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植被三维空间结构是影响植被辐射特征的重要因素。因此如何更好地描述植被结构特征,并构建合理的辐射模型,成为人们研究的重要内容。农作物属于低矮植被,在全生育期内结构多变,且一般具有成行分布的特征,因此开展对农作物的辐射研究具有必要性。冬小麦是一种典型的行播作物,开展对冬小麦三维结构的相关研究,有利于更加精确地提取小麦特征参数,为反演土壤水分提供保障。同时,也可以作为研究其它行播作物的蓝本,将其研究方法和相关成果扩展应用到这些作物上,提高农作物种植区的植被参数提取和土壤水分反演精度。
本文依托于973项目“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”第三课题“被动遥感反射、辐射机理与参数反演”,主要任务是基于植被覆盖地表辐射传输模型和车载微波辐射计实验联合分析冬小麦三维空间结构对微波辐射特征的影响,并提出去除行垄结构影响的方法。本文将冬小麦的三维空间结构分解为生育期内的结构变化和垄行结构引起的不同方位角观测的结构变化,并在此基础上分别开展研究。
针对冬小麦生育期结构变化对辐射特征的影响,我们开展了冬小麦不同生育期内的地基辐射计观测实验,并获取了配套数据。基于这些实验数据,利用辐射传输模型对小麦亮温进行正向模拟,从而验证其适用性；然后参照测量得到的小麦结构参数建立了模拟数据库,分析了单散射反照率和光学厚度对结构参数的敏感性,作为后续研究的基础；结合实验数据和模型,分别对冬小麦不同生育期内的辐射亮温、散射、衰减特性进行了分析和模拟,给出了不同时期亮温、植被指数、单散射反照率和光学厚度的模拟值,并分析了它们随时间变化的原因,最终建立了小麦的VWC与光学厚度的经验关系。针对冬小麦行垄结构的影响,我们开展了不同土壤水分条件下顺垄和垂直于垄两个方向上的多次多角度扫描观测实验。基于实验数据进行了一系列包括顺垄和垂直于垄两个方向的辐射特征分析和比较。同时,将小麦行假定为长方体,引入了有效覆盖度的概念,建立了相应修正模型。
结果表明,辐射传输模型可以对小麦的辐射亮温进行模拟,模拟得到的小麦自身发射信号、一次散射信号、单散射反照率和光学厚度较为合理。冬小麦的辐射特征因生育期不同而不同,生长初期和末期的散射和衰减特性较弱,而其拔节期、抽穗期等时期无论是自身发射还是其散射和衰减作用都较为明显,并具有一定的极化特征。这种现象主要源于不同生育期的植被结构参数不同,是多种结构参数变化的综合结果。冬小麦行垄特征是影响微波辐射的一个重要因素。顺垄和垂直于垄的观测值差异明显,这主要是由于其观测到的有效覆盖度不同造成的,这种影响可以通过引入的有效覆盖度进行去除。