[发明专利]一种多分层土壤介质遥感深度模型的建立方法

说明书

本发明涉及一种多分层土壤介质遥感深度模型的建立方法，包括：考虑一个非均匀的土壤介质，假定其为一个平面分层的N层系统，第0层为自由大气，第N+1层为半无限介质；第N层土壤介质上界面为L‑1，下界面为L，L＝N；假定射线0为第N+1层经过界面L的透射辐射计算该射线0在第N层中经界面L‑1、L反射后透射至第N‑1层中界面L‑1向上的辐射总和以此类推，扩展到N层，求得空气‑土壤界面向上的辐射(含H)，然后令最终求得多计算多分层热发射深度H的公式模型。本发明考虑辐射在土壤层与层之间的反射和透射，能够有效缩小计算结果与实际遥感深度之间误差，为后续分析使用提供数据准确性保障。

技术领域

本发明涉及微波遥感技术领域，尤其涉及一种多分层土壤介质遥感深度模型的建立方法。

背景技术

在被动微波遥感反演地表、地下物性参数的研究中，遥感深度代表着微波的穿透特性，微波辐射计接收的辐射信号能够用于分析反演出整层土壤的温度、湿度廓线信息，因此，准确的遥感深度有助于加深了解微波遥感反演参数的物理意义。目前有两种遥感深度模型，一种是穿透深度模型，另一种为热发射深度模型。

穿透深度模型定义如下：考虑一束从空气中入射到土壤表面的电磁波，经过地表散射，部分能量返回空气介质中，其余的则通过边界传播到土壤介质中。如果入射辐射在地表的正下方(z＝0，z为土壤深度)，其功率表示为P(0)，经过厚度δ_P的土壤层后，功率衰减为P(δ_P)，若满足P(δ_P)/P(0)＝1/e，则δ_P定义为穿透深度。上述的计算过程有以下假设条件：1、忽略了土壤介质中的散射；2、假设土壤介质温度、湿度不随土壤深度而变化，即土壤的介电常数、衰减系数不随土壤深度而变化。穿透深度表达式为：

式中ε′、ε″分别为土壤介质介电常数的实部和虚部，λ为微波波长。由于此公式为简化的穿透深度模型，因此除温湿均匀的假设外，空气、土壤界面反射、天顶角等问题均没有考虑。很多科研人员用穿透深度模型计算被动微波遥感，这个模型也是2015年以前唯一可以计算遥感深度的模型。

微波热发射深度模型概念为：无限深处至微波热发射深度H的土壤层整层辐射在经历深度为H的土壤介质衰减及空气土壤界面透射后，若此时的辐射等于微波辐射计能够识别的最小量级，即微波辐射计灵敏度，此时的土壤深度为微波热发射深度。表达式如下：

式中：ΔT为辐射计灵敏度，通常取1K；R为辐射能量反射系数，T₁为土壤的热力学温度；θ₁为折射角，其值取决于微波辐射计观测角度θ₀，并遵循菲涅尔定律，即n₁sinθ₁＝n₀sinθ₀；n₀、n₁分别为空气和土壤的折射指数，空气的折射指数为1，土壤的折射指数可由其介电常数求得；k_e为土壤介质的吸收系数。

上述穿透深度模型和热发射深度模型考虑的是垂直梯度方向上物理性质均匀的土壤介质，然而，实际上，土壤既不是均匀的，也不是等温的，土壤温度、湿度随深度有明显的变化，这将导致计算出来的遥感深度与实际遥感深度之间存在较大误差，影响后续分析所得结论的准确性。基于此，亟需一种缩小计算结果与实际遥感深度之间误差的遥感深度模型。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多分层土壤介质遥感深度模型的建立方法，模型考虑辐射在土壤层与层之间的反射和透射，以缩小计算结果与实际遥感深度之间误差。

为解决上述问题，本发明所述的一种多分层土壤介质遥感深度模型的建立方法，包括以下步骤：

(1)考虑一个非均匀的土壤介质，假定其为一个平面分层的N层系统，N≥2，并给出如下定义：