联合热红外与微波的作物辐射方向性模型研究

热红外遥感提供地表表层辐射信息为主,被动微波遥感可更好地提供植被和土壤背景垂直结构的辐射信息。结合热红外与被动微波遥感的优势协同反演植被和土壤组分温度是提高组分温度反演精度的一种思路。本文在对热红外辐射传输模型和微波辐射模型进行比较的基础上,构建均匀作物的统一场景,将统一场景的参数分为直接参数和间接参数。基于统一场景,修改微波辐射模型的场景结构及叶倾角分布,并增加组分温度参数以计算辐射亮温,最终构建热红外与微波辐射联合模拟模型(UEasmmes模型)。针对均匀玉米作物,利用UEasmmes模型进行联合模拟,分析了组分温度、组分发射率、叶面积指数LAI及叶倾角分布LAD对热红外与微波的方向性亮温DBT的敏感性响应差异。分析结果表明:协同热红外与被动微波遥感反演植被和土壤组分温度是可行的,但对于如何克服组分发射率、LAI及LAD对植被有效发射率的影响而导致的微波辐射亮温变化以及实现热红外表皮温度与微波等效温度之间的转化仍是需要深入研究和探讨的问题。     

非匀一冠层热辐射方向性3维模型构建——以玉米冠层为例

建立适用于多类型植被场景的热辐射方向性模型是进行地表热辐射方向性研究的一种手段。利用真实植株几何及生理参数的统计平均值来刻画理念植株,并给定其空间分布特征,进行不同生长期植被冠层的描述。基于冠层双向孔隙率思想构建了冠层热辐射方向性3维模型,模型继承了孔隙率模型在计算冠层热辐射方向性上的简洁优势同时以几何光学的思想考虑了冠层空间异质性对冠层热辐射方向性的影响。以玉米冠层为例,进行了不同生长期玉米冠层热辐射方向亮温的模拟,通过与实地测量数据的比对表明,本文发展的模型能够较准确地模拟不同生长期玉米植被场景的方向亮温变化规律,模拟误差主要来自理念株的刻画误差、玉米叶片形状的近似以及忽略了多次散射贡献等3个方面。模型的构建方法对稀疏植被场景、浓密植被场景、多类型植被的混合场景均可适用,不同观测几何下的植被场景4组份面积比计算结果有望应用于复杂地表条件下地表返照率的研究。     

采用热像仪测量玉米冠层半球方向亮温的四种方法比较

为了提高玉米冠层半球方向亮温（DBT）测量的准确性，对一套由工业用起重机平台和热红外成像仪组成的地面观测系统的四种测量方法进行了对比和评价。这些方法基于不同的测量原理：（1）通过移动起重机和平台，从不同的角度去测量一个样区的DBT；（2）固定起重机和平台的位置，通过旋转热像仪，从不同的区域收集不同角度的DBT；（3）对方法2的改进，转动热像仪朝向的同时，吊车沿作物垄行方向运动，得到大区域内平均的DBT；（4）当热像仪沿着垂直于垄行方向的起重机臂运动时，用高成像频率对目标热辐射进行采样。在对这些方法进行比较时，着重考虑了玉米冠层亮温分布的时间和空间变化所产生的影响，对本观测系统的优点和局限性进行了初步探讨。最后，本文从实际应用的角度，提出了一个基于这个系统且优化了的DBT测量方法。     

垄行结构玉米冠层方向亮温模型研究

基于热红外成像仪获取的玉米冠层图像，对垄行结构玉米的方向亮温（DBT）进行模型化描述并开展了初步验证工作。模型中假设某一方向上的冠层DBT是组分亮温及各组分在视场中所占面积权重的函数，它们在视场中的比例依赖太阳与传感器的几何位置关系，以及在作物行内，作物行与行之间孔隙的分布。对于玉米冠层的几何特征，简化为横截面是矩形的、其中有空隙透光的一组无限长的平行立方体；立方体内双向孔隙率的方向变化由Kuusk函数来描述。模型模拟表明，玉米亮温组分在视场中的权重具有垄行特性。中午前后，通过对中等密度的冠层DBT模拟，在DBT极坐标图形上发现了一个明显位于垄行方向的热条带的出现，热点出现在太阳位置的周围。最后，利用实地观测的结果与模型模拟结果作对比，对该模型的不足和以后的改进作了初步分析。     

垄行作物玉米方向亮温野外测量中视场角影响的简单分析

基于透视原理、地面试验中对于较高目标的观测存在着一定的偏差。这种偏差随传感器高度、观测角度、视场角大小、观测位置等多个因素改变。由于垄行作物空间结构和温度分布的复杂性 ,在采用较大视场角测量方向亮温的地面实验中 ,将不可避免地存在着误差。采用一个简化的三分量二维结构模型对这种误差进行初步的分析与估算。亮温三分量分别为植被、被阳光照到的亮土和植被阴影下的暗土。作物的结构简化为剖面为矩形的无限长平行体。通过对这三个分量在传感器视场中面积权重的计算来模拟目标结构、传感器高度、位置、视场角大小、观测角度等因素对测量结果产生的影响。模拟结果表明 ,在垂直观测中 ,视场中的植被权重往往被高估 ,偏差随传感器高度的降低急剧增加。在倾斜观测中 ,由于一种互补效应的产生 ,偏差被限制在一个较低的范围内。经过分析 ,减小误差的最有效办法是提高传感器高度。最后 ,实验数据与模拟结果进行了比较。恰当地选取模型输入 ,两种数据能非常好的吻合。     

