测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析

高小六，刘善军，吴立新，双建丽

(1. 东北大学测绘遥感与数字矿山研究所，辽宁 沈阳 110004； 2. 辽宁省交通高等

专科学校，辽宁 沈阳 110122)

Effect Analysis of Measurement Range and Soil on Maize

Microwave Radiation Characteristics

GAO Xiaoliu，LIU Shanjun，WU Lixin，SHUANG Jianli



测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析

高小六1，2，刘善军1，吴立新1，双建丽1

(1. 东北大学测绘遥感与数字矿山研究所，辽宁 沈阳 110004； 2. 辽宁省交通高等

专科学校，辽宁 沈阳 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。

关键词：被动微波遥感；地基试验；微波辐射计；玉米LAI反演

对植被微波辐射特性的试验研究目前已取得许多成就[1-8〗，为遥感应用奠定了很好的基础，但是大多试验只是对某种植被的生长状态进行测量，对不同生长期连续观测的试验较少，对植被微波辐射特性的影响研究也较少；另外，观测角度变化时，观测区域会发生较大变化，因此植被均一性对测量会有一定影响。本文选取农业中广泛种植的玉米作为研究对象，分析在玉米生长过程中的微波辐射特性。植被微波辐射特性除了与植被自身的结构参数、下垫面土壤辐射、外界环境有关外，还与辐射计的极化、频率、观测角度、观测方位有关。本文将全面考虑这些因素的影响，通过设计试验进行研究。

一、试验材料与方法

1. 试验设备

主要的试验装置有6.6 GHz与18.7 GHz的被动微波辐射计、三维高架塔、二维转台，辅助参数测量工具有叶面积扫描仪LAI-3000、针式温度计、电子天平、烘干箱、直尺、卷尺、游标卡尺、量角器、土铲等。

2. 试验步骤

1) 试验前3 h，先对玉米进行喷雾式灌溉1 h左右，使得玉米地的含水量达到最大；再让水分渗透2 h左右，保证地面上没有积水，玉米叶片上没有水珠时再进行测量试验。

2) 试验平台的安装。安装时注意不要碰到微波辐射计天线口面，影响测量精度；另外安装时把各个仪器的线布置好，避免观测角度或方位变化时线被撑住，影响数据传输或损坏仪器。

3) 给各个仪器通电、调试，保证各个仪器都处于正常工作状态。

4) 用微波辐射计测量常温黑体与试验场内水体对辐射计进行定标。

5) 将转台俯仰角与方位角都调至0°，移动高架塔至测量区域的中心位置，调整高架塔大臂与玉米垄向平行，再微调转台的方位角，使微波辐射计的观测方向与垄向完全平行。

6) 调整好后，首先进行顺垄方向的观测，分别选择V和H极化，每种极化方式下进行不同角度观测，0°~60°(每间隔5°观测一次)。

7) 测量结束后，按照步骤4)和步骤5)分别再进行垂直垄和垄向45°方位的测量。

8) 测量过程中要进行土壤温度和湿度的同步测量，测量结束后进行植被结构参数的测量。

二、数据处理与结果分析

1. 测量方位对玉米微波辐射特性的影响分析

垄行结构决定着植被的整体分布形态，且随着植被的生长，这种分布形态是动态变化的。因此，当观测方向与垄向的夹角不同时，观测到的植被辐射特性会有所不同。

分析玉米微波辐射亮温特性时已经发现，在6.6 GHz与18.7 GHz频率下，顺垄H极化的亮温值始终小于垂直垄H极化的亮温值。在顺垄观测时，植被层可以看作均匀周期性表面，而垂直垄为非均匀表面。两个测量方位下，H极化电场方向始终都与植被层表面平行。由于电场与均匀表面的耦合作用要比非均匀表面的耦合作用大，即衰减大，因此，顺垄H极化的亮温值始终小于垂直垄H极化的亮温值。

为了进一步研究测量方位对植被微波辐射特性的影响，分析了玉米不同生长期顺垄与垂直垄观测时6.6 GHz与18.7 GHz频率下的归一化极化差植被指数(MPDI)随观测角度的变化规律。

图1　6.6 GHz下3种观测方位玉米不同生长期的MPDI比较

如图1所示，随着LAI的增大，在相同的观测角度下，有表1所示的规律。表中角标S和C分别表示顺垄和垂直垄测量方位。

表1频率6.6 GHz两种观测方位下玉米不同生长期的MPDI比较

LAIMPDI大小比较0.167MPDIC≤MPDIS0.390MPDIC

幼苗期玉米对土壤的影响很小，垄行结构的影响同样较小。因此，当LAI=0.167时，出现垂直垄MPDI≤顺垄的情况。随着LAI的增大，玉米对土壤的影响也增大，始终有MPDIC≤MPDIS。而垄向45°条件下,MPDI随着LAI增大的规律不明显。

随着LAI的增大，18.7 GHz频率下也是MPDIC≤MPDIS。而垄向45°条件下MPDI随LAI增大的规律不明显。在测量过程中植被或仪器摆动会使仪器与植被的相对位置发生变化，对波长较短的18.7 GHz会有一定的影响，因此在第2期与第4期出现与规律不符的现象。

