开题报告-20121021-李洋洋.ppt

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1、,中国科学院东北地理与农业生态研究所 博士研究生学位论文开题报告,基于光学和主被动微波遥感苏打盐碱地特性识别方法研究,报 告：李洋洋 导 师：赵 凯 研究员 专 业：地图学与地理信息系统 方 向：定量遥感,报告提纲,一、选题目的及意义 二、国内外研究进展 三、研究内容、研究特色和拟解决的关键问题以及创新点 四、研究方法与技术路线、可行性分析、难点分析及解决办法 五、时间安排 六、预期成果 七、论文详细提纲,一、 选题目的及意义,1、选题目的 土壤是人类赖以生存及其一切社会活动的基本条件。土壤盐碱化和次生盐碱化目前已经成为一个全球性环境问题，尤其是干旱和半干旱地区，问题更为严重。盐碱化土壤是各种

2、发生盐化过程和碱化过程土壤的总称，包括盐土、碱土和各种盐化土、碱化土。它是一定的气候、地形、水文地质等自然条件共同对土壤水盐运动产生影响的结果，更是由于不合理的人类活动和脆弱生态环境的共同作用而引起的土地退化。根据联合国教科文组织和粮农组织不完全统计，全世界盐碱地面积为9.5438亿公顷，其中我国为9913万公顷。,一、 选题目的及意义,1、选题目的 光学遥感盐碱土监测： 基于光学遥感的盐渍土监测和识别取得了很好的进展，然而单纯的通过光谱响应 来提取土壤盐碱化信息仍有一定的局限性，无法解决如下难题： （1）沙层覆盖下的盐渍化土壤特性识别； （2）在海岸、沙滩等特定区域，沙子和土壤表面析出的盐粒

3、特性判别； （3）利用可见光、近红外波段难以识别湿润地区未饱和析出的土壤盐溶液特性； （4）在一些排水不通畅或土壤质地比较粘重的地段，苏打或镁盐的积累，引起有机质胶洗作用，致使土体表面染成黑褐色，降低了光学影像区分盐渍化土壤的能力。 （5）盐碱土壤光谱响应与其盐渍化程度的非线性关系，使得难以通过土壤光学遥感定量反演土壤含盐量。,一、 选题目的及意义,1、选题目的 微波遥感盐碱土监测： 应用微波遥感监测盐碱地特性其基本原理是通过盐碱土壤介电常数建立地表后向散射系数或辐射亮温与土壤水分和含盐量之间的联系，物理意义明确。这为应用微波遥感定量反演土壤含盐量提供了可能。 然而微波遥感常受到地表粗糙度、植

4、被等干扰，而光学遥感对植被信息非常敏感。因此光学与微波的协同遥感将是遥感反演发展的一个重要方向。国际上也越来越重视二者的协同反演，若能有效的将光学与微波数据协同起来对地观测，将能更准确的反演大气和地表参数。综合光学微波遥感的各自优势, 拟采用以微波模型为主, 光学模型为辅的方法, 将光学模型反演的植被参数作为微波模型的输入来协同反演土壤含盐量。,一、 选题目的及意义,2、选题意义 通过论文的研究工作： （1）明确盐碱土壤介电特性对微波辐射/散射信息的响应； （2）确定基于光学与主被动微波遥感定量识别盐碱地特性的方法，为定量化反演盐碱土壤含盐量提供一种可行且准确的反演方法。 为掌握盐渍土的基本形

5、态、形成过程、演变规律和地理分布的规律性，及盐碱地改良和合理利用提供理论方法和技术支持。,二、国内外研究进展,国外研究进展： 利用卫星遥感进行盐渍化监测始于20世纪70年代（Singh，1977）。进入80年代，多波段、多时相遥感数据被广泛应用到土壤盐渍化监测、调查、制图研究中，代表有Budd（1982）、Sommerfeldt（1985）、 Sharma（1988） 、 Singh（1989） 等。 90年代以来，随着遥感数据源的丰富，方法也日趋成熟： Rao（1991）利用遥感技术研究盐碱土时用OIF，指出TM数据中1、3、5波段组合所含盐碱化信息量最大。 Dwivedi（1992）利用P

