開題報告-20121021-李洋洋課件

基于光學和主被動微波遙感蘇打鹽堿地特性識別方法研究報告：李洋洋導師：趙凱研究員專業(yè)：地圖學與地理信息系統(tǒng)方向：定量遙感報告提綱一、選題目的及意義二、國內(nèi)外研究進展三、研究內(nèi)容、研究特色和擬解決的關鍵問題以及創(chuàng)新點四、研究方法與技術(shù)路線、可行性分析、難點分析及解決辦法五、時間安排六、預期成果七、論文詳細提綱一、選題目的及意義1、選題目的土壤是人類賴以生存及其一切社會活動的基本條件。土壤鹽堿化和次生鹽堿化目前已經(jīng)成為一個全球性環(huán)境問題，尤其是干旱和半干旱地區(qū)，問題更為嚴重。鹽堿化土壤是各種發(fā)生鹽化過程和堿化過程土壤的總稱，包括鹽土、堿土和各種鹽化土、堿化土。它是一定的氣候、地形、水文地質(zhì)等自然條件共同對土壤水鹽運動產(chǎn)生影響的結(jié)果，更是由于不合理的人類活動和脆弱生態(tài)環(huán)境的共同作用而引起的土地退化。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積為9.5438億公頃，其中我國為9913萬公頃。

一、選題目的及意義1、選題目的微波遙感鹽堿土監(jiān)測：

應用微波遙感監(jiān)測鹽堿地特性其基本原理是通過鹽堿土壤介電常數(shù)建立地表后向散射系數(shù)或輻射亮溫與土壤水分和含鹽量之間的聯(lián)系，物理意義明確。這為應用微波遙感定量反演土壤含鹽量提供了可能。然而微波遙感常受到地表粗糙度、植被等干擾，而光學遙感對植被信息非常敏感。因此光學與微波的協(xié)同遙感將是遙感反演發(fā)展的一個重要方向。國際上也越來越重視二者的協(xié)同反演，若能有效的將光學與微波數(shù)據(jù)協(xié)同起來對地觀測，將能更準確的反演大氣和地表參數(shù)。綜合光學微波遙感的各自優(yōu)勢,擬采用以微波模型為主,光學模型為輔的方法,將光學模型反演的植被參數(shù)作為微波模型的輸入來協(xié)同反演土壤含鹽量。一、選題目的及意義2、選題意義

通過論文的研究工作：（1）明確鹽堿土壤介電特性對微波輻射/散射信息的響應；（2）確定基于光學與主被動微波遙感定量識別鹽堿地特性的方法，為定量化反演鹽堿土壤含鹽量提供一種可行且準確的反演方法。為掌握鹽漬土的基本形態(tài)、形成過程、演變規(guī)律和地理分布的規(guī)律性，及鹽堿地改良和合理利用提供理論方法和技術(shù)支持。二、國內(nèi)外研究進展國外研究進展：