2. 土壤对玉米微波辐射特性影响分析

研究表明，裸土与有植被覆盖的土壤之间微波辐射有明显的差异。为了研究玉米生长过程中土壤对植被微波辐射特性的影响，本节先对试验场内裸土6.6 GHz与18.7 GHz的MPDI之间的线性关系进行分析，然后对玉米不同生长期两个频率下MPDI之间的线性关系进行分析(如图2与表2所示)，研究随着LAI的增大这种线性关系的变化。

图2　玉米不同生长期6.6 GHz与18.7 GHz的 MPDI之间线性关系

LAI顺垄观测垂直垄观测垄向45°观测拟合方程R2拟合方程R2拟合方程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

由图2可知，裸土6.6 GHz与18.7 GHz的MPDI之间的线性关系很好，相关系数达到0.996。在玉米较小时，6.6 GHz与18.7 GHz之间的线性关系较好，随着LAI的增大，线性关系有变差的趋势。

由表2可以看出，顺垄和垂直垄观测时，6.6 GHz与18.7 GHz的MPDI之间的线性相关系数随LAI的增大而减小。而垄向45°观测时，随着LAI的增大两个频率下MPDI的线性相关系数有时增大有时减小。

随着LAI的增大，在顺垄与垂直垄方位上植被厚度变大，植被对地面微波辐射信息的衰减增大，辐射计接收到的土壤信息减弱，因此由土壤微波辐射信息体现的规律减弱。而垄向45°方位观测时，植被层厚度与叶片的分布形态有关，因此没有顺垄与垂直垄观测时的明显规律。

可见，随着LAI的增大，土壤对植被微波辐射特性的影响在减弱，且这种影响与测量方位有关，垂直垄方位要比顺垄观测时影响小。

三、结论

本文利用频率6.6 GHz和18.7 GHz的微波辐射计，考虑测量方位与土壤对玉米微波辐射特性影响。主要有以下几方面的结论：

1) 测量方位对于微波辐射性有显著影响，当LAI和观测角度一定时，H极化下顺垄观测的亮温小于垂直垄观测时的亮温，但MPDI正好相反。

2) 具有垄行结构的植被，当顺垄观测时，植被层可以视为均匀周期性表面，其对微波的散射作用较小，因此极化差较大；当垂直垄观测时，植被层为非均匀介质，散射作用较大，极化差较小。垄向45°方向上，由于植被的整体形态受叶子的数量与倾角的影响较大，其MPDI变化规律及原因还需进一步研究。因此，在研究具有这类的植被微波辐射特性时，测量方位的影响不可忽视。

3) 随着LAI的增大，土壤对植被微波辐射的影响在减弱，且减弱程度与测量方位有关。裸土时两种频率的MPDI间线性相关系数达到0.996，而当LAI增大到3.581时，顺垄观测条件下线性相关系数下降到0.921，垂直垄观测条件下线性相关系数下降到0.825。

参考文献：

[1]李军，王力祥，邵明安，等. 黄土高原地区玉米生产潜力模型研究[J].作物学报，2002，28(4)：555-560．

[2]SHI J C. Microwave Vegetation Indices for Short Vegetation Covers from Satellite Passive Microwave Sensor AMSR-E [J]. Remote Sensing of Environment, 2008, 112(12):4285-4300.

[3]林忠辉，项月琴，莫兴国，等. 夏玉米叶面积指数增长模型的研究[J].中国生态农业学报，2003，11(4)：69-72．

[4]刘晓冰. 作物产量潜力的5P理论及其研究范畴[J].中国农学通报，2001，17(4)：65-66.

[5]王希群，马履一，贾忠奎，等. 叶面积指数的研究和应用进展[J].生态学杂志，2005，24(5)：537-541.

[6]ULABY F T, MOORE R K, FUNG A K. Microwave Remote Sensing: Active and Passive [M]. Dedham: Artech House, 1986.

[7]ULABY F T, RAZANI M, DOBSON M C. Microwave Attenuation Properties of Vegetation Canopies [J]. IEEE Transacttons on Geoscience and Remote Sensing, 1985, 21(1):746-753.

[8]MASSART D L, VANDEGINSTE B, DEMING S M, et al. Chenometrics: A Textbook [M]. Amsterdam: Elsevie, 1988.

[9]高小六，张慧慧.粗糙度对被动微波遥感反演土壤水分影响的实验研究[J].测绘通报,2014(8):59-61.

[10]张维娜.基于遥感技术的运城盆地干旱监测应用研究[J].测绘通报,2010(7):23-26.

引文格式：高小六，刘善军，吴立新,等. 测量方位与土壤对玉米微波辐射特性的影响分析[J].测绘通报，2016(1)：33-36.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0008.

作者简介：高小六(1977—)，男，博士生，副教授，主要研究方向为微波遥感技术。E-mail: gaoxiaoliu6@163.com

基金项目：国家自然科学基金重点项目(40730525)

收稿日期：2014-10-29

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)01-0033-04