器并进行性能测试、开展现场应用实验等。
研究目标是可靠、精确、稳定、操作简便的单点土壤水分传感器。
四、研究方法和方案本研究将采用理论分析和实验方法相结合的研究方法。
具体包括：（1）基于微波测量原理设计并制作传感器结构，选择合适的微波器件和信号处理器件；（2）根据传感器的特性进行系统校准，提高测量精度和稳定性；（3）在实验室内对传感器进行性能测试，验证其准确性和稳定性；（4）在不同土壤环境条件下进行现场应用实验，验证其在实际使用中的可行性；（5）结合实验结果对传感器进行优化设计，提升其性能。
五、预期结果与意义预计本研究将开发出可靠、精确、稳定、操作简便的单点土壤水分传感器，并进行性能测试和实际应用验证。
该传感器能够在短时间内实现土壤水分快速测量，具有良好的应用前景和推广价值，能够在农业、生态环境、水资源管理等领域发挥重要的作用。
基于遥感的土壤湿度监测研究一、引言土壤湿度是农业生产、水资源管理和生态环境保护等领域中一个至关重要的参数。
准确、及时地获取土壤湿度信息对于合理灌溉、干旱预警、作物生长预测以及生态系统评估等具有重要意义。
传统的土壤湿度监测方法往往费时费力，且难以实现大面积的同步观测。
随着遥感技术的迅速发展，为土壤湿度的监测提供了一种高效、便捷且大面积同步观测的手段。
二、遥感监测土壤湿度的原理遥感技术通过传感器接收来自地表的电磁辐射信号，这些信号包含了与土壤湿度相关的信息。
不同的电磁波谱段对土壤湿度的响应有所不同。
例如，在可见光和近红外波段，土壤的反射率主要受到土壤质地、颜色和粗糙度的影响；而在微波波段，土壤湿度的变化会导致介电常数的改变，从而影响微波的后向散射系数。
常用的遥感数据源包括光学遥感和微波遥感。
光学遥感数据如陆地卫星（Landsat）、哨兵卫星（Sentinel）等，通过植被指数、地表温度等参数间接反演土壤湿度。
微波遥感如合成孔径雷达（SAR），则对土壤湿度有更为直接和敏感的响应。
三、遥感监测土壤湿度的方法（一）基于热红外遥感的方法通过测量地表温度来推测土壤湿度。
当土壤湿度较高时，水分的蒸发会带走热量，导致地表温度相对较低；反之，土壤湿度较低时，地表温度较高。
利用这一原理，可以建立地表温度与土壤湿度之间的关系模型。
（二）基于微波遥感的方法微波遥感能够穿透云层，不受天气条件的限制，对土壤湿度具有较强的穿透能力。
其中，主动微波遥感（如 SAR）通过发射微波并接收后向散射信号来获取土壤湿度信息；被动微波遥感（如微波辐射计）则接收地表自然发射的微波辐射来反演土壤湿度。
（三）多源遥感数据融合的方法结合光学遥感和微波遥感的优势，综合利用不同遥感数据的特点，可以提高土壤湿度监测的精度和可靠性。
例如，将光学遥感获取的植被信息与微波遥感的土壤湿度信息相结合，能够更准确地评估土壤湿度状况。
四、遥感监测土壤湿度的影响因素（一）地表覆盖类型不同的植被类型和覆盖度会对遥感信号产生干扰，影响土壤湿度的反演精度。
基于微波探测技术的土体含水率研究水是地球上最为重要的自然资源之一，对于人类和自然环境都有着至关重要的影响。
而土壤是自然界中最为常见的水分储存和输送介质之一。
因此，对土体含水率的研究具有重要的理论和应用价值。
传统的土体含水率检测方法主要是基于重量差计算法和干燥法。
这些方法需要对取样进行物理或化学处理，需要较长的实验时间，且容易受到外界因素的影响，存在一定的误差。
而近年来，基于微波探测技术的土体含水率检测方法越来越受到研究者的关注，在线、无损、高效、精确等优点使得其在土力学、水文地质、环境科学等领域应用广泛。
微波探测技术是一种非接触式检测手段，可以快速、准确地测量土体含水率。
其原理是利用微波在物体中传播时，与物体中的水分子发生共振，从而获得反射微波的幅度和相位信息，最终推导出土体含水率。