6、CA技术，发现第一主成份是识别盐碱土的最有效组分，并进行了盐碱土监测最佳波段组合试验研究。 Rao（1995）对盐碱化土壤光谱特征分析，发现其在可见光和近红外波段有很强的反射率。 Metternicht（1997）指出研究盐碱化土壤波谱响应模式，选择敏感波段有助于盐碱土的分离。 Evans等（1998）使用最大似然分类、无参数决策树、神经网络的那个进行盐碱化土壤分类，取得较好结果。 Nasir等（2001、2002）通过比较典型地物的波谱特征及波段混合实验，提出了由红和蓝波段确定的土壤盐分指数模型，该模型能较好的反应土壤盐碱化程度。 Taylor（2001）利用高光谱数据，分析盐碱土壤波段特性

7、，发现在 0.800m处盐碱土有强反射峰，在1.450m与1.900m 处出现宽吸收带，可以用来进行盐碱土的制图,在 0.980m和1.170m处的微弱水吸收特征对改进盐碱土制图十分重要。 Dehaan等（2002）发现当土壤含盐量很高时，将在0.68m1.18m1.78m处有清晰地吸收特征，利用Hymap成功地绘制了澳大利亚Murray盆地土壤盐碱化分布图。 Wang，Wilson和Shannon等（2002）研究了不同盐碱化程度及灌溉条件下大豆冠层的光谱反射关系。,土壤盐渍化一直是国外研究的热点，众多专家从土壤学、生态学、环境学、生物生理学、生态经济学等不同角度对土壤盐渍化展开研究。基于R

8、S和GIS技术对盐渍土应用，主要是从盐渍化土壤的光谱特征、空间分布及动态变化进行研究。盐碱土遥感影像定性识别技术已经比较成熟，多光谱数据可以较有效地提取有关盐碱土的空间范围、地理分布及盐碱化程度等方面的定性信息，然而对于盐碱土壤光谱反射特性与盐分的关系等定量问题需要深入研究。近年来利用高光谱遥感定量反演含盐量的研究开始出现，基于神经网络、支持向量机等方法大量应用于此。,二、国外研究进展,国外研究进展： 随着微波的发展，也有学者开始对用微波遥感技术进行土壤盐碱化监测做了探讨和研究。 Arver等（1977）通过土壤-水介电模型强调了盐度对介电常数的作用。他指出在给定频率下，复介电常数的实部随着含

9、盐量增加而降低，而虚部随之升高。虚部对盐分的敏感性，随着频率的降低而增高。 Carverand Bush等（1979）在冲刷河沙进行野外实验研究微波对土壤含水量和盐度的响应，发现L和C波段辐射计和散射计对土壤水电导率都有很强的回应，并认为L和C波段传感器的结合使用可以用来区分土壤盐度和水分的不同作用。 Chaturvedi等（1983）在机载遥感研究中，发现L和C波段辐射计可以十分有效地识别完全发育的盐度渗出。 Jackson，Thomas等（1987）通过野外实验发现一定的土壤含水量之下，盐度的增加会造成辐射亮温的降低。 K.Sreenivas等（1995）在实验室制备土壤，分析了L波段盐碱

10、土壤复介电常数与含盐量关系。 Taylor等（1996）利用AIRSAR的P、L、C波段对Pyramid Hill盐碱土地区进行研究，表明可以通过雷达影像多波段多极化组合反演湿润土壤的复介电常数。,应用微波遥感技术进行土壤盐碱化监测，始于土壤盐分与介电常数关系的研究，进而应用到辐射亮温与土壤含盐量关系的研究，但是没有一个明确的模型或算法应用到含盐量定量反演研究中。 近年来，有些学者把微波遥感土壤水分反演的模型和算法，如SPM、POM、DM模型等应用于土壤盐碱化研究中（D.Bell、C.Menses，2001），然而模型的精确度与准确性有待改进。,二、国外研究进展,国内研究进展： 国内开展土壤盐

11、渍化光学卫星遥感监测研究始于80年代，比国外大约晚10年，现阶段集中在利用RS、GIS和数学模型进行土壤盐渍化的管理、信息提取、监测与预报。 彭望琭等（1989）研究发现经过K-T变化得到的3个分量（亮度、绿度、湿度）地学意义明确，可以提高盐渍土的判读分析效果。 张恒云(1992)曾用气象卫星NOAA /AVHRR 数据，建立了盐渍土与土壤含水量、日最低气温和日最高气温之间的回归模型来间接分析研究滨海盐渍土的分布。 乔玉良（1993）研究了彩红外航片在忻定盆地水浇地清查及盐碱地动态监测中的应用。 刘庆生等(2000)利用 HIS 和 PCA 变换将资源一号卫星数据与高分辨率全色数据进行融合分析

