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土壤水分的研究对于水文学、气象学和农业科学都具有重要意义。获取不同尺度、高精度的土壤水分参数一直是全球变化、气象、水文以及农业等不同领域科学家努力的重要方向。
已有的研究表明，微波对土壤水分(土壤介电常数)非常敏感。但微波的观测还同时受到地表粗糙度以及植被层的影响，因此植被覆盖下的土壤水分反演问题较为复杂。为了理解微波与土壤水分、地表粗糙度及植被参数之间的关系，研究人员已经通过理论分析和实地试验开展了各种研究。本研究则是在单散射体和植被理论模型的研究基础之上，发展植被覆盖下土壤水分的反演算法。
在本研究中，我们使用了SMEX02试验中的AirSAR和PALS实测数据研究植被覆盖区地表的土壤水分反演问题。本文在单散射体分析的基础上，对现有植被散射模型进行了改进，并基于改进植被模型的模拟数据库建立了土壤水分的反演算法。本文的主要研究内容有：
1、实现和验证了单散射体散射计算的理论模型，并分析了单散射体性质对植被消光和散射的影响。
2、改进了现有的一阶植被模型，发展了高阶植被模型和混合植被模型，并对各个模型进行了比较验证。
3、利用改进的一阶植被模型模拟数据库。该数据库考虑了植被散射体的空间分布、散射体的尺寸和含水量等性质。
4、基于对模拟数据库的分析，分别采用三种办法研究土壤水分的反演：a.分析植被各个散射机制的去极化因子，用以判断主导散射机制，进而估算土壤水分的变化；b.论证了地表反射率和雷达后向散射系数的线性关系，进而通过确定其斜率来估算土壤水分的变化；c.通过主、被动结合的方式，估算前述线性关系的截距，进而用于监测土壤水分的变化。
本研究的创新性研究成果主要有以下几个方面：1.本文系统的研究了L波段植被散射体的性质，包括散射体的空间分布，对植被散射和消光特性的影响。本文还首次研究了介电圆柱体的尺寸分布对其消光和散射的影响。
2.引入了AIEM模型、广义Rayleigh-Gans近似和Oh模型，以及植被和地表的非相干作用项，改进了已有一阶植被模型。
3.引入MatrixDoubling方法实现了植被的高阶散射模型。
4.本文在一阶模型和高阶模型的研究基础上，提出并实现了更具通用性的混合植被模型。
5.提出了通过去极化因子分析，判断主导散射机制并进而估算土壤水分变化的算法。
6.利用雷达重复观测，基于雷达后向散射系数和土壤水分间简单线性表达，通过对模型模拟数据库的回归分析，估算线性关系的斜率，建立了监测土壤水分变化的算法。
7.尝试了利用被动微波的土壤水分反演值，通过主、被动结合的方式监测土壤水分变化的算法。