与其他检测方法相比，无损、高效、精确等优势让微波探测技术成为土体含水率检测的首选手段之一。
微波探测技术的应用领域十分广泛。
例如，在水文地质研究领域，微波探测技术可以通过对土体含水率的非接触式检测，实现地下水位、渗透系数等水文地质参数的定位和研究。
在工程应用方面，微波探测技术可以用于耐久性检测、水泥深度测量和结构缺陷检测等。
除了应用领域广泛之外，微波探测技术在土体含水率研究方面也取得了丰硕的成果。
研究人员通过微波探测技术，对土体含水率的变化规律和影响因素进行了深入研究，例如土壤类型、质量和结构的变化等。
研究人员发现，微波探测技术可以有效解决传统的土体含水率检测方法所面临的一些问题，比如需要对取样进行物理或化学处理、需要较长的实验时间、易受外界因素干扰等。
微波探测技术作为一种“无损检测”的技术手段，具有众多优点，可以为土壤水分研究提供全新的视角和研究思路。
当然，微波探测技术在土体含水率研究方面也存在一定的技术难题。
比如，不同地区、不同土壤条件下，微波探测技术的检测精度和反演算法都需要不同的优化和改进。
此外，在实际应用中，微波传感器需要经过严格的标定才能够保证检测结果的精度和可靠性。
被动微波遥感反演土壤水分的国内外研究现状-农业工程论文-农学论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——一、引言土壤湿度在气象、水文等环境研究中作为最重要的特征参数之一,是影响全球气候的重要因素,而且土壤水分的研究对土壤能量平衡有着非常重要的意义。
随着微波遥感技术的发展和应用,微波遥感已经在地表土壤水分研究领域逐渐蓬勃发展,成为重要的监测手段。
利用微波遥感器进行地表土壤水分研究的原理在于微波遥感能直接捕获土壤的介电性能,而土壤介电性在很大程度上取决于土壤含水量,因此可从微波遥感观测资料中提取土壤含水量的信息。
星载微波遥感器进行对地观测时,由于其波长相对较长,受天气状况的影响较弱,而且对地物具有一定的穿透性,保证了在对地观测过程中全天时、全天候的观测能力。
此外,近年来的研究表明,微波遥感具有定量估算裸土和矮小、稀疏植被覆盖下的土壤水分的潜力。
因此,微波遥感在土壤水分、地表温度观测的应用方面具有独特的优势。
二、国内外研究进展目前国内外利用遥感监测土壤湿度的方法主要有微波遥感、红外遥感、植被供水指数、数据同化等方法。
红外遥感和卫星监测都会因天气的影响产生误差,且卫星遥感也会有自然条件的局限。
而微波遥感技术不受天气影响,微波辐射计的被动微波方法时间分辨率高,费用低,而且能针对不同的地质进行检测。
在微波遥感反演土壤水分的研究中,均未对频繁变化的土壤表面结构因素予以充分考虑,但土壤粗糙度正是制约土壤水分遥感精度的重要因素,由于自然地表往往都是不平坦的,因此如何减弱地表粗糙度对反演精度的影响一直是微波遥感反演土壤水分研究中的重点。
三、试验方案设计1. 试验设备试验所采用的微波辐射计是由中科院东北地理所(长春) 设计并研制的,本次试验所采用的辐射计波段为 C 波段(频率 6.6 GHz,波长4.55 cm) ,以及Ku 波段(频率13.9 GHz,波长2.16 cm) 。
2. 试验设计1) 粗糙度的改变方式是将通过手工制作的带有不同尺寸尖劈状的硬泡沫板的尖劈处按均匀的力度插入土中,并使其均匀分布于土壤表面所有位置。
微波遥感在土壤湿度监测中的应用研究摘要：在农业生产中，土壤湿度是一个重要的参数，对于作物的生长和发展有着重要的影响。
随着科技的发展，微波遥感技术被广泛应用于土壤湿度的监测和测量中。
本文将介绍微波遥感技术在土壤湿度监测中的应用研究，并探讨其优势和局限性。
1. 引言土壤湿度是土壤中水分含量的一种重要指标，对于农业生产的调控和管理至关重要。