利用衛(wèi)星遙感進行鹽漬化監(jiān)測始于20世紀70年代（Singh，1977）。進入80年代，多波段、多時相遙感數(shù)據(jù)被廣泛應用到土壤鹽漬化監(jiān)測、調(diào)查、制圖研究中，代表有Budd（1982）、Sommerfeldt（1985）、Sharma（1988）、Singh（1989）等。90年代以來，隨著遙感數(shù)據(jù)源的豐富，方法也日趨成熟：Rao（1991）利用遙感技術(shù)研究鹽堿土時用OIF，指出TM數(shù)據(jù)中1、3、5波段組合所含鹽堿化信息量最大。Dwivedi（1992）利用PCA技術(shù)，發(fā)現(xiàn)第一主成份是識別鹽堿土的最有效組分，并進行了鹽堿土監(jiān)測最佳波段組合試驗研究。Rao（1995）對鹽堿化土壤光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)其在可見光和近紅外波段有很強的反射率。Metternicht（1997）指出研究鹽堿化土壤波譜響應模式，選擇敏感波段有助于鹽堿土的分離。Evans等（1998）使用最大似然分類、無參數(shù)決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡的那個進行鹽堿化土壤分類，取得較好結(jié)果。Nasir等（2001、2002）通過比較典型地物的波譜特征及波段混合實驗，提出了由紅和藍波段確定的土壤鹽分指數(shù)模型，該模型能較好的反應土壤鹽堿化程度。Taylor（2001）利用高光譜數(shù)據(jù)，分析鹽堿土壤波段特性，發(fā)現(xiàn)在0.800m處鹽堿土有強反射峰，在1.450m與1.900m處出現(xiàn)寬吸收帶，可以用來進行鹽堿土的制圖,在0.980m和1.170m處的微弱水吸收特征對改進鹽堿土制圖十分重要。Dehaan等（2002）發(fā)現(xiàn)當土壤含鹽量很高時，將在0.68m1.18m1.78m處有清晰地吸收特征，利用Hymap成功地繪制了澳大利亞Murray盆地土壤鹽堿化分布圖。Wang，Wilson和Shannon等（2002）研究了不同鹽堿化程度及灌溉條件下大豆冠層的光譜反射關系。土壤鹽漬化一直是國外研究的熱點，眾多專家從土壤學、生態(tài)學、環(huán)境學、生物生理學、生態(tài)經(jīng)濟學等不同角度對土壤鹽漬化展開研究。基于RS和GIS技術(shù)對鹽漬土應用，主要是從鹽漬化土壤的光譜特征、空間分布及動態(tài)變化進行研究。鹽堿土遙感影像定性識別技術(shù)已經(jīng)比較成熟，多光譜數(shù)據(jù)可以較有效地提取有關鹽堿土的空間范圍、地理分布及鹽堿化程度等方面的定性信息，然而對于鹽堿土壤光譜反射特性與鹽分的關系等定量問題需要深入研究。近年來利用高光譜遙感定量反演含鹽量的研究開始出現(xiàn)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等方法大量應用于此。二、國外研究進展國內(nèi)研究進展：

