測量方位與土壤對玉米微波輻射特性的影響分析

高小六，劉善軍，吳立新，雙建麗

(1. 東北大學測繪遙感與數字礦山研究所，遼寧 沈陽 110004； 2. 遼寧省交通高等

專科學校，遼寧 沈陽 110122)

Effect Analysis of Measurement Range and Soil on Maize

Microwave Radiation Characteristics

GAO Xiaoliu，LIU Shanjun，WU Lixin，SHUANG Jianli

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測量方位與土壤對玉米微波輻射特性的影響分析

高小六1，2，劉善軍1，吳立新1，雙建麗1

(1. 東北大學測繪遙感與數字礦山研究所，遼寧 沈陽 110004； 2. 遼寧省交通高等

專科學校，遼寧 沈陽 110122)

Effect Analysis of Measurement Range and Soil on Maize

Microwave Radiation Characteristics

GAO Xiaoliu，LIU Shanjun，WU Lixin，SHUANG Jianli

摘要：微波具有穿透性，相對于可見光與紅外探測器而言，微波探測器不僅能反映葉片層植被信息，還能反映較深層木質生物信息。筆者利用6.6 GHz與18.7 GHz被動微波輻射計對夏季玉米進行了不同角度(0°~60°每5°一個間隔)、不同極化(V與H極化)及不同方位(順壟、垂直壟、壟向45°)的微波輻射特性觀測試驗。試驗中玉米從幼苗到抽穗共分8期進行了測量，每期都利用LAI-3000實地獲得了LAI數據，以此代表植被的生長狀態。研究結果表明，隨著觀測角度和LAI的增大，V和H極化的亮溫都有明顯變化；微波植被指數隨觀測角度和LAI的變化都有明顯規律；測量方位對玉米的微波輻射特性有明顯的影響；土壤對植被的微波輻射影響隨植被的長高而減弱。

關鍵詞：被動微波遙感；地基試驗；微波輻射計；玉米LAI反演

對植被微波輻射特性的試驗研究目前已取得許多成就[1-8〗，為遙感應用奠定了很好的基礎，但是大多試驗只是對某種植被的生長狀態進行測量，對不同生長期連續觀測的試驗較少，對植被微波輻射特性的影響研究也較少；另外，觀測角度變化時，觀測區域會發生較大變化，因此植被均一性對測量會有一定影響。本文選取農業中廣泛種植的玉米作為研究對象，分析在玉米生長過程中的微波輻射特性。植被微波輻射特性除了與植被自身的結構參數、下墊面土壤輻射、外界環境有關外，還與輻射計的極化、頻率、觀測角度、觀測方位有關。本文將全面考慮這些因素的影響，通過設計試驗進行研究。

一、試驗材料與方法

1. 試驗設備

主要的試驗裝置有6.6 GHz與18.7 GHz的被動微波輻射計、三維高架塔、二維轉臺，輔助參數測量工具有葉面積掃描儀LAI-3000、針式溫度計、電子天平、烘干箱、直尺、卷尺、游標卡尺、量角器、土鏟等。

2. 試驗步驟

1) 試驗前3 h，先對玉米進行噴霧式灌溉1 h左右，使得玉米地的含水量達到最大；再讓水分滲透2 h左右，保證地面上沒有積水，玉米葉片上沒有水珠時再進行測量試驗。

2) 試驗平臺的安裝。安裝時注意不要碰到微波輻射計天線口面，影響測量精度；另外安裝時把各個儀器的線布置好，避免觀測角度或方位變化時線被撐住，影響數據傳輸或損壞儀器。

3) 給各個儀器通電、調試，保證各個儀器都處于正常工作狀態。

4) 用微波輻射計測量常溫黑體與試驗場內水體對輻射計進行定標。

5) 將轉臺俯仰角與方位角都調至0°，移動高架塔至測量區域的中心位置，調整高架塔大臂與玉米壟向平行，再微調轉臺的方位角，使微波輻射計的觀測方向與壟向完全平行。

6) 調整好后，首先進行順壟方向的觀測，分別選擇V和H極化，每種極化方式下進行不同角度觀測，0°~60°(每間隔5°觀測一次)。

7) 測量結束后，按照步驟4)和步驟5)分別再進行垂直壟和壟向45°方位的測量。

8) 測量過程中要進行土壤溫度和濕度的同步測量，測量結束后進行植被結構參數的測量。

二、數據處理與結果分析

1. 測量方位對玉米微波輻射特性的影響分析

壟行結構決定著植被的整體分布形態，且隨著植被的生長，這種分布形態是動態變化的。因此，當觀測方向與壟向的夾角不同時，觀測到的植被輻射特性會有所不同。

分析玉米微波輻射亮溫特性時已經發現，在6.6 GHz與18.7 GHz頻率下，順壟H極化的亮溫值始終小于垂直壟H極化的亮溫值。在順壟觀測時，植被層可以看作均勻周期性表面，而垂直壟為非均勻表面。兩個測量方位下，H極化電場方向始終都與植被層表面平行。由于電場與均勻表面的耦合作用要比非均勻表面的耦合作用大，即衰減大，因此，順壟H極化的亮溫值始終小于垂直壟H極化的亮溫值。

為了進一步研究測量方位對植被微波輻射特性的影響，分析了玉米不同生長期順壟與垂直壟觀測時6.6 GHz與18.7 GHz頻率下的歸一化極化差植被指數(MPDI)隨觀測角度的變化規律。