传统的土壤湿度监测方法主要依赖于田间观测和采样分析，费时费力且需要大量的人力物力资源。
微波遥感技术的出现为土壤湿度监测带来了新的可能性。
2. 微波遥感技术概述微波遥感技术利用微波辐射与地表特性之间的相互作用来获取地表信息。
相比于可见光遥感技术，微波遥感技术在云雾、雨水等天气条件下仍能有效获取信息。
目前，微波遥感技术主要分为主动与被动两类。
主动微波遥感技术是指通过向地表发送微波信号并接收反射回来的信号来获取地表信息，而被动微波遥感技术则是利用地球自身辐射转发微波信号。
3. 微波遥感在土壤湿度监测中的应用微波遥感技术在土壤湿度监测中具有一定的优势。
首先，微波辐射能够穿透云层并透过植被，因此可以实时监测土壤湿度情况。
其次，微波波段与土壤中的水分之间有很好的关联性，可以通过微波辐射的特征来推断土壤湿度。
此外，微波遥感技术还可以进行大范围的监测，在短时间内获取大量的数据，提高了测量效率。
4. 微波遥感技术的局限性微波遥感技术在土壤湿度监测中也存在一些局限性。
首先，微波遥感技术对植被干扰较为敏感，植被的覆盖会影响微波信号的接收和解析。
其次，土壤的物理化学性质和土壤类型对微波辐射的响应不同，因此在不同土壤环境下准确推算土壤湿度更具挑战性。
此外，微波遥感技术对地表的粗糙性、坡度和土壤盐度等因素也有较高的要求，这限制了其在某些特定环境下的应用。
5. 未来发展趋势随着对土壤湿度监测需求的不断增加，微波遥感技术在该领域的应用得到了广泛关注。
今后的研究重点将在以下几个方面展开：首先，针对微波与植被干扰的问题，研究发展针对植被覆盖情况下的土壤湿度监测方法。
分析微波遥感技术在监测土壤湿度中的应用本文立足于土壤湿度的基本涵义与重要意义，结合笔者多年土壤湿度监测相关学习研究，详细介绍了主动微波遥感技术和被动微波遥感技在监测土壤湿度监测中的具体应用。
希望能为微波遥感技术在土壤湿度监测中的有效应用提供部分理论支撑。
标签：微波遥感技术土壤湿度植被粗糙度0前言土壤湿度与全球水循环、全球气候变化密切相关，对农业、水文、气象相关研究起着至关重要的作用。
因此，土壤湿度监测工作受到国内外相关研究者的高度重视。
目前，微波遥感技术凭借其独特优势被有效应用到土壤湿度监测工作中并发挥着及其重要的作用。
1土壤湿度土壤湿度是影响农业气候的重要因素，对农作物生长至关重要。
首先，土壤湿度能够有效反应该地当年的干旱情况，从而有利于农业部门合理开展耕作工作。
其次，土壤湿度是预报洪水最为重要的指标之一。
因此，土壤湿度检测对于农作物防旱、农业水文管理均具有十分重要的意义。
2土壤湿度的现代监测手段的应用2.1主动微波遥感技术主动微波遥感技术是通过遥感平台雷达进行微波波束发射，并将其投射到地表，然后通过雷达天线来收取相关回波信号，经过相关处理从而获得地物后向散射信息，进而在此基础上提取并分析相关物质特征或参数相关遥感技术。
目前，我国常用的主动微波遥感方法主要有散射模型法、土壤湿度变化探测法以及数据融合法。
其中，散射模型法充分考虑了植被具体情况、粗糙程度以及土壤湿度对于雷达的影响。
通常情况下，我们把σ°当作传感配置器与地表条件相关函数的反演土壤湿度。
具体而言，主要包括经验模型、半经验模型和理论模型。
MMICS模型立足于辐射传输方程，在我国微波植被散射特性研究中应用十分广泛。
农作物雷达后向散射机制为例，其具体散射过程如图1所示。
2.2被动微波遥感技术被动微波遥感通过微波辐射计等相关传感设备在较远距离的地方接收并记录物体本身微波辐射，从而有效推算、预测、分析各个相关物体特性的一种遥感技术。
它通过辐射传输相关方程式进行土壤水分反演，也就是说利用卫星传感器来取得地板能量、地表辐射能量从而促使能量平衡方程式关系的有效建立。
