遥感技术与应用, 2021, 36(5): 973-982 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2021.5.0973

土壤水分专栏

基于Sentinel-1和MODIS数据反演农田地表土壤水分—以REMEDHUS地区为例

杨欣源,, 白晓静,

南京信息工程大学 水文与水资源工程学院,江苏 南京 210044

Retrieval of Soil Moisture in Agricultural Area based on Sentinel-1 and MODIS Data

Take REMEDHUS as an Example

Yang Xinyuan,, Bai Xiaojing,

School of Hydrology and Water Resources,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China

通讯作者: 白晓静(1987-),女,河北石家庄人,讲师,主要从事主被动微波遥感联合土壤水分反演及应用研究。E⁃mail:baixiaojing1219@126.com

收稿日期: 2020-04-13   修回日期: 2021-05-07   网络出版日期: 2021-12-07

基金资助: 国家自然科学基金青年基金项目.  41801248
南京信息工程大学人才启动基金.  2017r087

Received: 2020-04-13   Revised: 2021-05-07   Online: 2021-12-07

作者简介 About authors

杨欣源(2001-),男,四川达州人,本科生,主要从事基于主动微波遥感的土壤水分反演方法研究E⁃mail:A150804@126.com , E-mail:A150804@126.com

摘要

土壤水分是陆地生态系统和水循环的重要状态变量,在植被生长监测、农作物产量评估等研究中均发挥着重要作用。为了消除植被散射的影响,进而实现农田地表土壤水分的高精度反演,以时间序列Sentinel-1影像及MODIS产品为实验数据,基于高级积分方程模型和比值植被模型的耦合模型,通过采用不同光学植被参数和VH交叉极化后向散射系数,分别对农田植被散射贡献进行表征,消除植被散射的影响,进而实现土壤水分的高精度反演。结果表明:当利用VH极化进行参数化植被散射贡献时,标定的耦合模型,虽然可消除对光学植被参数的依赖并较好地模拟Sentinel-1卫星观测,但土壤水分反演结果效果欠理想,相关系数R最大仅为0.54;与VH极化相比,利用光学植被参数表征植被散射贡献时,土壤水分整体反演效果较理想,R最大达到0.79,但光学植被参数反演结果在不同站点存在显著的空间差异性,R介于0.07~0.79之间。因此,在未来研究中可尝试将雷达数据与光学数据协同反演,以期在消除植被散射影响的基础上,实现植被覆盖区域土壤水分的高精度反演及动态变化监测。

关键词: 土壤水分 ; Sentinel⁃1数据 ; 植被散射 ; 植被参数 ; VH极化

Abstract

Soil moisture is considered as an important state variable of terrestrial ecosystems and water cycle, which plays an important role in many researches, such as vegetation growth monitoring and crop yield evaluation. In order to eliminate the effect of vegetation scattering and achieve high-precision retrieval of farmland soil moisture, time series of Sentinel-1 data and MODIS products were used as experimental data to retrieve soil moisture. The advanced integral equation model was coupled with ratio vegetation model, which is parameterized by four different optical vegetation parameters and VH cross-polarization backscattering coefficient for vegetation scattering contribution, to eliminate the impact of vegetation scattering and then achieve high-precision inversion of soil moisture. The results show that the coupled model can simulate the Sentinel-1 VV-polarized backscattering coefficient but the soil moisture retrieval results are not ideal with the maximum correlation coefficient (R) is 0.54 when VH is used for parameterizing the scattering contribution of vegetation. Different from VH, the overall soil moisture retrieval results is relatively better with a maximum R of 0.79 when four optical vegetation parameters are used. However, there is significant spatial difference at different stations with the results of optical vegetation parameters, with R ranging from 0.07 to 0.79. Therefore, in future results, it is better to combine radar data and optical data for eliminating the scattering contribution of vegetation and realizing the high-precision retrieval of soil moisture and observation of dynamic changes in vegetated areas.

Keywords: Soil moisture ; Sentinel-1 data ; Vegetation scattering ; Vegetation parameter ; VH Polarization

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本文引用格式

杨欣源, 白晓静. 基于Sentinel-1和MODIS数据反演农田地表土壤水分—以REMEDHUS地区为例. 遥感技术与应用[J], 2021, 36(5): 973-982 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.5.0973

Yang Xinyuan, Bai Xiaojing. Retrieval of Soil Moisture in Agricultural Area based on Sentinel-1 and MODIS Data. Remote Sensing Technology and Application[J], 2021, 36(5): 973-982 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2021.5.0973

1 引 言

土壤水分是地球科学研究中不可或缺的状态变量,也是水文模型、生态模型以及陆面过程模型的关键输入参数,在全球和区域水循环中发挥着重要作用1-2。同时,土壤水分也是农作物生长发育的基本条件,是监测作物生长和产量评估的重要因子,因而对农业应用研究具有重要的现实意义3-4。主动微波遥感对土壤水分高度敏感,且能全天时全天候观测,因而广泛应用于区域和全球土壤水分产品反演研究135