12、，更清晰地确定了不同级别盐渍土及农田的分布状况。 骆玉霞等(2001)采用了K-T、K-L变换和有关经验指数，从LandsatTM数据中提取了盐渍土的光谱特征和纹理特征参与分类。 关元秀等人（2001）利用TM数据，基于地物光谱特征、野外调查建立的地物与影像之间的关系以及土壤和地下水监测数据的辅助，提取了不同盐渍化程度的盐碱地。 史晓霞(2003)通过建立 GeoCA-Salinization 模型模拟对长岭县土壤盐渍化时空演变过程。 许迪(2003)用 LANDSAT 卫星遥感影像数据，利用监督分类、NDVI 指数等遥感影像处理方法，对黄河上游的宁夏青铜峡灌区进行了识别作物及土壤盐渍分布的应

13、用研究。 李晓燕等(2003)以 GIS 技术为支撑，基于地形图和 MSS、TM 影像，从数量、类型、空间分布及重心转移几个方面进行了大安市盐渍地景观的动态变化及成因分析。 翁永玲等(2006)利用高光谱图像对黄河三角洲盐渍化问题进行了研究，发展了基于高光谱Hymap的盐渍化监测指数。 何祺胜等(2007)利用 TM 卫星图像数据，分析了盐渍地地区主要地物的光谱特征，并建立决策树模型得到了盐渍地信息的提取结果，总体提取效果较好。 丁建丽等(2008)通过探讨土壤盐渍化与离子含量之间的关系，利用土壤离子含量信息研究渭库绿洲土壤盐渍化状况。 刘焕军等（2008）以吉林西部盐碱土及其光谱反射率为研究

14、对象，建立各种土壤光谱指数，分析并确定反映盐碱化程度的 最佳波段与土壤光谱指数，建立了盐碱化土壤参数的高光谱定量模型用于评价土壤盐碱化程度。 刘丹丹等(2009)将BP神经网络应用到Hyperion高光谱数据对土壤含盐量反演。,二、国外研究进展,国内研究进展： 国内也有学者应用微波遥感对盐渍土进行了研究： 熊文成等（2003）研究了含水含盐NaCl土壤的介电常数模型，即建立了土壤含水量、含盐量与介电常数虚部的关系。 邵云等人（2005，2006）研究土壤含盐量与土壤介电常数及雷达后向散射系数的关系，把经典的Dobson土壤混合介电模型扩展为含水含盐土壤的混合介电模型；利用后向散射理论模型并结合

15、吉兰泰实验区的雷达影像分析了雷达影像对土壤含盐量的响应，发现在相对湿润的土壤中，雷达后向散射系数与土壤含盐量相关性很大。 何祺胜（2007）利用RADARSAT雷达影像对表征土壤盐渍化的离子的灰色关联分析研究了雷达影像在干旱区盐渍地信息提取中的潜力并分析如何应用雷达影像来提高干旱区盐渍地信息的提取精度进行了分析，定性的分析了雷达识别盐碱地的可行性。 买买提沙吾提（2008）对微波遥感数据在盐渍地信息提取中的应用进行了研究，分析了不同极化对盐渍化土壤参数响应，并探索了多参数SAR数据在盐渍地识别上的应用,二、国外研究进展,综上所述： （1）基于土壤光谱特征的土壤盐碱化遥感监测研究仍是现阶段的主要

16、研究方法，然而光学遥感定性分析应用广泛，而定量分析需要深入研究。 （2）微波遥感（主动/被动）对土壤盐碱化信息的提取存在较多的理论空白。就应用而言，也没有成熟的应用模式，因此对于盐碱土壤后向散射特性/微波辐射特性等机理研究，以及对于植被覆盖地区盐碱土壤含盐量反演问题，是一个重要研究趋势。 （3）植被的生物物理特性、植被指数与土壤盐分的关系，以及如何充分利用植被这一间接指征，揭示土壤表层和植被根部之间的土壤盐碱化状况、扩展探测深度等有待进一步研究。,三、研究内容与创新点,研究内容： 1、实验区选择与可控实验设计 实验区地理位置：吉林省大安市安广县；选择该区域，有盐碱农田、草地盐碱地、非盐碱农田、

17、水体等，有利于对比验证分析。 同步实验：Radarsat-2升轨影像过境时间2012.06.28 17：42，同步或准同步采样时间为2012.6.27-2012.6.28，地基辐射计观测实验及地面光谱测量实验共同开展。 采样点设计： 加密采样和散点采样。农田、裸露盐碱地表、植被覆盖盐碱地表都在考虑范围之内。,三、研究内容与创新点,三、研究内容与创新点,建立双频双极化微波辐射识别盐碱土壤双参数（含水量及含盐量）反演模型； 建立卫星主动微波散射数据与地基被动微波辐射数据的耦合模式；,创新点：,四、 研究方法、可行性、难点及解决办法,研究方法,四、 研究方法、可行性、难点及解决办法,植被含水量反演：

