土壤含水量是土壤属性的重要表征参数,是与农业、水文、环境、气象等领域密切相关的基础数据,成为基于遥感技术进行定量反演的研究热点。由于微波、热红外、多光谱等遥感影像仅有几个波段,对土壤水分含量的细微变化敏感性不高,监测精度有限;而基于高光谱遥感定量反演土壤含水量的研究大多没有考虑土壤的二向性反射特征,并且反演模型多为统计模型,研究精度和模型的适用范围也有限,因此研究基于机理模型的土壤含水量高光谱遥感定量反演,对提高反演精度,扩大模型的普适性具有理论和实际意义。本研究以吉林省公主岭市黑土和黑钙土耕地土壤为研究对象,在室内条件下利用美国ASD Fieldspec Pro高光谱仪对含水量为5%~45%(按5%递增)的土样进行多角度光谱测定,分析不同光源天顶角、观测天顶角、观测方位角及含水量对土壤二向性反射特征的影响,并基于土壤辐射传输模型(Hapke模型)定量反演土壤含水量。主要的研究结论如下:1.利用包络线去除法处理光谱曲线,得出不同含水量土壤的光谱敏感波段为490nm、650nm、1419nm、1919nm和2210nm。2.由于土壤表面颗粒之间的相互遮蔽,土壤BRDF随光源天顶角的增加而增大,随观测天顶角的减小而降低,且土壤BRDF随观测天顶角的变化与波长有关。当观测方位角不同时,后向散射方向的土壤BRDF最高,前向散射方向的土壤BRDF最小。在400nm~1400nm波段范围内,当土壤含水量小于田间持水量时,土壤BRDF值随含水量的增加而降低;大于田间持水量时,土壤BRDF值随含水量的增加而增加。但在波长1400nm~2400nm范围内,不同的观测位置下,土壤含水量不同引起土壤BRDF的变化没有明显规律。3.采用EFAST法检验Hapke模型六个参数(ω、h、b、c、b’、c’)敏感性,得出六个参数的全局敏感性和一阶敏感性的变化情况一致,参数敏感性由高到低的顺序为:ω>b’>b>c’>c>h,其中,平均单次散射反照率ω对模型模拟结果影响最大,而土壤表面粗糙度h的敏感性最低,参数b’、c’对模型的敏感性高于b、c,说明后向散射敏感性大于前向散射敏感性。4.利用粒子群优化算法优化Hapke模型参数,获得各土壤含水量梯度下对应的模型最优参数,并对模型模拟结果进行精度检验。结果表明,对于土壤含水量变化较大的区域,基于Hapke模型进行土壤含水量反演精度较高,土壤等效水厚度的估计值与实测值的R~2值大于0.99以上;对于土壤含水量变化较小的区域,15%和30%含水量变化的Hapke模型反演精度较高,其他土壤含水量的模型反演精度不稳定,原因有待进一步分析。Hapke模型优化参数平均值的土壤含水量反演精度也较高,R值均达到0.98以上,但比模型参数未取平均值的反演精度低。在30%含水量不同观测天顶角条件下,Hapke模型参数反演精度随观测角度的增加而降低,垂直观测条件下模型反演精度最高。