國內(nèi)開展土壤鹽漬化光學衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究始于80年代，比國外大約晚10年，現(xiàn)階段集中在利用RS、GIS和數(shù)學模型進行土壤鹽漬化的管理、信息提取、監(jiān)測與預報。彭望琭等（1989）研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過K-T變化得到的3個分量（亮度、綠度、濕度）地學意義明確，可以提高鹽漬土的判讀分析效果。張恒云(1992)曾用氣象衛(wèi)星NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)，建立了鹽漬土與土壤含水量、日最低氣溫和日最高氣溫之間的回歸模型來間接分析研究濱海鹽漬土的分布。喬玉良（1993）研究了彩紅外航片在忻定盆地水澆地清查及鹽堿地動態(tài)監(jiān)測中的應用。劉慶生等(2000)利用HIS和PCA變換將資源一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)與高分辨率全色數(shù)據(jù)進行融合分析，更清晰地確定了不同級別鹽漬土及農(nóng)田的分布狀況。駱玉霞等(2001)采用了K-T、K-L變換和有關經(jīng)驗指數(shù)，從LandsatTM數(shù)據(jù)中提取了鹽漬土的光譜特征和紋理特征參與分類。關元秀等人（2001）利用TM數(shù)據(jù)，基于地物光譜特征、野外調(diào)查建立的地物與影像之間的關系以及土壤和地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的輔助，提取了不同鹽漬化程度的鹽堿地。史曉霞(2003)通過建立GeoCA-Salinization模型模擬對長嶺縣土壤鹽漬化時空演變過程。許迪(2003)用LANDSAT衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用監(jiān)督分類、NDVI指數(shù)等遙感影像處理方法，對黃河上游的寧夏青銅峽灌區(qū)進行了識別作物及土壤鹽漬分布的應用研究。李曉燕等(2003)以GIS技術(shù)為支撐，基于地形圖和MSS、TM影像，從數(shù)量、類型、空間分布及重心轉(zhuǎn)移幾個方面進行了大安市鹽漬地景觀的動態(tài)變化及成因分析。翁永玲等(2006)利用高光譜圖像對黃河三角洲鹽漬化問題進行了研究，發(fā)展了基于高光譜Hymap的鹽漬化監(jiān)測指數(shù)。何祺勝等(2007)利用TM衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，分析了鹽漬地地區(qū)主要地物的光譜特征，并建立決策樹模型得到了鹽漬地信息的提取結(jié)果，總體提取效果較好。丁建麗等(2008)通過探討土壤鹽漬化與離子含量之間的關系，利用土壤離子含量信息研究渭庫綠洲土壤鹽漬化狀況。劉煥軍等（2008）以吉林西部鹽堿土及其光譜反射率為研究對象，建立各種土壤光譜指數(shù)，分析并確定反映鹽堿化程度的最佳波段與土壤光譜指數(shù)，建立了鹽堿化土壤參數(shù)的高光譜定量模型用于評價土壤鹽堿化程度。劉丹丹等(2009)將BP神經(jīng)網(wǎng)絡應用到Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對土壤含鹽量反演。二、國外研究進展國內(nèi)研究進展：國內(nèi)也有學者應用微波遙感對鹽漬土進行了研究：熊文成等（2003）研究了含水含鹽NaCl土壤的介電常數(shù)模型，即建立了土壤含水量、含鹽量與介電常數(shù)虛部的關系。邵云等人（2005，2006）研究土壤含鹽量與土壤介電常數(shù)及雷達后向散射系數(shù)的關系，把經(jīng)典的Dobson土壤混合介電模型擴展為含水含鹽土壤的混合介電模型；利用后向散射理論模型并結(jié)合吉蘭泰實驗區(qū)的雷達影像分析了雷達影像對土壤含鹽量的響應，發(fā)現(xiàn)在相對濕潤的土壤中，雷達后向散射系數(shù)與土壤含鹽量相關性很大。何祺勝（2007）利用RADARSAT雷達影像對表征土壤鹽漬化的離子的灰色關聯(lián)分析研究了雷達影像在干旱區(qū)鹽漬地信息提取中的潛力并分析如何應用雷達影像來提高干旱區(qū)鹽漬地信息的提取精度進行了分析，定性的分析了雷達識別鹽堿地的可行性。買買提·沙吾提（2008）對微波遙感數(shù)據(jù)在鹽漬地信息提取中的應用進行了研究，分析了不同極化對鹽漬化土壤參數(shù)響應，并探索了多參數(shù)SAR數(shù)據(jù)在鹽漬地識別上的應用二、國外研究進展綜上所述：（1）基于土壤光譜特征的土壤鹽堿化遙感監(jiān)測研究仍是現(xiàn)階段的主要研究方法，然而光學遙感定性分析應用廣泛，而定量分析需要深入研究。（2）微波遙感（主動/被動）對土壤鹽堿化信息的提取存在較多的理論空白。就應用而言，也沒有成熟的應用模式，因此對于鹽堿土壤后向散射特性/微波輻射特性等機理研究，以及對于植被覆蓋地區(qū)鹽堿土壤含鹽量反演問題，是一個重要研究趨勢。（3）植被的生物物理特性、植被指數(shù)與土壤鹽分的關系，以及如何充分利用植被這一間接指征，揭示土壤表層和植被根部之間的土壤鹽堿化狀況、擴展探測深度等有待進一步研究。三、研究內(nèi)容與創(chuàng)新點1、典型觀測區(qū)植被光譜分類方法及植被含水量反演研究，主要建立植被指數(shù)與植被含水量關系，為微波遙感提供植被參數(shù)支持；2、低矮植被（鹽堿農(nóng)田、草地等）擾動下，鹽堿地的微波輻射/散射特性研究；3、不同尺度、不同信息源數(shù)據(jù)的集成分析；研究內(nèi)容：三、研究內(nèi)容與創(chuàng)新點建立雙頻雙極化微波輻射識別鹽堿土壤雙參數(shù)（含水量及含鹽量）反演模型；建立衛(wèi)星主動微波散射數(shù)據(jù)與地基被動微波輻射數(shù)據(jù)的耦合模式；創(chuàng)新點：

四、研究方法、可行性、難點及解決辦法

研究方法

室內(nèi)與野外實驗相結(jié)合：野外采樣、室內(nèi)分析

微波與光學遙感相結(jié)合：ETM+、HJ-1CCD與雷達影像協(xié)同反演

理論與實踐相結(jié)合

主動微波與被動微波相結(jié)合：雷達后向散射系數(shù)及輻射計亮溫數(shù)據(jù)

