小麥微波散射機(jī)理與生物量參數(shù)反演研究.pdf

1、微波遙感具有全天時(shí)、全天候、穿透植被及觀測(cè)地面目標(biāo)物理和幾何特性的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用到植被監(jiān)測(cè)、環(huán)境評(píng)估和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域。但是，地物微波散射機(jī)理極其復(fù)雜且不同對(duì)象散射特性差異較大。為了充分利用微波與地表相互作用的特性，發(fā)揮大尺度和全時(shí)相的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，研究和探索地物的微波散射機(jī)理，構(gòu)建地物微波散射模型和定量反演算法為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。
　　本論文以陸基散射計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以產(chǎn)量占據(jù)世界第二位的農(nóng)作物—小麥為研究對(duì)象，對(duì)小麥不同生長(zhǎng)階段的微

2、波散射特性進(jìn)行了研究與分析，構(gòu)建了小麥微波散射模型，比較了不同的反演方法，完成了基于合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar，SAR)圖像的小麥生物量反演，完善了農(nóng)作物參數(shù)定量反演的流程。本文的主要工作如下：
　?。?）選取了2008-2009年和2010-2011年兩組小麥完整生長(zhǎng)季的數(shù)據(jù)對(duì)小麥微波散射特性進(jìn)行了分析和研究。實(shí)驗(yàn)包括后向散射測(cè)量和地表參數(shù)采集兩個(gè)方面，其中后向散射測(cè)量獲得了四個(gè)波段（L、S、

3、C、X），全極化（HH、HV、VH、VV），不同入射角（0-90°）和不同方位角（0-360°）情況下在小麥各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的后向散射系數(shù)；地表參數(shù)包括小麥各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的各組分參數(shù)（麥稈、麥葉和麥穗的生物量、長(zhǎng)度、厚度、寬度和含水量）、植被葉面積指數(shù)（Leaf Area Index,LAI)、稈密度、葉傾角、土壤參數(shù)（含水量、粗糙度和土壤成分）等。針對(duì)入射波參數(shù)（頻率、入射角、方位角、極化）、宏觀結(jié)構(gòu)（農(nóng)作物行列向）和微觀特征（小麥參數(shù)和下

4、墊面土壤參數(shù)）進(jìn)行了散射特性研究和理論分析。
　　（2）以小麥微波散射機(jī)理的研究為基礎(chǔ)，構(gòu)建了小麥微波散射模型，包括經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)和理論模型。利用后向散射系數(shù)與地表參數(shù)建立了小麥的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；針?duì)小麥重要的生長(zhǎng)器官-麥穗，將小麥完整生長(zhǎng)季劃分為有麥穗和無(wú)麥穗兩個(gè)生長(zhǎng)期，對(duì)水云（Water Cloud，WC)模型和密歇根微波冠層散射(Michigan Microwave Canopy Scattering,MIMICS)模型進(jìn)行了改進(jìn)，

5、建立了小麥的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；利用矢量輻射傳輸理論，將小麥分為麥穗層、麥稈葉層和小麥底部土壤層，進(jìn)行了多層后向散射建模，構(gòu)建了小麥輻射傳輸理論模型；最后利用實(shí)測(cè)的后向散射系數(shù)對(duì)小麥的散射模型進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。
　　（3）基于建立的小麥散射模型和實(shí)測(cè)地表參數(shù)，建立了三種小麥參數(shù)反演方法。首先建立了小麥生物量反演經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并利用?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；然后利用基于改進(jìn)的水云模型和簡(jiǎn)化的MIMICS模型的兩種反演方法，對(duì)小麥生物量進(jìn)行了反演，通過(guò)實(shí)

6、測(cè)數(shù)據(jù)比較了兩種方法的優(yōu)劣性；最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法，采用小麥輻射傳輸理論模型的模擬數(shù)據(jù)，完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)了小麥生物量反演，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證和分析。
　?。?）本文對(duì)與地面測(cè)量實(shí)驗(yàn)同步獲取的ASAR（Advanced Synthetic Aperture Radar）圖像進(jìn)行了預(yù)處理，提取了實(shí)驗(yàn)區(qū)域-川西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的后向散射系數(shù)。利用基于簡(jiǎn)化的MIMICS模型的反演方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演方法進(jìn)行了小麥生物量反演。利用川西實(shí)

7、驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)的實(shí)測(cè)生物量和實(shí)驗(yàn)區(qū)域的TM圖像對(duì)基于ASAR圖像反演的小麥生物量進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　小麥?zhǔn)切蟹N植的低矮農(nóng)作物，本文通過(guò)小麥散射機(jī)理與生物量參數(shù)反演的研究，發(fā)現(xiàn)小麥行列向在不同生長(zhǎng)階段對(duì)不同頻率和極化的入射波的后向散射影響不同，通過(guò)對(duì)后向散射系數(shù)差異的比較和分析，為后續(xù)農(nóng)作物行列向建模奠定了基礎(chǔ)；利用麥穗對(duì)后向散射的影響改進(jìn)了水云模型和MIMICS模型，并提出了小麥多層理論模型。本文開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)量、散射特性分析、散射模型建立和