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是生产高分辨率土壤水分产品的重要数据源,但雷达后向散射系数受多种因素影响,如土壤介电常数、地表粗糙度和植被等3-46-7。在裸露地表和稀疏植被覆盖区域,地表散射模型如半经验的Oh模型8、Dubois模型9和Shi模型10和以及基于微波散射机理构建的积分方程模型(Integral Equation Model,IEM)模型11和高级积分方程模型(advanced IEM, AIEM)模型12-13,可较好地模拟地表的后向散射系数。同半经验模型相比,AIEM模型可模拟更广泛真实地表的后向散射1。因此,在裸露地表或稀疏植被覆盖区域,往往采用AIEM模型模拟地表的后向散射并进行土壤水分反演研究。

在植被覆盖区域,植被的存在通常会降低微波信号对土壤水分的敏感性,产生更为复杂的体散射,使地表散射模型难以实现植被覆盖区域土壤水分的精确反演。因而,植被散射贡献的准确量化对植被覆盖区域土壤水分的高精度反演显得至关重要,但现有基于地表散射的模型较难以对植被的散射贡献与土壤的散射贡献进行有效区分14。通常采用半经验植被散射模型,如水云模型(Water Cloud Model,WCM)15和比值植被模型16-17,以及理论模型,如MIMICS模型18和Tor Vergata模型19-20等更加复杂的模型,对植被散射贡献进行模拟。理论模型虽然可较好地刻画微波辐射传输过程,但由于模型复杂且所需要输入地表参数较多,在实际应用中对土壤水分反演较为困难。比如Tor Vergata模型19-20,在应用于土壤水分反演时需同时参数化土壤、植被冠层、枝叶、枯枝落叶层等10多个参数20。因此,在实际土壤水分反演时,经常采用半经验模型来模拟植被的散射贡献。当前,大部分土壤水分反演方法通过耦合裸露地表散射模型和植被散射模型,来消除植被对土壤水分反演的影响。

无论是半经验植被散射模型还是理论模型,在应用于土壤水分反演时,均需要对植被的散射贡献进行参数化,现阶段常用光学植被参数进行植被散射贡献参数化,如归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)21-22、增强植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)23-24、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)25、光合有效辐射(Fraction of Photosynthetically Active Radiation,FPAR)26、植被含水量(Vegetation Water Content,VWC)427-28、叶片水面积指数(Leaf Water Area Index,LWAI)25、可燃物含水量(Fuel Moisture Content,FMC)29、植被面积指数(Plant Area Index,PAI)30等。例如,Bai等6利用4种植被参数NDVI、EVI、LAI和VWC对不同区域的植被散射贡献进行表征,结果表明不同区域最优表征植被参数不同,且与植被类型、植被稀疏程度等因素密切相关。Qiu等22利用MODIS和Landsat数据分别获取NDVI、EVI和LAI并用于WCM模型中植被参数化,结果表明不同卫星的植被参数的选择对土壤水分反演影响不大。He等26利用不同的植被参数NDVI、EVI、LAI和FPAR分别对植被的散射和衰减特性进行表征,结果表明植被散射和衰减特性采用不同植被参数表征有助于土壤水分反演精度的提高。Lievens 和Verhoest25利用LAI、VWC和LWAI分别表征植被的散射和衰减特性,结果发现利用LAI进行植被散射特性表征时,土壤水分的反演结果最好。Han等31基于Sentinel-1A数据和MODIS数据研究发现LAI可以较好地表征植被的散射特性。从理论分析的角度,Park等32研究发现VWC可较好地表征植被散射特性。综上可知,植被参数,如NDVI、EVI、LAI、FPAR和VWC等,已普遍被应用于植被散射和衰减特性的表征,尤其是LAI和VWC在实际土壤水分反演应用中较多。

随着搭载SAR传感器卫星的不断发射以及SAR数据的不断积累,其中Sentinel-1卫星已积累了6 a的连续观测数据33,那么如何有效利用SAR数据的多极化信息,进而消除在表征植被散射贡献时对光学植被参数的过度依赖,已成为现阶段土壤水分反演研究的热点与难点。Greifeneder等5利用Scatterometer数据提供的VH极化与VV极化的比值反演了全球土壤水分。Li和Wang34尝试利用HV交叉极化和雷达植被指数(Radar Vegetation Index, RVI)模拟植被的散射贡献,结果表明HV的效果较好。Dabrowska-Zielinska等35利用VV同极化和VH交叉极化的比值和差值来表征植被的散射贡献。