城市简单目标方向亮温研究

本研究以哈尔滨野外试验数据为基础，分析了城市表面亮温分布地表测量中，典型目标选择、目标亮温变化以及分类等方面的问题。结果表明，城市典型目标的选择，不仅需用材料特性划分，而且还需考虑阳光与周围环境的变化。此外，城市典型目标的亮温在数值上均随测量时间改变，并且变化比较复杂，需深入研究。在以上实验分析的基础上，建立了一种简单情况下的城市方向亮温模拟模型。模型中，抓住部分建筑区楼房以行结构为主要空间分布特征的特点，将建筑物进行简化，得到了不同观测角度下城市方向亮温的数值。模拟结果显示，方向亮温极化图中出现了条带结构，这与实验结果很吻合，但未能发现热点效应，需要进一步深入研究。     

基于被动微波遥感技术的玉米冠层叶面积指数反演

基于玉米冠层结构参数实测数据和Matrix-Doubling(MD)模型构建了玉米出苗期至抽穗期的冠层多波段、双极化微波辐射特性模拟数据库;通过对模拟数据的回归分析得到了玉米冠层在各波段的微波发射率及其与透过率之间的经验关系,并将经验关系应用于0阶微波辐射传输模型;结合土壤发射率模型构建了玉米冠层覆盖地表的微波辐射亮温参数化计算模型,并基于该参数化模型、利用玉米样地微波亮温观测试验数据,采用迭代方法进行了玉米叶面积指数(LAI)的反演.研究表明,LAI反演值与实测值的相关系数r＞0.9,说明多波段被动微波遥感数据在植被冠层LAI反演方面具有较大的应用潜力.     

测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析

微波具有穿透性,相对于可见光与红外探测器而言,微波探测器不仅能反映叶片层植被信息,还能反映较深层木质生物信息。笔者利用6.6 GHz与18.7 GHz被动微波辐射计对夏季玉米进行了不同角度(0°~60°每5°一个间隔)、不同极化(V与H极化)及不同方位(顺垄、垂直垄、垄向45°)的微波辐射特性观测试验。试验中玉米从幼苗到抽穗共分8期进行了测量,每期都利用LAI-3000实地获得了LAI数据,以此代表植被的生长状态。研究结果表明,随着观测角度和LAI的增大,V和H极化的亮温都有明显变化;微波植被指数随观测角度和LAI的变化都有明显规律;测量方位对玉米的微波辐射特性有明显的影响;土壤对植被的微波辐射影响随植被的长高而减弱。     

遥感地面辐射观测中的视场效应问题研究

以典型的垄行作物玉米为研究对象，提出了一种新的视场效应分析方法：网格模型法。该方法将目标空间和测量空间网格化，然后在网格空间计算观测视场内的组分比例，进而确定组合信号值。本文采用网格模型法分析了垄行作物亮叶、暗叶、亮土、暗土四分量在传感器视场中面积权重变化、空隙率的变化、方向亮温的变化、红波段反射率的变化、红外波段反射率的变化以及植被指数NDVI的变化率，研究了不同观测角度情况下视场效应的变化。     

城市目标方向亮温观测的视场效应分析

基于简化的城市目标三维结构模型,利用计算机图形学中辐射度方法,对城市目标的热辐射方向性规律进行模拟。在传感器分别位于近地面和卫星轨道时,研究了城市目标各组分在视场内的权重随观测天顶角、方位角和观测距离改变的变化规律。结果表明:城市目标方向亮温地面辐射测量存在显著视场效应。当传感器位于近地面时,在垂直太阳主平面附近,视场效应达到最大。方向亮温随观测距离的改变有明显变化。随着观测距离的增加,视场效应急剧减小。将近地面测量得到的方向亮温与卫星影像计算所得的方向亮温对比时,视场效应是一个必须考虑的因素。     

基于3D真实植被场景的全波段辐射传输模型研究

本文基于3D真实场景CLAMP模型模拟的植被冠层，对冠层在可见一近红外波段和热红外波段的辐射传输进行了综合建模。针对CLAMP模型生成场景的通用和近似特征，在可见一近红外波段，对植被和土壤的单次散射贡献利用光子逆向追踪算法进行了精确计算，多次散射的贡献则采用四流近似理论来计算，以提高运算效率。模型结果与SAILH模型结果进行了比较，具有较好的一致性，并且体现出了优于一维辐射传输模型的模拟结果。在热红外波段，采用几何光学原理，冠层方向亮度温度由可视光照叶片、遮荫叶片、光照土壤和遮荫土壤的比例与对应组分亮温乘积之和得到，模拟结果体现了合理的变化趋势。对冠层主要结构参数LAI和ALA的敏感性进行了比较分析，不同波段模型模拟的方向性辐射结果，很好地反映了结构参数对冠层辐射特性的影响。     