圖1　6.6 GHz下3種觀測方位玉米不同生長期的MPDI比較

如圖1所示，隨著LAI的增大，在相同的觀測角度下，有表1所示的規律。表中角標S和C分別表示順壟和垂直壟測量方位。

表1頻率6.6 GHz兩種觀測方位下玉米不同生長期的MPDI比較

LAIMPDI大小比較0.167MPDIC≤MPDIS0.390MPDIC

幼苗期玉米對土壤的影響很小，壟行結構的影響同樣較小。因此，當LAI=0.167時，出現垂直壟MPDI≤順壟的情況。隨著LAI的增大，玉米對土壤的影響也增大，始終有MPDIC≤MPDIS。而壟向45°條件下,MPDI隨著LAI增大的規律不明顯。

隨著LAI的增大，18.7 GHz頻率下也是MPDIC≤MPDIS。而壟向45°條件下MPDI隨LAI增大的規律不明顯。在測量過程中植被或儀器擺動會使儀器與植被的相對位置發生變化，對波長較短的18.7 GHz會有一定的影響，因此在第2期與第4期出現與規律不符的現象。

2. 土壤對玉米微波輻射特性影響分析

研究表明，裸土與有植被覆蓋的土壤之間微波輻射有明顯的差異。為了研究玉米生長過程中土壤對植被微波輻射特性的影響，本節先對試驗場內裸土6.6 GHz與18.7 GHz的MPDI之間的線性關系進行分析，然后對玉米不同生長期兩個頻率下MPDI之間的線性關系進行分析(如圖2與表2所示)，研究隨著LAI的增大這種線性關系的變化。

圖2　玉米不同生長期6.6 GHz與18.7 GHz的 MPDI之間線性關系

LAI順壟觀測垂直壟觀測壟向45°觀測擬合方程R2擬合方程R2擬合方程R20.167y=0.714x-0.0020.999y=0.448x+0.0020.993y=0.492x+0.0030.9900.390y=0.498x+0.0000.987y=0.514x+0.0050.986y=0.453x-0.0010.9620.686y=0.638x+0.0010.991y=0.531x+0.0020.979y=0.762x-0.0040.9871.283y=0.801x+0.0000.995y=1.211x+0.0040.981y=0.010x+0.0010.1682.154y=0.739x-0.0010.985y=0.597x-2E-050.999y=0.309x-0.0010.7213.287y=1.070x-0.0000.954y=0.269x+0.0000.641y=0.813x+0.0000.9923.581y=0.556x+0.0000.921y=-0.208x-0.0010.825y=0.632x-0.0020.819

由圖2可知，裸土6.6 GHz與18.7 GHz的MPDI之間的線性關系很好，相關系數達到0.996。在玉米較小時，6.6 GHz與18.7 GHz之間的線性關系較好，隨著LAI的增大，線性關系有變差的趨勢。

由表2可以看出，順壟和垂直壟觀測時，6.6 GHz與18.7 GHz的MPDI之間的線性相關系數隨LAI的增大而減小。而壟向45°觀測時，隨著LAI的增大兩個頻率下MPDI的線性相關系數有時增大有時減小。

隨著LAI的增大，在順壟與垂直壟方位上植被厚度變大，植被對地面微波輻射信息的衰減增大，輻射計接收到的土壤信息減弱，因此由土壤微波輻射信息體現的規律減弱。而壟向45°方位觀測時，植被層厚度與葉片的分布形態有關，因此沒有順壟與垂直壟觀測時的明顯規律。

可見，隨著LAI的增大，土壤對植被微波輻射特性的影響在減弱，且這種影響與測量方位有關，垂直壟方位要比順壟觀測時影響小。

三、結論

本文利用頻率6.6 GHz和18.7 GHz的微波輻射計，考慮測量方位與土壤對玉米微波輻射特性影響。主要有以下幾方面的結論：

1) 測量方位對于微波輻射性有顯著影響，當LAI和觀測角度一定時，H極化下順壟觀測的亮溫小于垂直壟觀測時的亮溫，但MPDI正好相反。

2) 具有壟行結構的植被，當順壟觀測時，植被層可以視為均勻周期性表面，其對微波的散射作用較小，因此極化差較大；當垂直壟觀測時，植被層為非均勻介質，散射作用較大，極化差較小。壟向45°方向上，由于植被的整體形態受葉子的數量與傾角的影響較大，其MPDI變化規律及原因還需進一步研究。因此，在研究具有這類的植被微波輻射特性時，測量方位的影響不可忽視。

3) 隨著LAI的增大，土壤對植被微波輻射的影響在減弱，且減弱程度與測量方位有關。裸土時兩種頻率的MPDI間線性相關系數達到0.996，而當LAI增大到3.581時，順壟觀測條件下線性相關系數下降到0.921，垂直壟觀測條件下線性相關系數下降到0.825。

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引文格式：高小六，劉善軍，吳立新,等. 測量方位與土壤對玉米微波輻射特性的影響分析[J].測繪通報，2016(1)：33-36.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0008.

作者簡介：高小六(1977—)，男，博士生，副教授，主要研究方向為微波遙感技術。E-mail: gaoxiaoliu6@163.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目(40730525)

收稿日期：2014-10-29

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)01-0033-04