综上可知,雷达交叉极化信息的引入有望代替光学植被参数以表征植被散射并进行土壤水分反演。然而,在不同植被覆盖下,其用于后向散射系数模拟和土壤水分反演的性能有待验证。因此,本研究考虑采用光学植被参数和VH交叉极化数据分别对植被的散射贡献进行参数化。

基于此,通过耦合AIEM模型和比值植被模型,利用不同光学植被参数和VH交叉极化后向散射系数分别表征植被散射贡献并对土壤水分进行反演,以期通过优化植被散射贡献参数化实现土壤水分的高精度反演。为了较好地区分裸地地表的后向散射与植被的后向散射贡献,选择半经验的比值植被模型进行模拟。同时采用目前比较成熟的MODIS植被参数产品数据进行植被散射贡献表征,分别为NDVI、EVI、LAI和FPAR。基于以上方法,本研究以REMEDHUS土壤水分监测网覆盖范围为研究区,基于时序Sentinel-1数据和MODIS数据对该地区后向散射系数进行模拟同时进行土壤水分反演。

2 研究区和数据源

2.1 研究区概况及土壤水分数据

以西班牙杜罗盆地中部的REMEDHUS土壤水分和地表温度地面监测网络(41.1º~41.5º N,5.1º~5.7º W)覆盖范围为研究区(1 300 km236,该地区地势平坦,海拔高度位于700~900 m之间,为大陆性半干旱性地中海式气候,多年平均降雨量为385 mm,平均温度为12 ℃,平均潜在蒸发量为908 mm,最大月平均降雨量发生在5月份(约为47 mm),最小月平均降雨量发生在8月份(约为11 mm)。该地区主要植被覆盖类型为冬季和春季的雨养谷物(78%),夏季的灌溉农作物(5%)和葡萄园(3%),还有一些零星分布的林地和牧场(13%)。雨养谷物的生长周期包括秋季的播种期,春季的发育期和初夏的成熟期。

REMEDHUS作为国际土壤水分网站(International Soil Moisture Network, ISMN)的重要组成部分,自1999年至2009年,其地面监测网已经布设了23个地面监测站点(图1)。监测参数为土壤水分和土壤温度数据,土壤水分的监测仪器为Stevens Hydra Probe,监测深度为0~5 cm,采样间隔为1 h。本研究REMEDHUS的地表实测土壤水分数据来自ISMN网站37

图1

图1   REMEDHUS区域站点分布图,背景图为1 km的2017.01.09的Sentinel-1数据(HH=红,VH=绿,HH=蓝)

Fig.1   Distribution of Stations in REMEDHUS, the background is processed Sentinel-1 data with 1 km spatial resolution


2.2 Sentinel-1A数据及处理

实验所用Sentinel-1影像是欧空局针对哥白尼全球对地观测项目研制的地球观测卫星数据,由Sentinel-1A和Sentinel-1B两颗卫星构成,分别于2014年4月3日和2016年4月25日发射升空。Sentinel-1搭载了C-SAR传感器,工作频率为5.405 GHz,单颗星重访周期为12天,入射角范围20°~45°,可提供单极化和双极化数据(VV+VH, HH+HV,HH,VV)。本研究共收集自2017年1月1日至2018年12月31日的Sentinel-1数据共71景(57个时相),利用Python语言编程对其进行批量处理,其中主要包括:热噪声去除、辐射标定、斑点噪声抑制、几何校正、重采样(1 km)以及重投影。数据预处理结果后,从影像数据中提取出研究区域站点(以dB为单位)的后向散射系数。

2.3 MODIS数据及处理

为了分析植被散射贡献参数化对土壤水分反演的影响,本研究同时下载了研究区域的MODIS数据,获取时间范围为2017年1月1日至2018年12月31日,并与Sentinel-1卫星数据的时相范围一致。选取的产品数据有MCD15A3H和MYD13A2,其中MCD15A3H为4 d合成数据同时包含LAI和FPAR,MYD13A2为16 d合成的植被指数,同时包含NDVI和EVI。MODIS产品数据的预处理包括:重投影、重采样(1 km)、数据平滑、数据插值(插值到Sentinel-1成像日期)。

3 研究方法

3.1 AIEM模型

AIEM模型是基于电磁辐射传输理论建立的地表散射模型12-13,可较好地模拟裸露地表的同极化后向散射系数,模型的输入参数可以概念化表达为:

σsoilO=AIEM(f,θ,pp,ε,s,l,ACF)

其中:f表示Sentinel-1入射频率(5.405 GHz),θ表示入射角度(40 ℃),pp表示极化方式(VV极化),ε表示土壤介电常数,s表示表征地表粗糙度参数的均方根高度(cm),l表示表征地表粗糙度参数的相关长度(cm),ACF表示自相关函数,本研究采用指数相关函数。

土壤介电常数与地表土壤水分之间的关系采用Dobson模型38进行计算,参见式(2):

sm=Dobson(f,θ,ε,sand,clay,density)

