土壤水分对地球的水循环,能量循环,生态环境及农业生产都有着十分重要的影响。土壤是陆地表面和大气之间的重要边界,同时也是地表蒸散的关键媒介。土壤水分和土壤盐分同时也是判断土质健康状况和土地盐碱化风险退化的两项重要指标。尤其在干旱和半干旱区域,土壤盐碱化与长期的土壤水分流失以及土壤盐分升高有着密不可分的关联。因此,对于土壤水分、土壤盐分等各项参数的准确反演以及对于土地盐碱化等土地环境退化的监测有着十分重要的意义。一直以来,人类都对土壤水分盐分参数以及土壤盐渍化等方面保持密切地研究,传统监测方式多为单独站点数据、采集实测土样等。这需要大量人力物力投入其中,且受测量方法的制约会存在观测尺度、实时性、有效性、可靠性及代表性等方面的问题并难以克服。近几十年来,通过卫星遥感技术实现对地观测、参数反演等方面的研究不断发展,全球多个国家和组织已先后发射多个多种涵盖各类谱段、分辨率及时间序列的对地观测卫星。这些卫星可以或已经被用于土壤水分监测、灾害预防、城市规划、智能交通、矿产及资源调查、生态环境监测、及气候变化评估等方面的实际应用。其中,光学遥感影像具有光谱波段信息丰富、成像质量好、分辨率高等特点,在无大面积云层干扰的情况下抗噪性好、信噪比高等优势,且所成光谱数据观测直观、空间信息丰富,所获得的遥感数据的处理工作与传统概念的图像处理领域高度交叉。光学遥感影像在地物分类识别、植被叶绿素监测、土壤盐碱化等方面有着得天独厚的优势和良好的应用。微波遥感与光学遥感相比,其波长更长,对于大气及云层具有较强穿透力强,不易受天气条件的影响。因此,它可以实现全球全天候监测大尺度的地面观测,同时微波具有穿透地表土壤表层的能力,且对温度及介质的介电特性十分敏感,其可广泛地应用于地表土壤水分和温度的反演。因此,对遥感技术的复杂成像机理的研究、相关算法的开发、已有数据及产品的定标及评价对地球物理、水文学、能量及水循环等地球科学以及全球生态环境、地区经济发展、人类农业生活等都具有十分现实的意义和迫切的需求。本文基于卫星遥感数据,以遥感地理信息技术、遥感物理过程、遥感数据处理以及观测对象物理性质共四个角度为切入方向,分别对光学遥感及微波遥感的物理基础、观测几何、辐射传输过程、能量交换等成像机理,以及对遥感数据本身的图像处理方法如模式识别分类、空间尺度转换、图像增强及拉伸等方面进行了具体研究。在此基础上,利用中及中高空间分辨率多光谱数据研究盐碱化土壤的光谱性质及盐化等级,利用被动微波数据研究分析土壤水分及土壤中水溶性盐分含量,并构建像元尺度地面观测网络对土壤水分产品评价及影响因素分析。本文的主要具体工作内容如下:(1)基于光学遥感中的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)传感器、Landsat 7卫星ETM+(Enhanced Thematic Mapper)传感器和Landsat 8卫星OLI(Operational Land Imager)传感器的多光谱数据对吉林省西部典型盐碱土地实验区的盐碱化土壤的光学遥感光谱特性及表现特征进行了实验分析;计算卫星数据土壤盐化指数,与实测土壤EC值及土壤盐分对比分析;通过对MODIS数据与Landsat数据对比及空间尺度一致性转换来讨论分析了光谱分辨率及空间分辨率对土壤盐碱化监测的影响。对光谱波段带宽窄、空间分辨率低的数据与光谱波段带宽宽、空间分辨率高的数据对于观测结果精度比重的影响进行了研究。(2)基于被动微波亮度温度数据分析不同成分类型土壤在各土壤水分盐分含量下的微波介电特性。考虑土壤水溶性盐分因素对土壤介电常数的影响,构建了加入盐水介电常数模型的Dobson土壤介电常数模型,通过构建代价函数来迭代计算反演实验区土壤水分盐分参数。并以吉林省西部为研究地区,在空间范围内,根据反演结果结合气象站点数据与实测土壤数据对土壤水分盐分的时间分布空间分布进行了分析研究。(3)建设面向微波土壤水分产品尺度的农用耕表面的实测土壤水分观测网络,主要包括网络的建设的位置选择、传感器测试及定标过程以及传感器探头实地的铺设过程,实验标准以依据卫星微波土壤水分产品空间尺度和穿透深度为衡量标准。(4)应用Thiessen Polygons方法对地面观测网络多观测点数据进行与微波像元的尺度匹配转换,应用观测网络实测土壤水分数据对基于被动微波X波段的AMSR2/JAXA土壤水分产品、AMSR2/LPRM土壤水分产品以及FY3B/MWRI土壤水分产品进行精度评价。并通过地表温度、植被覆盖以及实际土壤水分对土壤水分产品在处于完整农业耕种收获周期内的性能及影响因素情况进行了研究。论文的研究内容为遥感物理及应用,涉及多领域学科,涵盖多源多类别遥感数据,对土壤盐碱化监测、土壤水分盐分参数反演都提出了具体方法及算法,通过构建地面土壤水分观测网络对完整耕种周期内的土壤水分产品进行地面验证,对土壤变化情况及产品性能表现情况进行具体分析。从一定程度上,对后续的相关方法算法开发、策略制定以及地面验证实验建设方案等方面的研究开展都具有一定的指导意义。