积雪不仅是冰冻圈的重要组成部分,同时也是地表最为活跃的自然要素之一。积雪,是我国西北山区的宝贵淡水资源对干旱、半干旱地区的河流起到了的重要补给作用。积雪的积累与消融,冰水之间的相互转换,是水分与能量的存储与再释放的过程,因此积雪也是气候系统中极其重要的角色。新疆玛纳斯河流域位于我国西北干旱区,处于天山北坡的经济核心区,同时也是生态脆弱区域。积雪含水量是积雪雪粒孔隙间的含水状态,是表征积雪消融过程的重要指标,其时空变化信息对融雪径流预报、区域气候变化研究等有重要意义。遥感是对地观测的主要手段,具有宏观、精准、快速、多谱段和多时相等优势,已成为在气候条件恶劣、气象资料不足的山区唯一能获取大范围雪表层含水量时空变化信息的技术手段。合成孔径雷达技术(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天候、高分辨率、不受云层干扰、可获取地物内部信息以及对地物介电特性敏感等优势,在流域尺度的雪表层含水量定量反演中起着关键作用。论文依据国家高分辨率对地观测系统重大专项项目“新疆天山中部高分载荷雪冰监测评价”(95-Y40B02-9001-13/15-04)和国家自然科学基金面上项目“SAR与高分辨率光学遥感联合反演雪水当量”(41271353)的研究需求,在新疆天山中段玛纳斯河流域选择典型研究区,利用Radarsat-2数据和多次野外同步观测的湿雪特性数据,探讨利用C波段SAR数据反演山区湿雪表层含水量的有效性与可行性,解决湿雪表层含水量与后向散射系数关系的影响因素抑制的问题,确定模型参数,改进反演模型,最终反演得到研究区湿雪表层含水量分布信息。本研究的主要成果包括以下四个方面:(1)研究区湿雪的微波特性。为了探讨C波段SAR数据反演研究区湿雪表层含水量的可行性,以及确定湿雪的主要散射分量,利用同步观测数据验证了现有的介电常数经验模型在研究区的适用性,探讨了 C波段条件下湿雪的介电常数和积雪含水量的变化关系。在此基础上模拟了湿雪的穿透深度,发现随着积雪含水量的增加微波的穿透能力逐步减弱,在积雪含水量大于2～3%时C波段可以有效获取湿雪10 cm的雪表层信息。在SAR数据获取的湿雪面积基础上,利用极化分解对湿雪的后向散射进行了面体散射分离,表明研究区湿雪以“空气-雪”界面面散射为主,面散射分量在后向散射中占主导地位,为雪表层含水量反演模型影响因素的确定提供了理论依据。(2)模型参数的选择。为了在众影响因素中确定反演模型的输入参数,利用AIEM(Advanced Integral Equation Method)模型模拟湿雪面散射,确定了影响湿雪表层含水量与后向散射系数响应关系的影响因素为频率、极化方式、局部入射角、雪面粗糙度和雪表层密度;探讨了 C波段面散射后向散射系数与各影响因素的响应关系,针对山区复杂地形条件提出了影响因素的抑制方法:同极化是反演湿雪表层含水量的最优极化方式,同时相不同极化方式的积雪面散射分量的比值削弱积雪面粗糙度的影响,基于地形数据对实测雪表层密度进行空间插值作为模型的输入参数,选择可准确获取的局部入射角参数作为反演模型的输入参数;根据不同极化的体散射比仅是积雪介电常数和局部入射角的函数这一研究结果,得到了反演模型的最终输入参数:局部入射角和雪表层密度,为反演模型的改进提供了理论基础。(3)反演模型的改进。为了对现有模型进行改进、对反演过程进行优化,根据同步观测数据和Radarsat-2数据建立覆盖研究区积雪物理参数、雷达参数最大可能分布范围的数据集,对以往研究中简化过程可采取的不同参数形式进行了比较分析,在最优参数形式选择基础上拟合得到了简化面散射模型的系数取值范围,结合简化的体散射模型表达式,构建了适用于研究区的改进的湿雪表层含水量反演模型;提出了“模拟面插值+IDW残差内插+基于地形时间调节”插值方法,在实测雪表层密度数据的基础上获取了研究区雪表层密度参数取值范围,实现了反演过程动态化,即在插值获取的雪表层密度范围以及拟合得到的模型系数区间内,通过迭代调整输入参数和模型系数来约束模型输出结果。反演模型的改进以及反演过程的优化,为湿雪表层含水量的获取提供了技术支撑。(4)反演结果的评价。为了评价改进的反演模型的精度,基于计算得到局部入射角和插值得到的雪表层密度,针对研究区的不同局部入射角动态选择相应的反演模型表达式,反演得到了研究区湿雪表层含水量分布图;分析了研究区湿雪表层含水量分布规律:2014年3月19日的湿雪表层含水量总体较小,以3～4%为主,平均含水量3.57%;海拔和坡向是影响湿雪表层含水量分布的重要地形要素,低海拔南坡平均湿雪表层含水量最大,高海拔北坡平均值最小;与地面观测数据对比得出,研究区湿雪表层含水量反演结果的平均绝对误差为0.64%,在置信区间为95%的范围内的误差限为0.88%。反演结果精度较高,结果验证了利用多极化C波段SAR数据和改进后的模型反演山区湿雪表层含水量是有效和可行的,为湿雪表层含水量的反演提供了应用实践。本文针对山区湿雪表层含水量反演问题,基于实测积雪数据,通过分析研究区湿雪的微波特性,确定了 C波段条件下湿雪后向散射的主要影响因素,探讨湿雪表层含水量与后向散射系数关系的影响因素抑制方法,确定了反演模型的输入参数,具有一定的理论意义;为提高现有模型在研究区的适用性,提出了山区条件下模型的优化方法,获取了输入参数和模型系数的动态调节区间,实现了反演过程动态可控,具有一定的技术创新和实际应用价值。