[发明专利]一种FY-3C被动微波数据估算土壤湿度的方法

权利要求书

1.一种FY-3C被动微波数据估算土壤湿度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：FY-3C卫星MWRI传感器陆表温度L2产品数据获取及其预处理，所述数据预处理包括以下步骤：

(1)提取8个通道：10.7GHz/H，10.7GHz/V，18.7GHz/H，18.7GHz/V，23.8GHz/H，36.5GHz/V，89.0GHz/H，89.0GHz/V的亮温数据，H和V分别代表水平极化和垂直极化，其中通道10.7GHz/H和10.7GHz/V是用于土壤湿度估算，通道36.5GHz/V是用于计算土壤湿度估算中用到的地表温度，其他通道数据用于步骤2中掩膜无效像元；

(2)根据如下公式将DN值转化为星上亮温；

公式一：Tb＝gain*DN+offset

式中，Tb为星上亮温；DN为计数值；对于FY-3C卫星MWRI传感器陆表温度L2产品的亮温数据，所有通道的gain和offset分别为0.01和327.68；

(3)将ESD投影平面坐标转为地理坐标；

(4)对亮温数据进行裁剪得到陆地范围亮温数据；

步骤二：受降雨、冰雪、冻土影响以及大量无线电射频信号干扰的像元并不适合土壤湿度估算，因此将其视为无效像元，并对其进行掩膜处理；掩膜像元不进行土壤湿度估算，全部赋值为-1.0；

如下为掩膜条件，满足以下条件的像元即为无效像元：

雨：TbV89.0GHz<249K；

冰雪、冻土：TbV36.5GHz<250K且TbV36.5GHz-TbV18.7GHz<-3K；

无线电射频信号干扰：TbV10.7GHz<TbH10.7GHz或TbH18.7GHz<TbH10.7GHz-5K或TbV18.7GHz<TbV10.7GHz-5K；

步骤三：地表土壤湿度估算：

对于植被覆盖地表，星上亮温的贡献主要由以下6个方面组成：(a)土壤发射辐射；(b)植被直接发射辐射；(c)地表对植被的反射辐射；(d)大气上行辐射；(e)地面对大气下行辐射的反射辐射；(f)地面对宇宙背景辐射的反射辐射；微波辐射传输方程可以表示为：

公式二：

式中，p代表不同极化，包括水平极化H和垂直极化V；Tb为星上亮温，可从卫星数据中直接获取；Ts和Tv分别为土壤和植被温度，假定Ts＝Tv；

Tb,a↑，Tb,a↓，Tb,c分别为大气上行、下行和宇宙背景辐射的亮温，这三个参数值较小，其变化对方程影响较小，可以赋值为常数，与微波频率和极化无关，即Tb,a↑＝6.0K，Tb,a↓＝8.7K，Tb,c＝2.725K；Γv和Γa分别为植被层和大气层的透过率，τv是植被光学厚度，τa是大气光学厚度，在FY-3C卫星MWRI传感器的观测角53°度下,τa为0.014；εs为土壤粗糙地表发射率；ωv为植被单次散射反照率，在10.7GHz频率处，ωv＝0.07，与极化无关；

在公式二中，星上亮温Tb可从卫星数据中直接获得；右边三个未知数Ts，εs和τv，粗糙地表发射率εs的计算复杂，需要多个描述地表粗糙度的参数，误差较大，而光滑地表发射率εsmooth可以根据菲涅尔方程求得，计算简单，误差较小，因此将地表粗糙度对星上亮温的影响与植被光学厚度τv对星上亮温的影响合二为一，这样微波辐射传输方程中的植被光学厚度τv由新的变量τ'v代替，该变量包含了植被和地表粗糙度对星上亮温的综合影响，同时，方程中的粗糙地表发射率εs由光滑地表发射率εsmooth代替，微波辐射传输模型可以表示为：

公式三：

式中，

和可从卫星数据中直接获得；右边四个未知数Ts、和τ'v；

光滑地表发射率εsmooth的计算：

建立介电常数ε与土壤湿度mv的关系

公式四：

在10.7GHz频率处a0＝2.502，a1＝-0.003，a2＝-0.003，b0＝10.101，b1＝0.221，b2＝-0.004，c0＝77.482，c1＝-0.061，c2＝-0.135，S为沙土含量，C为黏土含量，

根据Fresnel方程计算光滑地表反射率

公式五：

式中，u是FY-3C卫星MWRI传感器地面入射角53°；H,V为两个极化；ROH为水平极化光滑地表反射率；ROV为垂直极化光滑地表反射率；

因此，光滑地表发射率可以表示为：

公式六：

根据如下公式进行地表温度估算：

公式七：

式中，Ts为地表温度，为通道36.5GHz垂直极化V的星上亮温，a＝0.893，b＝44.8；

综上，根据公式三通道10.7GHz水平极化H和垂直极化V可以建立两个方程，两个方程中只有两个未知数土壤湿度mv和τ'v，因此可以根据最小二乘拟合法求解土壤湿度。