其中:sand,clay,density表示地表的质地参数,分别为砂土含量(%)、粘土含量(%)和土壤密度(g/cm3),sm表示地表的土壤含水量(m3/m3)。LasBodegas和LasVacas站点的质地参数分别为36%、21%和1.41 g/cm3,Zamarron站点的质地参数分别为19%、49%和1.28 g/cm3

实验采用有效粗糙度参数39对AIEM模型的粗糙度参数均方根高度和相关长度进行参数化,其中均方根高度的变化范围为0.5~2.0 cm,相关长度的变化范围为5~20 cm,增量分别为0.1 cm和1.0 cm。根据对地面实测土壤水分分析,将土壤水分的变化范围设置为0.01~0.40 m3/m3,以保证地表土壤水分变化范围全部被覆盖。根据Sentinel-1卫星传感器参数和研究区地表参数,利用AIEM模型进行前向模拟,建立C波段雷达系统在VV极化的后向散射系数数据库。

3.2 比值植被模型

本研究采用半经验比值植被模型16-17以消除植被对土壤水分反演的影响,该模型假设当卫星传感器系统配置参数确定时,裸露地表的后向散射系数与总后向散射系数的比值只与植被的生长变化有关:

σsoilOσcanO=f(VI)

其中:σcanO表示植被冠层的后向散射系数(观测到的后向散射系数,dB);f表示比值模型选择的函数表达式;VI表示植被指数(Vegetation Index)。为了将该方法应用到REMEDHUS地区,本研究选择的函数表达式f定义为:

f=aVI2+exp(-b×VI)

其中:ab表示模型的待拟合系数,上述植被散射贡献的表达式,已被成功地应用于以玉米为主的农业区,且土壤水分反演取得了较好的反演效果16-17。为了分析植被散射贡献参数化对土壤水分反演的影响,选择4种光学植被参数NDVI、EVI、LAI和FPAR对公式(4)中的VI进行参数化,同时选择VH交叉极化后向散射系数进行参数化,进而分析双极化Sentinel-1数据反演农田地表土壤水分的可行性与有效性。

3.3 耦合模型标定和土壤水分反演

将AIEM模型和比值植被模型进行耦合,可模拟植被冠层覆盖区域的后向散射系数。为了求解耦合模型的未知系数,建立如下的代价函数:

C=mini=1nσSIO-σsimO

其中:σSIO表示Sentinel-1卫星观测到的后向散射系数(dB);σsimO表示耦合模型模拟的后向散射系数(dB);n表示观测样本数。通过调整耦合模型中的未知系数,使上述的代价函数C取到最小值,得到的模型系数作为耦合模型的标定系数, AIEM模型中的地表粗糙度参数作为耦合模型的有效粗糙度参数。本研究采用查找表方法反演土壤水分,具体耦合模型标定方法和土壤水分反演方法参考文献[21]和[40]。

3.4 精度评价

利用2017年获取的Sentinel-1数据和MODIS数据进行耦合模型标定,2018年获取的数据进行土壤水分反演验证,利用查找表方法对土壤水分进行反演。对耦合模型的标定和验证精度以及土壤水分的反演精度均采用偏差Bias、平均绝对偏差(Mean Absolute Error,MAE)、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)、相关系数R进行评价。

Bias=1ni=1nVobs-i=1nVest
MAE=1ni=1nVobs-Vest
RMSE=1ni=1nVobs-Vest2
R=i=1nVobs-V¯obsVest-V¯esti=1nVobs-V¯obs2i=1nVest-V¯est2

其中:Vobs表示观测到的后向散射系数或地表实测土壤水分;Vest表示模拟的后向散射系数或反演得到的土壤水分;V¯obsV¯est分别表示其均值;n表示观测样本个数。

4 结果与讨论

4.1 耦合模型标定结果分析

利用2017年获取的Sentinel-1数据求解耦合模型的未知系数,主要是通过最小化代价函数(5)得到比值植被模型中的未知系数ab以及AIEM模型的有效粗糙度参数sl。其中,表1为耦合模型的标定系数和有效粗糙度参数以及耦合模型的标定结果统计指标,图2为研究区LasBodegas站点的观测到的Sentinel-1后向散射系数与耦合模型模拟的后向散射系数时序图。

表1   耦合模型的标定系数以及统计指标

Table 1  Calibrated parameters for the coupled model and statistic results

站点

名称

植被

参数

有效粗糙度参数模型系数统计指标
s (cm)l (cm)abBias (dB)MAE (dB)RMSE (dB)R
LasBodegasNDVI0.56-10.68-2.61-0.090.780.950.82
EVI0.56-29.04-4.31-0.080.730.920.83
LAI0.713-3.39-1.480.010.770.970.81
FPAR0.56-8.66-2.31-0.090.780.970.81
VH1.220-0.010.07-0.101.111.300.63
LasVacasNDVI0.56-5.55-1.80-0.121.031.180.49
EVI0.68-14.34-2.83-0.120.961.070.61
LAI0.68-1.49-0.930.060.560.710.85
FPAR0.69-6.90-2.09-0.090.690.830.79
VH1.220-0.010.05-0.040.871.040.68
ZamarronNDVI0.762.080.30-0.160.961.160.79
EVI0.817-3.16-2.07-0.180.921.090.84
LAI0.817-4.59-1.88-0.150.981.210.89
FPAR0.815-.244-1.60-0.220.981.160.86
VH1.218-0.010.05-0.040.710.810.90