Inversion of Vegetation Components Based on the Spectral Mixture Analysis Using Hyperion Data

Hyper spectral remote sensing is widely used to identify ground objects as a result of the advantages of ground radiation intensity characteristics and spectral position characteristics, in which inversion of vegetation components is the difficult point and hotspot. In this study, Huma county of Heilongjiang Province was selected as the study area, the canopy spectra of four types of typical vegetation were measured in situ firstly, including mongolian oak, cotton grass, lespedeza and white birch. Then, on the basis of analyzing the canopy spectral characteristics and their parameterization, the spectral differences of different vegetations were located, and the parameterization method of characteristics identification was determined. Finally, Hyperion data were used to calculate the canopy albedos based on the bidirectional reflectance model of vegetation canopies, and to map the vegetation components in the study area by use of linear spectral mixture model. The results showed that inversion of vegetation components in high vegetation-covered area was accurate using the canopy albedos and liner spectral mixture model, and was identical with the field sampling, which validated the feasibility of canopy albedos and liner spectral mixture model for the inversion of vegetation components.     

MPDI在微波辐射计植被覆盖区土壤水分反演中的应用

大尺度上的土壤水分变化监测对于建立全球的水循环模型意义重大，是实现气候变化预测和洪涝监测的基础。星载辐射计为实现大尺度上土壤水分的监测提供了监测途径。但是在星载辐射计观测时，地表植被层的吸收和散射作用会对土壤向上的微波辐射产生衰减影响，这种影响在反演土壤水分的过程中必须予以计算和消除。原有的反演算法中，在计算这部分影响的时候，需要大量的关于地表植被状况的辅助数据，而这些即时的辅助数据往往不易获得。以AMSR—E数据为例，研究证明了微波极化差异指数（MPDI）能够反映地表植被覆盖状况。以中国华北、华东地区为实验区，选择2004年4月8日的AMSR—E亮温数据和MODIS数据为样本数据，建立起MPDI与NDVI之间的负指数关系方程。基于对NDVI的认识，得到植被覆盖度高、中、低三种状况所对应的MPDI域值，以此域值为依据对中等植被覆盖度地区作出自动判断，并用MPDI计算植被层不透明度。     

Soil moisture retrieval from airborne L-band passive microwave using high resolution multispectral data

For the soil moisture retrieval from passive microwave sensors, such as ESA’s Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) and the NASA Soil Moisture Active and Passive (SMAP) mission, a good knowledge about the vegetation characteristics is indispensable. Vegetation cover is a principal factor in the attenuation, scattering and absorption of the microwave emissions from the soil; and has a direct impact on the brightness temperature by way of its canopy emissions. Here, brightness temperatures were measured at three altitudes across the TERENO (Terrestrial Environmental Observatories) Rur catchment site in Germany to achieve a range of spatial resolutions using the airborne Polarimetric L-band Multibeam Radiometer 2 (PLMR2). The L-band Microwave Emission of the Biosphere (L-MEB) model which simulates microwave emissions from the soil–vegetation layer at L-band was used to retrieve surface soil moisture for all resolutions. A Monte Carlo approach was developed to simultaneously estimate soil moisture and the vegetation parameter b’ describing the relationship between the optical thickness τ and the Leaf Area Index (LAI). LAI was retrieved from multispectral RapidEye imagery and the plant specific vegetation parameter b′ was estimated from the lowest flight altitude data for crop, grass, coniferous forest, and deciduous forest. Mean values of b’ were found to be 0.18, 0.07, 0.26 and 0.23, respectively. By assigning the estimated b′ to higher flight altitude data sets, a high accuracy soil moisture retrieval was achieved with a Root Mean Square Difference (RMSD) of 0.035 m³ m⁻³ when compared to ground-based measurements.     

连续植被的热辐射方向性

正确认识非同温混合像元热辐射方向性规律是利用多角度遥感数据反演像元组分温度的前提。论文基于局地热平衡条件和组分有效发射率概念探讨了连续植被的热辐射方向性模型。模型表明同温下的热辐射方向性只决定于连续植被体系总有效发射率的方向性，它是各组分有效发射率的和，决定于植被叶面和土壤表面的发射率、冠层结构参数。在非同温状况下，组分温度通过组分有效发射率调节体系的辐射亮度方向变化。模型解释了热辐射中孔穴效应问题。并通过蒙特卡罗逆向模拟从微观探讨了热辐射方向性与植被叶面和土壤表面的发射率、冠层结构参数的关系，并对孔穴效应引起体系发射率的增量和辐射亮度的增量进行了模拟分析。结果表明，对于球面型连续植被，叶面和土壤表面发射率值分别取0.98和0.94时，垂直方向上孔穴效应使体系的总有效发射率有0.01-0.025幅度的增值。当连续植被处于20℃同温状况时，孔穴效应引起的辐射亮度增量基本上都在0.8℃以上，最高可达到1.3℃。