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稀疏植被区土壤表层介电特性分析及水盐信息提取研究

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第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2土壤水分国内外研究进展

1.3土壤盐分国内外研究进展

1.4 研究内容

1.5 技术路线

第二章 土壤水分、盐分遥感监测基本理论及原理

2.1雷达遥感基本原理及优势

2.2 雷达系统参数

2.3 微波散射特性地表影响参数

第三章 研究区概况与数据获取

3.1 研究区概况

3.2 渭-库绿洲野外考察及实验数据获取

3.3 遥感影像预处理

第四章 土壤介电特性分析

4.1 土壤介电特性分析

4.2 相关性分析

4.3 基于逐步线性回归方法的土壤介电特性模型

4.4 介电常数虚部综合模型

第五章 渭-库绿洲典型区域土壤水分和盐分提取

5.1 Water-cloud模型去除植被效应

5.2 AIEM模型模拟

5.3 地表粗糙度与土壤水分空间分布

5.4 土壤盐分线性经验模型模拟

5.5 BP支持下的土壤盐分非线性模型模拟

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 特色与创新

6.3不足与展望

参考文献

在读期间参与导师项目及发表论文情况

致谢

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摘要

新疆维吾尔自治区地处我国西北地区，因水资源空间分布极不均衡，导致荒漠多、绿洲少，加之新疆大部分区域的降雨较少、气候干燥，生态环境极其脆弱。与此同时，新疆位于中纬度地区，光照资源丰富，农作物产量高且质量优，作为我国粮食后备储备基地，担负着粮食安全、社会安全、国家安全等重大战略。近年来，由于区域农田的不合理开发、地下水资源的滥用等现象，区域生态环境日益恶化，尤其在绿洲-荒漠交错区域，大面积土地发生退化、生态多样性骤减。造成土地退化的因素较多，而土壤水分匮乏、盐分含量高是绿洲-荒漠交错区域土地退化的重要因素。目前，新疆境内受盐渍化胁迫的耕地面积约占耕地总面积的1/3，土壤盐渍化现象已严重威胁到区域生态系统协调发展，抑制了农作物的正常生长、生产，带给绿洲经济的损失不容忽视。本文选择新疆典型绿洲——渭-库绿洲为研究区，该区域主要靠渭干河和库车河水系补给形成绿洲，绿洲稳定性受水资源影响较大。在西部大开发等相关政策的刺激下，渭-库绿洲境内县乡的社会经济水平逐年提高，农用地面积迅猛扩增，巨大的水量需求加剧了水资源空间分布的不均衡性，绿洲下游、绿洲周边生态系统持续恶化、稀疏植被覆盖区土地退化现象加剧，绿洲至荒漠区域间的缓冲区域日渐缩减。
　　空间传感手段的发展实现了大区域、多时相的土壤信息提取技术，在相关技术手段快速发展的背景下，土壤信息监测精度逐步增高，尤其是高分辨率（光谱、空间）遥感数据更是为土壤信息监测精度提供了保障。本文以提取新疆渭-库绿洲局部地表土壤水分、盐分信息为研究目的，选择多极RadarSat-2雷达影像和国产高分一号多光谱影像为数据源，（1）以实测介电常数实部和虚部为基础，运用多种数学变换形式，建立土壤水分、盐分的介电常数逐步回归方程；（2）运用AIEM模型模拟一定入射角下，地表粗糙度、土壤水分与雷达后向散射系数间的拟合研究，并建立裸露地表土壤含水量经验模型；（3）优选GF-1的多种光谱指数，利用BP神经网络模型针对雷达数据和多光谱数据建立土壤盐分模型，并进行验证和精度评估。主要得出以下结论：
　　1、土壤含水量对介电常数实部有较大的影响且相关性可达0.94，虚部不仅受含水量的影响，也受含盐量的影响；在盐分较大的情况下，虚部随着含水量的增加而增大，虚部与土壤盐分含量相关性较弱，仅0.45，但与含水量高度相关，相关性可达0.90。此外，利用介电常数的5种变换形式，所建立土壤水分实部模型精度较高，其中，倒数模型为土壤水分最优模型，建模精度的决定系数R2为0.82、验证精度R2为0.91；与此同时，运用介电常数虚部综合模型模拟土壤盐分，盐分指数：(水分+盐分)2为最优模型，建模精度的决定系数R2为0.84、验证精度R2为0.91。水分与实部、虚部均呈良好的线性关系，而盐分与虚部呈非线性关系。
　　2、利用AIEM模型模拟了区域地表粗糙度和土壤水分情况，区域地表粗糙度与实际相符，绿洲-荒漠交错区、河道附近的粗糙度较大；土壤水分精度较高，决定系数R2达0.86，土壤含水量呈西高东低分布，绿洲边缘和河道附近土壤含水量较高。
　　3、由于土壤盐分线性经验模型难以准确评估土壤盐分含量，因此结合多光谱辅助数据对后向散射信息进行分割。利用RadarSat-2四极化后向散射系数、及地表粗糙度和土壤水分的雷达提取数据、GF-1提取的光谱指数作数据集，并构建BP神经网络模型。经多次试验，BP神经网络模型较好地提取了区域土壤盐分信息，模型模拟精度达到了78.95%，因此从一定程度上验证了光学遥感与主动微波遥感结合进行盐渍区信息提取的有效性。
　　综上所述，本研究通过主动微波遥感特征，利用AIEM物理模型建立了适用于裸露区土壤水分反演的经验模型；同时，结合多光谱数据，利用BP算法建立了土壤盐分模型，且模拟精度较高，准同步地表土壤水盐研究可为干旱区土壤信息提取工作提供一定的参考。

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