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图2

图2   LasBodegas站点观测与模拟的后向散射系数的时序图

Fig. 2   Time series of observed and simulated backscattering coefficients for LasBodegas


表2图2表明,耦合模型模拟的后向散射系数与Sentinel-1观测值较为接近,这说明标定后的耦合模型可较好地模拟植被覆盖区域的后向散射系数;然而耦合模型在某些观测点上效果欠理想,但在时间序列上基本上能与Sentinel-1观测值保持较好的一致性。当VH表征植被散射贡献时,统计结果与其他4个植被参数结果相近,但在LasBodegas站点稍差。一方面是因为VH极化对植被较敏感,另一方面是因为VH极化与VV极化之间的相关性要优于VV极化与植被参数间的相关性。在LasBodegas站点,VH与VV极化的相关系数为0.68,而与其他4个植被参数NDVI、EVI、LAI和FPAR的相关系数几乎为零。在LasVacas站点,VH极化与VV极化的相关系数为0.72,而与NDVI和EVI的相关系数为0.26和0.28,而与LAI和FPAR的相关系数几乎为零。在Zamarron站点,VH极化与VV极化的相关系数为0.65,与NDVI和EVI的相关系数为0.23和0.18,而与LAI和FPAR的相关系数几乎为零。4个植被参数的统计结果非常相接,这主要是由于4个植被参数之间存在高度相关性,该现象与Han等31研究发现保持一致。比如在LasBodegas站点,NDVI与EVI的相关系数为0.97,当二者分别参数化植被散射贡献时的模型标定统计指标几乎相等;LAI与FPAR的相关系数为0.91,当二者分别参数化植被散射贡献时的模型标定统计指标相近。

表2   耦合模型的验证统计结果

Table 2  Statistic results for the calibrated model

站点

名称

植被

参数

统计指标
Bias (dB)MAE (dB)RMSE (dB)R
LasBodegasNDVI-1.611.812.300.67
EVI-1.531.792.280.61
LAI-1.051.491.910.67
FPAR-1.371.591.930.82
VH-0.971.391.770.75
LasVacasNDVI-0.221.081.370.42
EVI-0.111.161.410.44
LAI-0.121.601.940.25
FPAR-0.381.151.390.44
VH-0.420.941.090.80
ZamarronNDVI-1.161.801.980.35
EVI-1.171.721.930.37
LAI-1.391.802.370.28
FPAR-1.211.721.960.32
VH0.801.431.780.48

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4.2 耦合模型验证结果分析

利用2018年获取的Sentinel-1数据和MODIS数据对标定的耦合模型进行验证,其中标定的耦合模型的验证精度如表2所示,在LasBodegas站点标定的耦合模型模拟的后向散射系数与Sentinel-1卫星观测到的后向散射系数的时序图如图3所示。

图3

图3   LasBodegas站点Sentinel-卫星观测与标定耦合模型模拟的后向散射系数的时序图

Fig. 3   Time series of observed and simulated backscattering coefficients for LasBodega


表3可知,耦合模型模拟的后向散射系数与2018年Sentinel-1卫星观测数值间的相关结果统计与2017年的对比结果相比欠理想。3个站点的偏差统计大部分为负数,而且绝对误差统计指标MAE和RMSE的数值均大于模型标定的结果。这说明模拟的后向散射系数明显被高估,这与模型标定的结果是截然相反的,耦合模型可能出现了过度拟合的现象,这可能是样本数量不足导致的。当VH用于表征植被散射贡献时,模拟的后向散射系数的统计结果要优于其他4个植被参数的结果,在选择的3个站点上均出现了类似现象。耦合模型的标定和验证结果表明VH极化可用于植被后向散射贡献的表征,并用于模拟植被覆盖地表的后向散射系数。

表3   土壤水分反演结果评价指标

Table 3  Statistical results for the retrieved soil moisture

站点

名称

植被

参数

统计指标
Bias(m3/m3MAE(m3/m3RMSE(m3/m3R
LasBodegasNDVI0.050.060.070.76
EVI0.040.070.080.73
LAI0.020.060.070.79
FPAR0.040.060.070.78
VH0.040.050.060.54
LasVacasNDVI0.010.040.050.51
EVI-0.010.060.070.40
LAI-0.010.050.060.36
FPAR0.010.050.050.49
VH0.020.040.040.37
ZamarronNDVI0.030.050.060.23
EVI0.030.060.060.28
LAI0.030.050.060.48
FPAR0.030.060.060.39
VH-0.030.060.080.07