18、 有很多基于高光谱数据估算植被含水量的植被指数，最广泛的是归一化差值水分指数（NDWI）和水分指数(WI),也有研究应用NDVI、归一化差值近红外指数（NDII）和水应力指数（MSI）对植被含水量进行反演。(Gao,1996;Penuelas,etal,1997;Hardisky,1983;Goetz,1985;Serrano,2000;SIms,2003等) 数据源：ETM+影像及HJ-1CCD影像、地面实测植被含水量数据、地面光谱数据 针对ETM+可以选择的表征植被含水量的因子是NDVI和NDII HJ-1CCD可以选择的表征植被含水量的因子是NDVI,四、 研究方法、可行性、难点及解决办

19、法,盐分敏感性分析： 利用Dobson土壤介电模型结合盐水介电模型，建立盐碱土壤介电模型，分析盐分、水分对土壤介电常数的影响； 基于微波辐射传输方程，结合研究区地表粗糙度测量结果，选择合适的粗糙度模型，进行盐分、水分对微波亮度温度敏感性分析； 模型应用： 利用AIEM模型结合多频段多角度地基微波辐射亮温数据，确定反演迭代阈值，然后利用微波辐射传输理论的正演模型及最小二乘迭代算法，实现盐碱土壤双参数（土壤含水量、含盐量）反演 植被含水量是衡量植被冠层辐射与散射能力的关键变量，研究植被含水量对雷达后向散射系数的影响，结合MIMICS模型及水-云模型，以此消除盐碱土壤含盐量、含水量反演过程中植被冠层

20、的干扰；利用AIEM模型，建立盐碱土壤后向散射模拟数据库，结合植被散射模型，反演土壤含水量、含盐量。,四、 研究方法、可行性、难点及解决办法,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,工作基础： （1）设计了2012年6月吉林西部盐碱地星地同步观测实验，在净月潭遥感实验站支持下圆满完成实验。实验在与卫星同步或准同步时，开展以下几项工作： 微波辐射计观测实验 光谱测量实验及植被参数采集； 像元尺度地表粗糙度测量实验； 探地雷达盐碱地散射特性测量实验； 土壤样地的设计和均匀、随机样品采集实验。,可行性分析,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,工作基础： （2）基于微波谐振腔法进行盐碱土壤微波介电特性

21、实验 测量了L波段下不同含盐量盐碱土壤微波介电常数，研究发现盐碱土壤介电常数实部与含盐量相关性很小，而虚部受含盐量影响很大。,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,工作基础： （3）吉林西部盐碱土微波特性研究 为了解决一定湿度的盐碱土特性识别问题，我们于2010 年8 月，对吉林西部地区盐碱地样点进行试验。车载地基微波双频率（C、X 波段）双极化（H，V）微波辐射计多角度（30-75,间隔5）观测样点地区，得到样点地区的亮温数据，同时进行地面辅助数据的观测。初步研究裸土盐碱地微波辐射特性。 基于多角度双频率双极化的观测数据优势，选择逼近式迭代算法来反演其介电常数，同时将土壤粗糙度作为反演参数一

22、同进行估算，该方法的实现通过Levernberg-Marquardt算法来实现：,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,理论基础： （1）土壤-水混合介质介电模型-Dobson模型,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,理论基础： （2）植被遮盖层的后向散射特性 植被遮盖层是由许多散射元素组成的一个容积，其顶部以空气为界，底部以散射土壤的表面为界。一般情况下，后向散射系数决定于植被诸元素和土壤表面的散射特性，同时还与植被空间与土壤表面之间的多次散射作用有关。常用的模型有MIMICS模型、水-云模型。,MIMICS模型（Ulaby et al，1990）：基于一阶辐射传输方程的双层物理模型,水-

23、云模型（Ulaby et al，1987）：将植被层处理成一层同质的均匀介质，具有一定的消光能力，总的后向散射由植被层的直接后向散射和经过植被层双程衰减之后的后向散射组成，适用于农作物等低矮植被,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,理论基础： （3）粗糙地表辐射与散射物理模型 几何光学模型 物理光学模型 小扰动模型（SPM） 积分方程模型（IEM）模型及改进的AIEM模型 项目支持： 论文依托微波遥感学科组和净月潭遥感实验站开展研究工作，并受中国科学院知识创新工程重要方向项目-土壤湿度与积雪参量高精度微波遥感反演机理研究及青年科学基金项目-基于主动光学与被动微波遥感技术的盐碱土特性无损探测研

