基于多角度高光谱反射信息反演沙地表面特性研究

发布时间：2020-07-14 08:19

【摘要】：沙地系统由于具备较高的生产力、繁杂的生物多样性以及数量可观的生物量,在干旱或者半干旱地区的研究中具有重要的生态学意义。由于人类不合理活动的逐渐加剧,沙漠化引起的生态系统功能退化,反而导致了沙地对环境的负面影响,这种影响却正在逐渐攀升。因此,动态地监测沙地表面的变化与大气之间能量交换,对于科学评价其生态恢复过程以及整个地气系统的辐射平衡都具有重要意义。遥感技术以其动态、实时、大范围监测的独特优势,为全球沙地空间分布以及沙地表面的物理特征监测提供了保证。遥感技术应用在沙地监测上的主要依据是沙地表面与电磁波之间的辐射响应特征,并且通过传感器获取这些信息,经过处理、分析确定沙地表面特性,最后应用到解决沙地系统存在的问题当中。在被动遥感中,太阳辐射是主要的能量来源,沙地表面自身特性的变化(例如粒径大小、含水量、纹理结构)会改变其在可见光近红外波段的反射信息,从而为遥感技术判别沙地特征提供依据。尤其是高光谱遥感技术与多角度探测技术的出现,使研究者们相信可以更加准确的反演沙地表面自身特性以及沙地表面的反照率。同时也意味着需要详细地了解沙地表面的光谱反射特性与反射分布特性才能更好地使用多角度高光谱信息来监测、反演沙地表面特性。本研究的重点围绕三个方面进行。首先分析基于辐射传输理论基础上提出的描述沙地表面双向反射分布特性的模型,讨论沙地表面反射模型的有效性,并且根据实测数据研究这些模型是否适合用来计算沙地表面的双向反射特性;其次基于实测数据对比不同模型得到的参数是否可以描述沙地表面的粒径大小、含水量以及纹理结构;在研究粒径大小与反射信息关系过程中,本论文借鉴半变异函数来表示粒径大小变化形成的空间特征,确定了粒径大小与各向异性测量系数之间的关系;其中也包括研究粒径大小对偏振信息的影响;最后,基于野外实验测量的沙地表面多角度高光谱反射信息,不仅对现有的经验方法进行验证和改进,同时利用已经得到的参数和模型来反演沙含水量以及表面纹理结构。通过研究结果表明,基于实验室与野外实际测量的不同沙地表面特征对应的反射光谱值结合模型参数可以直接用于沙地粒径大小、沙地含水量以及沙地表面纹理结构的反演在反演粒径大小方面,通过半变异函数可以表示粒径大小变化形成的空间特征,这种方法是利用各项异性特征测量系数与粒径建立关系,该系数是通过比值得到的,因此,可以消除环境对反射光谱信息的影响,在将来可以成为一种更为有效的方法来反演沙地表面粒径大小。基于辐射传输理论的反射模型也可以将沙地表面的粒径大小表示出来,但是一些模型由于过多的自由参数,导致其描绘的很多传输过程不具有明确的物理意义,因而在本质上属于半经验的理论模型。通过计算值与实际测量值对比发现,这些双向反射模型仍然可以用来表示沙地表面的双向反射分布特征与沙地粒径大小,不过在前向散射方向、后向散射方向误差较大。在研究粒径大小对反射信息的影响过程中,本研究考虑了偏振信息与粒径大小之间的关系,并且试图将反射信息与偏振信息结合起来说明粒径大小对沙地表面反射特性的影响。通过研究结果发现,偏振信息的考虑不仅可以完整的描述电磁波与沙地表面的辐射响应特征,而且有助于对确定沙地表面的粒径大小。在反演沙地表面含水量方面,可以直接利用反射信息来反演,这是由于反射特性与含水量之间具有很好的线性关系,并且相关系数很高。同时,基于对双向反射模型的分析发现可以利用一种间接的方法来表示沙地含水量,而且在不同探测方向可以很准确的反演含水量,这为多角度遥感在沙地表面特征研究方面的应用提供了理论与现实依据。在研究沙地表面纹理结构时发现虽然双向反射模型的参数可以表示沙地表面的粒径大小,以及用来计算沙地含水量,但是在描述表面纹理特征时还需要谨慎使用,这是由于模型模拟的沙地表面分布特性具有相似的分布规律,而沙地纹理结构的变化则会产生一些固有的反射分布特性。不过,模型的参数依然可以很好的量化由于纹理结构变化对沙地表面粗糙度的改变。总之,对不同特征条件下沙地表面多角度高光谱反射特性的研究有助于研究者们详细了解沙地表面与电磁波之间的辐射响应特征。本研究将多角度信息、高光谱信息与沙地表面特征联系起来,在验证了现有模型有效性的前提下,也分析了反射特性与沙地表面粒径大小、含水量以及纹理结构之间的关系。这些研究对于遥感技术准确反演沙地表面特性具有重要的理论意义与应用价值,从而可以使遥感技术在研究沙地生态系统当中发挥更为显著作用,促进与沙地相关学科的发展,最终为解决全球气候问题提供帮助。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P237;P941.73
【图文】：

黑钙土,采样点,照片,现场环境

121°29′19″E，现场环境如图 1 所示；第二个地°10′51″N，125°49′32″E。其中在科尔沁左翼中旗附近则为典型的草甸草原黑钙土，黑钙土的选择是为了射特性影响过程中的对比研究对象，将在后面的内容

土壤,示例,样品

东北师范大学博士学位论文0μm,300-450μm，小于 300μm，在筛选沙地表面与黑钙土表面采集，没有大于 900μm 的粒径等级。但是这种方法无法得到粒径一致径均为 450μm 的沙粒与土粒。针对这一问题，在筛选样品时使用两土壤筛，选取这两个土壤筛中间的颗粒作为这一等级的样品。例如 900μm 的样品时利用两个 900μm 的土壤筛进行筛选，并且选择两样品确定为粒径大小是 900μm。通过这种手段获取相同粒径样品所长，不过是一种非常有效的方法[114]。

过程图,表面,过程,研究过程

图 4 平整沙地表面变异过程，在分析粒径变化对反射信息的影响过程中，我们将利用本节不同粒径沙地表面的粗糙度，并且依据该结果表示粒径大小，立反演关系。得到的具体结果将在第四章进行分析。基于物理模型表达沙地表面反射信息感应用研究过程当中，主要依靠的是地表的反射信息，因此，物反射特征进行合理的解释。像沙地这样的颗粒介质，其表面，纹理结构特征等都需要通过一些参数来量化。值得关注的是出的土壤双向反射模型正致力于解决这些问题，并且已经衍生型。这一部分研究者们常常介绍该模型是基于辐射传输理论来信息的，但是在研究过程中，许多研究者已经将这种观点改变

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