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4.3 土壤水分反演结果分析

基于标定的耦合模型,利用2018年获取的Sentinel-1数据对土壤水分进行反演,提供土壤水分的反演统计结果如表3所示,在LasBodegas站点地表实测土壤水分与反演土壤水分的时序结果如图4所示。

图4

图4   LasBodegas站点地表实测与反演的土壤水分的时序图

Fig. 4   Time series of observed and retrieved soil moisture for LasBodegas


由表4可知,统计指标MAE的数值从0.04 m3/m3变化到0.07 m3/m3,RMSE的数值从0.04 m3/m3变化到0.08 m3/m3。从误差统计指标上可以看到反演的土壤水分的绝对误差不大,基本上可达到区域尺度土壤水分反演的要求精度,能够相对准确地反演出研究区域某时相上的土壤水分。偏差Bias的数值大部分正值,这说明反演的土壤水分被低估,这与耦合模型验证中后向散射系数被高估的原因相同。相关系数R的数值欠理想,从0.07变化到0.79。R较小说明反演的土壤水分的变化趋势与地表实测土壤水分的变化趋势相差较大,从反演的土壤水分的时序图也可得到此结论。利用VH参数化植被散射贡献时,模型标定的结果较好,但利用标定后的耦合模型进行土壤水分反演时发现土壤水分反演结果相对交差,R最大也仅有0.54,这可能是因为VH极化与VV极化后向散射系数间相关性较好使得模型标定结果较好,但其实在表征植被的散射贡献时并不一定能真实地区分出植被与土壤的散射贡献,而4个光学植被参数辅助土壤反演的结果虽然在不同站点结果差异较大,但最优结果R却达到0.79。这表明VH交叉极化辅助土壤水分反演效果欠理想,但光学植被参数反演结果整体相对较好。

5 结 语

本研究针对植被散射对土壤水分反演的影响,以时间序列Sentinel-1数据和MODIS产品数据为基础数据,基于耦合AIEM模型和比值植被模型,利用不同光学植被参数NDVI、EVI、LAI和FPAR和交叉极化后向散射系数分别表征植被散射贡献,并对农田地表土壤水分进行反演,所得结论如下:

(1)4个光学植被参数和VH交叉极化均可有效模拟雷达后向散射系数。通过对4个光学植被参数与VH交叉极化用于植被散射贡献表征结果进行对比分析可知,对于以农作物为主的植被覆盖区域,经过标定的耦合模型模拟的后向散射系数与Sentinel-1卫星观测到的后向散射系数比较接近,植被参数和VH交叉极化均可以有效地用于模拟雷达后向散射系数。

(2)VH交叉极化辅助土壤水分反演效果欠理想,而光学植被参数反演结果整体较理想。同其他4个植被参数相比,VH交叉极化在土壤水分反演精度上优势不明显,表明利用双极化Sentinel-1数据进行农作物植被覆盖地表土壤水分反演仍需进一步研究。

(3)通过植被散射贡献参数化对比实验及土壤水分反演结果表明,协同雷达数据和光学数据可较好地实现土壤水分的高精度反演。

基于双极化Sentinel-1数据进行农作物植被覆盖地表土壤水分反演结果精度不高受多方面影响。在数据处理方面,将高空间分辨率的Sentinel-1数据与中等空间分辨率的MODIS数据进行尺度匹配,在尺度转换过程中可能会引起后向散射系数产生误差。同时本研究所用的植被参数均是在MODIS产品数据的基础上,通过平滑和插值得到的Sentinel-1时相的植被参数,这也可能会导致植被参数的估计误差。在土壤水分反演方面,查找表方法也可能会引起反演的土壤水分存在误差。因此,在数据处理、算法设计、模型标定及反演过程中应尽可能地减少人为误差以及可能存在的累积误差,从而达到好的土壤水分反演结果。针对本研究存在的不足,在后续研究中需要加强地面数据的收集以及更长时间序列数据的分析,研究在不同的植被覆盖地表下,不同植被参数以及VH交叉极化用于表征植被散射贡献的性能以及用于土壤水分反演的有效性。

参考文献

Kornelsen K CCoulibaly P.

Advances in soil moisture retrieval from synthetic aperture radar and hydrological applications

[J]. Journal of Hydrology, 2013476460-489. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2012.10.044.

[本文引用: 3]

Shi JianchengDu YangDu Jinyanget al.

Progresses on microwave remote sensing of land surface parameters

[J]. Science China: Earth Science, 2012426): 814-842.

[本文引用: 1]

施建成杜阳杜今阳.

