土壤水分是一个与农业、生态、气候和水文有重要关系的陆地环境变量,及时准确的监测土壤水分状况,为改善干旱/半干旱地区的气候、旱情防治、生态环境修复和区域发展规划等方面都有重要的指导作用。传统的土壤水分测量方法如田间实测法仅限于单点测量,代表性差,无法高效率的获得大范围测量结果,限制了其应用范围。利用遥感技术反演土壤水分具有快速、高效、持续和覆盖面广等优点,可以克服传统方法的缺陷,关于土壤水遥感反演方法的研究仍具有十分重要的实用价值。本论文利用多源卫星遥感数据和相关地面观测资料,分别在黑河流域张掖地区和黄河源区玛多县,对利用光学遥感数据反演土壤水分研究中,应用最为广泛的热惯量法和温度一植被指数特征空间法(TVDI)进行了改进完善。(1)地表反照率是估算地表净辐射和改进热惯量模型法的关键参数,针对HJ-1/Landsat 8卫星是单一角度观测,通常采用的假定地表为各向同性的朗伯面,用地表反射率来近似代表地表反照率的方法会存在较大误差的问题,本论文将混合像元分解技术和BRDF核驱动模型结合,实现了混合像元窄波段反照率遥感反演;然后使用6S模型进行辐射模拟,从能量角度出发,实现了窄波段反照率向宽波段转换。验证结果表明,相比传统假设地表为朗伯体条件下计算的反照率,本论文基于先验知识可以较好地改善地表反照率的反演精度。(2)地表温度是改进热惯量模型法和TVDI法的关键参数,本论文参照已有研究成果,首先选用修正普适性单通道算法反演了HJ-1地表温度,利用劈窗算法反演了Landsat 8地表温度,并分别利用地面观测数据和MODIS温度产品进行了验证,然后采用粒子群算法对组分温度遥感反演进行了尝试,进而用反演得到的植被温度代替传统温度-植被指数方法(TVX)中的地表温度,反演了近地表气温,验证结果表明,该方法提高了近地表气温的反演精度。(3)地表净辐射同样是改进热惯量模型法的关键参数,针对HJ-1/Landsat 8数据特点,基于上述方法遥感反演的地表反照率、地表温度、近地表气温等参数结合前人提出的经验方程,整理了一套适用于HJ-1/Landsat 8数据估算晴空条件下地表净辐射的算法方案,验证结果表明该法可行,与已有研究反演精度相当,为快速获取大尺度的地表净辐射时空信息提供了新的途径。(4)针对HJ-1/Landsat 8卫星只有日间成像数据,无法反演夜间温度,即无法求取昼夜最大温差,传统的真实热惯量模型或者表观热惯量模型均不适用,已有学者从地表辐射能量平衡热传导理论出发进行了改进,用地表最高温度代替了地表温差值,使其适用于只有日间成像的遥感数据。但改进后模型仍存在一些不足,模型所用的地表辐射数据需要通过气象站获取,地表最高温度需要地面实测数据推算,地表反照率采用的计算方法会存在较大误差。对于干旱/半干旱地区而言,地表覆盖类型变化大、气象站点分布稀疏,依赖地面观测数据存在很大的局限性,本论文在前人研究的基础上,利用MODIS地表温度产品求解日平均地表温度,进而推算出地表最高温度,结合上述方法遥感反演的地表反照率、地表净辐射,从而使改进的热惯量模型适用于HJ-1/Landsat 8数据,并且减少了模型对地面观测数据的依赖,验证结果表明,MAE为3.14,RMSE为3.62。(5)针对传统TVDI法中采用的NDVI只是个地表绿度参数,且会受遥感传感器分辨率的制约,本论文利用更能代表像元内土壤和植被相对比例的植被覆盖度(Fr)来代替传统TVDI法中的NDVI构建了地表温度—植被覆盖度特征空间,并采用了一种干、湿边的自动确定算法剔除掉“伪”干点以减少其对干边确定的影响,验证结果表明,MAE为3.41,RMSE为3.87。(6)鉴于单一反演模型存在各自的适用范围,为提高土壤水遥感反演精度,通过实验统计对比,将改进后的2种方法进行优势互补,共同建立了土壤水分反演模型,验证结果表明,MAE为2.72,RMSE为3.29,该方法的反演精度有明显提高。