24、究项目支持。,4 研究方法、可行性、难点及解决办法,植被散射与土壤散射相互作用分析； 卫星主动微波散射数据与地基被动微波辐射数据的耦合模式,难点：,解决办法：,综合前人的研究成果，合理设计地面实验并进行植被敏感性分析，选择合适的植被散射/辐射模型，也即实践和理论相结合，解决难点问题。应用盐碱土壤介电模型将基于辐射理论的微波辐射数据与基于后向散射理论的雷达散射数据相结合，解决二者的耦合。,五、时间安排与预期成果,时间安排： 2011.06-2012.03 查阅文献资料，概述研究状况，确定研究内容，为开题做准备； 2012.04-2012.08 野外实验调查、设计及开展，室内数据分析等，为研究做数

25、据准备工作 2012.09-2013.01 建立植被覆盖下双频双极化微波辐射识别盐碱土含盐量含水量模型，中期考核； 2013.02-2013.06 基于植被覆盖下后向散射模型，建立植被覆盖下含盐土壤雷达后向散射模型，进行含盐量反演； 2013.07-2013.10 建立被动微波辐射数据与雷达后向散射数据的耦合； 2013.11-2014.03 撰写论文，为论文预答辩做准备； 2014.04-2014.06 根据专家反馈意见修改论文，完成论文终稿，论文答辩。 数据分析整理、论文写作：2012年10月-2014年4月 预期成果： 完成博士毕业论文 发表文章2-3篇,六、论文详细提纲,1绪言 1.1

26、 选题目的 1.2 选题意义 1.3国内外研究进展 1.3.1 国外研究进展 1.3.2 国内研究进展 2 实验区选择与可控实验设计 2.1 研究区概述 2.1.1地理位置及地形地貌 2.1.2水文及气候状况 2.1.3土壤盐渍化现状 2.2 野外实验设计 2.2.1典型研究区的确定 2.2.2采样点设计方案 2.2.3地物光谱测量 3 土壤表面参数及微波特性 3.1 土壤水分及盐分参数 3.2 土壤表面的几何特性 3.2.1表面粗糙度参数的统计含义及描述 3.2.2表面粗糙度参数测量方法,3.3土壤的微波介电特性 3.3.1水的介电常数模型 3.3.2异质混合物介电常数的理论模型 3.3.3

27、含水土壤的介电模型 3.3.4改进的含水含盐土壤的Dobson介电常数模型 3.4裸露土壤表面的后向散射特性 3.4.1随机粗糙介电表面的散射理论概述 3.4.2随机粗糙表面的后向散射模型4 土壤微波介 电模型及其后向散射特性 4 基于混合像元分解的盐生植被指数构建及植被含水量反演 4.1引言 4.2研究方法 4.2.1盐渍化监测指标类型及其尺度特征 4.2.2基于混合像元分解的盐生植被指数确定 4.3.3 建立盐生植被指数与植被含水量关系 4.3结果与分析,六、论文详细提纲,5 盐渍土壤微波辐射响应分析 5.1盐碱土壤介电特性对微波辐射响应 5.2基于双频双极化微波辐射正向模型的反演算法研究

28、 5.2.1正向模型选择 5.2.2最优化算法选择 5.3植被覆盖对微波辐射影响分析 5.4应用双频双极化微波辐射反演含水量含盐量 6 盐碱土雷达影像响应分析 6.1雷达影像参数 6.1.1雷达方程和雷达后向散射系数 6.1.2雷达系统参数及成像雷达图像特性 6.1.3 Radarsat2成像特点 6.1.4雷达影像几何特征及预处理 6.2植被覆盖与雷达后向散射系数敏感性分析 6.2.1植被含水量对雷达后向散射系数影响分析 6.2.2基于水-云（Water-Cloud）模型的植被后向散射特性 6.2.3基于MIMICS模型的植被后向散射特性 6.3土壤含水量、含盐量与雷达后向散射系数敏感性分析 6.3.1基于AIEM模型建立盐碱土壤模拟数据库 6.3.2分析含水量、含盐量与雷达后向散射系数关系 6.3.3确立反演算法并进行含盐量反演 6.4探讨雷达后向散射与微波辐射的耦合,7 结论与展望 7.1 结论 7.2 展望,恳请各位老师、同学批评指正,谢谢！,