微波遥感地表参数反演进展

[J].中国科学:地球科学,2012426): 814-842].

[本文引用: 1]

He LianQin QimingRen Huazhonget al.

Soil moisture retrieval using multi-temporal sentinel-1 SAR data in agricultural areas

[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016323): 142-148.

[本文引用: 3]

何连秦其名任华忠.

利用多时相Sentinel-1 SAR数据反演农田地表土壤水分

[J].农业工程学报,2016323): 142-148.

[本文引用: 3]

Wang ShuguoMa ChunfengZhao Zebinet al.

Estimation of soil moisture of agricultural field in the middle reaches of the heihe river basin based on Sentinel-1 and Landsat 8 imagery

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2020351): 13-22.

[本文引用: 3]

王树果马春锋赵泽斌.

基于Sentinel-1及Landsat 8数据的黑河中游农田土壤水分估算

[J].遥感技术与应用, 2020351): 13-22.

[本文引用: 3]

Greifeneder FNotarnicola CHahn Set al.

The added value of the VH/VV polarization-ratio for global soil moisture estimations from scatterometer data

[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,20181110):3668-3679. DOI:10.1109/JSTARS.2018. 2865185.

[本文引用: 2]

Bai Xiaojing.

Research on methods for soil moisture retrieval in prairies areas based on multi-frequency and multi-polarization SAR data

[D].ChengduThe University of Electronic Science and Technology of China2017.

[本文引用: 2]

白晓静.

基于多波段多极化SAR数据的草原地表土壤水分反演方法研究

[D].成都电子科技大学2017.

[本文引用: 2]

Luo JiashunQiu JianxiuZhao Tianjieet al.

Sentinel-1 based soil moisture estimation in middle reaches to Heihe river basin

[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2020351):23-32.

[本文引用: 1]

罗家顺邱建秀赵天杰.

基于Sentinel-1数据的黑河中游土壤水分反演

[J].遥感技术与应用,2020351): 23-32.

[本文引用: 1]

Oh YSarabandi KUlaby F T.

An empirical model and an inversion technique for radar scattering from bare soil surface

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1992302): 370-381. DOI: 10.1109/36.134086.

[本文引用: 1]

Dubois P CVan Zyl J JEngman E T.

Measuring soil moisture with imaging radar

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1995334): 915-926. DOI: 10.1109/36.406677.

[本文引用: 1]

Shi J CHsu A YO’Neill P Eet al.

Estimating of bare surface soil moisture and surface roughness parameters using L-band SAR images data

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1997355): 1254-1266. DOI: 10.1109/36.628792.

[本文引用: 1]

Fung A. K.. Microwave scattering and emission models and their applications[M]. Norwell, MA, USAArtech House1994.

[本文引用: 1]

Wu T DChen K SShi J Cet al.

A transition model for the reflection coefficient in surface scattering

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001399): 2040-2050. DOI: 10.1109/36.951094.

[本文引用: 2]

Chen K SWu T DTsang Let al.

Emission of rough surfaces calculated by the integral equation method with comparison to Three-Dimensional moment method simulation

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003411): 90-101. DOI: 10.1109/TGRS.2002.807587.

[本文引用: 2]

Millard KRichardson M.

Quantifying the relative contributions of vegetation and soil moisture conditions to polarimetric C-band SAR response in a temperate peatland

[J]. Remote Sensing of Environment, 2018206123-138. DOI: 10.1016/j.rse.2017.12.011.

[本文引用: 1]

Attema E P WUlaby F T.

Vegetation modeled as a water cloud

[J]. Radio Science, 1978132): 357-364. DOI: 10.1029/RS013i002p00357.

[本文引用: 1]

Joseph A TVan Der Velde RO’Neill P Eet al.

Soil moisture retrieval during a corn growth cycle using L-band (1.6 GHz) Radar observations

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2008468): 2365-2374. DOI: 10.1109/TGRS.2008.917214.

[本文引用: 3]

Joseph A TVan Der Velder RO’Neill P Eet al.

Effect of corn on C- and L-band radar backscatter: a correction method for soil moisture retrieval

[J]. Remote Sensing of Environment,201011411):2417-2430. DOI:10.1016/j.rse.2010. 05.017.

[本文引用: 3]

He BXing MBai X.

A synergistic methodology for soil moisture estimation in an Alpine Prairie using radar and optical satellite data

[J]. Remote Sensing, 2014610966-10985. DOI: 10.3390/rs61110966.

[本文引用: 1]

Bracaglia MFerrazzoli PGuerriero L.

A fully polarimetric multiple scattering model for crops

[J]. Remote Sensing of Environment, 199554170-179. DOI: 10.1016/0034-4257(95)00151-4.

[本文引用: 2]

Bai XZeng JChen Ket al.

Parameter optimization of a discrete scattering model by integration of global sensitivity analysis using SMAP active and passive observations

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2019572): 1084-1099. DOI: 10.1109/TGRS.2018.2864689.