四、研究方法、可行性、難點及解決辦法

鹽分敏感性分析：利用Dobson土壤介電模型結(jié)合鹽水介電模型，建立鹽堿土壤介電模型，分析鹽分、水分對土壤介電常數(shù)的影響；基于微波輻射傳輸方程，結(jié)合研究區(qū)地表粗糙度測量結(jié)果，選擇合適的粗糙度模型，進行鹽分、水分對微波亮度溫度敏感性分析；模型應用：利用AIEM模型結(jié)合多頻段多角度地基微波輻射亮溫數(shù)據(jù)，確定反演迭代閾值，然后利用微波輻射傳輸理論的正演模型及最小二乘迭代算法，實現(xiàn)鹽堿土壤雙參數(shù)（土壤含水量、含鹽量）反演植被含水量是衡量植被冠層輻射與散射能力的關鍵變量，研究植被含水量對雷達后向散射系數(shù)的影響，結(jié)合MIMICS模型及水-云模型，以此消除鹽堿土壤含鹽量、含水量反演過程中植被冠層的干擾；利用AIEM模型，建立鹽堿土壤后向散射模擬數(shù)據(jù)庫，結(jié)合植被散射模型，反演土壤含水量、含鹽量。四、研究方法、可行性、難點及解決辦法基于光學與主被動微波遙感蘇打鹽堿地特性識別方法研究地基微波輻射數(shù)據(jù)（C、X波段）雷達全極化影像數(shù)據(jù)光學遙感影像及光譜測量數(shù)據(jù)光譜特征分析鹽生植被指數(shù)建立植被含水量反演后向散射系數(shù)粗糙度參數(shù)土壤層后向散射野外實驗植被信息土壤信息鹽基離子Ph土壤含水量植被覆蓋層后向散射模型水云模型結(jié)合MIMICS模型含水量、含鹽量響應分析輻射亮溫地表參數(shù)溫度、植被參數(shù)等模型數(shù)據(jù)庫(AIEM)含鹽量定量反演有效反射率Fresnel反射系數(shù)土壤復介電常數(shù)鹽堿土壤介電模型響應4研究方法、可行性、難點及解決辦法工作基礎：（1）設計了2012年6月吉林西部鹽堿地星地同步觀測實驗，在凈月潭遙感實驗站支持下圓滿完成實驗。實驗在與衛(wèi)星同步或準同步時，開展以下幾項工作：微波輻射計觀測實驗光譜測量實驗及植被參數(shù)采集；像元尺度地表粗糙度測量實驗；探地雷達鹽堿地散射特性測量實驗；土壤樣地的設計和均勻、隨機樣品采集實驗。

可行性分析4研究方法、可行性、難點及解決辦法工作基礎：（3）吉林西部鹽堿土微波特性研究

為了解決一定濕度的鹽堿土特性識別問題，我們于2010年8月，對吉林西部地區(qū)鹽堿地樣點進行試驗。車載地基微波雙頻率（C、X波段）雙極化（H，V）微波輻射計多角度（30-75°,間隔5°）觀測樣點地區(qū)，得到樣點地區(qū)的亮溫數(shù)據(jù)，同時進行地面輔助數(shù)據(jù)的觀測。初步研究裸土鹽堿地微波輻射特性。基于多角度雙頻率雙極化的觀測數(shù)據(jù)優(yōu)勢，選擇逼近式迭代算法來反演其介電常數(shù)，同時將土壤粗糙度作為反演參數(shù)一同進行估算，該方法的實現(xiàn)通過Levernberg-Marquardt算法來實現(xiàn)：

4研究方法、可行性、難點及解決辦法理論基礎：（1）土壤-水混合介質(zhì)介電模型--Dobson模型4研究方法、可行性、難點及解決辦法理論基礎：（2）植被遮蓋層的后向散射特性植被遮蓋層是由許多散射元素組成的一個容積，其頂部以空氣為界，底部以散射土壤的表面為界。一般情況下，后向散射系數(shù)決定于植被諸元素和土壤表面的散射特性，同時還與植被空間與土壤表面之間的多次散射作用有關。常用的模型有MIMICS模型、水-云模型。MIMICS模型（Ulabyetal，1990）：基于一階輻射傳輸方程的雙層物理模型水-云模型（Ulabyetal，1987）：將植被層處理成一層同質(zhì)的均勻介質(zhì)，具有一定的消光能力，總的后向散射由植被層的直接