[本文引用: 3]

Bai XHe BLi X.

Optimum surface roughness to parameterize advanced integral equation model for soil moisture retrieval in Prairie area using Radarsat-2 data

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2016544): 2437-2449. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2501372.

[本文引用: 2]

Qiu JCrow W TWagner Wet al.

Effect of vegetation index choice on soil moisture retrieval via the synergistic use of Synthetic Aperture Radar and optical remote Sensing

[J]. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation,20198047-57. DOI:10.1016/j.jag.2019. 03.015.

[本文引用: 2]

Bai XHe B.

Potential of dubois model for soil moisture retrieval in Prairie areas using SAR and optical data

[J]. International Journal of Remote Sensing, 20153622): 5737-5753. DOI: 10.1080/01431161.2015.1103920.

[本文引用: 1]

Bai XHe BXing Met al.

Method for soil moisture retrieval in arid prairie using TerraSAR-X data

[J]. Journal of Applied Remote Sensing,201591).096062. DOI: 10.1117/1.JRS.9.096062.

[本文引用: 1]

Lievens HVerhoest N C.

On the retrieval of soil moisture in wheat fields from L-band SAR based on water cloud modeling, the IEM, and effective roughness parameters

[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 201184): 740-744. DOI: 10.1109/LGRS.2011.2106109.

[本文引用: 3]

He BWang LBai Xet al.

Assessment of different vegetation parameters for parameterizing the coupled water cloud model and advanced integral equation model for soil moisture retrieval using time series Sentinel-1A data

[J]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, 2019851): 43-54. DOI: 10.14358/PERS.85.1.43.

[本文引用: 2]

Bao YLin LWu Set al.

Surface soil moisture retrievals over partially vegetated areas from the synergy of Sentinel-1 and Landsat 8 data using a modified water-cloud model

[J]. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation,20187276-85. DOI: 10.1016/j.jag.2018.05.026.

[本文引用: 1]

Ma CLi XMcCabe M F.

Retrieval of high resolution soil moisture through combination of Sentinel-1 and Sentinel-2 data

[J]. Remote Sensing, 2020122303. DOI: 10.3390/rs12142303.

[本文引用: 1]

Wang LQuan XHe Bet al.

Assessment of the dual polarimetric Sentinel-1A data for forest fuel moisture content estimation

[J]. Remote Sensing,20191113):1568. DOI: 10.3390/ rs11131568.

[本文引用: 1]

Xing MHe BNi Xet al.

Retrieval surface soil moisture over wheat and soybean fields during growing season using modified water cloud model from Radarsat-2 SAR data

[J]. Remote Sensing,2019111956. DOI: 10.3390/rs11161956.

[本文引用: 1]

Han YBai XShao Wet al.

Retrieval of soil moisture by integrating Sentinel-1A and MODIS data over agricultural fields

[J]. Water,2020121726. DOI: 10.3390/w12061726.

[本文引用: 2]

Park SJung Y TCho Jet al.

Theoretical dvaluation of sater cloud model vegetation parameters

[J]. Remote Sensing, 201911894. DOI: 10.3390/rs11080894.

[本文引用: 1]

ESA Copernicus Open Access Hub:

.

URL     [本文引用: 1]

Li JWang S.

Using SAR-derived vegetation descriptors in a water cloud model to improve soil moisture retrieval

[J]. Remote Sensing,2018101370. DOI: 10.3390/rs10091370.

[本文引用: 1]

Dabrowska-Zielinska KMusial JMalinska Aet al.

Soil moisture in the Biebrza wetlands retrieved from Sentinel-1 imagery

[J]. Remote Sensing,2018101979. DOI: 10.3390/rs10121979.

[本文引用: 1]

Sanchez NMartinez-Fernande JScaini Aet al.

Validation of SMOS L2 soil moisture data in the REMEDHUS Network (Spain)

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2012505): 1602-1611. DOI: 10.1109/TGRS.2012.2186971.

[本文引用: 1]

International Soil Moisture Network:

.

URL     [本文引用: 1]

Dobson M CUlaby F THallikainen M Tet al.

Microwve dielectric behavior of wet soil part II: dielectric mixing models

[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1985231): 35-46. DOI: 10.1109/TGRS.1985.289498.

[本文引用: 1]

Su ZTroch P ADe Troch F P.

Remote sensing of soil moisture using EMAC/ESAR data

[J]. International Journal of Remote Sensing,19971810):2105-2124. DOI:10.1080/014311697217783.

[本文引用: 1]

Bai XHe BLi Xet al.

First assessment of Sentinel-1A data for surface soil moisture estimation using a coupled water cloud model and advanced integral equation model over the Tibetan Plateau

[J]. Remote Sensing,20179714. DOI: 10.3390/ rs9070714.

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