冬小麦冠层方向性热辐射的季相变化和模型研究

论文摘要

复杂地表的热红外辐射方向性变化规律是热红外对地遥感的基础研究之一，自上个世纪70年代末就有人对此展开研究。在前人工作的基础上，本文对垄行播种的冬小麦全生长期的热红外辐射方向性规律开展了研究。研究工作分为三个部分。（1） 冬小麦冠层热红外辐射方向性的野外观测实验研究；（2） 现有模型在各个生长期的适用性评价；（3） 穗-叶复合冠层热红外辐射方向性模型和全生长期热红外辐射方向性模型的构建。 对冬小麦的方向性热红外辐射进行了跨越整个生长期的观测实验。论文针对多角度观测架和热像仪配合做冬小麦方向性热红外辐射观测提出了实验数据处理方案。在数据采集中，我们观测发现麦穗的光照面和阴影面亮温的平均差异可以达到3度，这个差异对整个冠层的方向性热红外辐射的影响很大。 对整个生长期划分了四个特征阶段，第一为离散阶段，各个株之间有明显的裸露土壤间隔。第二为垄行结构阶段，单株之间相互重叠形成了垄行，垄行之间被裸露土壤相间隔。第三为连续植被冠层阶段，垄行之间相互重叠，整个冬小麦冠层连成一片。第四为抽穗阶段，麦穗长出来了，其特殊的热红外辐射特性，强烈的影响整个冠层的热红外辐射方向性。对现存的模型进行分析对比，发现每个模型都有一定的适用范围。 在垄行结构模型的基础上，为了构建出各个生长期都适用的模型，将模型的基本单元由垄行改为单株。我们在叶片尺度上应用Boolean原理来计算孔隙率。在一组与观察的事实基本相符合的假设的基础上，推导出单株叶片体密度的分布规律。由单株组合成垄行，由垄行组合成整个场景。使用计算机真实场景模拟的结果和野外观测的结果作了验证，结果表明这种模型能够在整个生长期适用。 由于麦穗对于冬小麦冠层的热红外辐射方向性分布具有十分重要的影响，我们构建模型来描述抽穗时期的热红外辐射方向性。这个模型将整个冠层分为三个层，从下到上依次是土壤层、叶片层和麦穗层。分别对各层建立模型描述其方向性观察的特性。然后将各个层的模型耦合在一起来描述整个冠层的热红外辐射方向性。验证结果表明，该模型预测的结果和实际观测的结果较为一致。

论文目录

• 第一章 概述
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外相关研究的现状和进展
• 1.2.1 自然地物方向性热辐射观测实验
• 1.2.2 自然地物方向性热辐射模型的早期研究
• 1.2.3 自然地物方向性热辐射模型的近期的研究发展
• 1.3 研究路线
• 1.3.1 论文的目标
• 1.3.2 技术路线和技术方案
• 1.4 论文结构
• 第二章 冬小麦冠层方向性热红外辐射观测实验
• 2.1 热辐射方向性观测普遍存在的问题与解决办法
• 2.2 实验方案和实施
• 2.3 实验数据的处理方法
• 2.3.1 空间采样的修正
• 2.3.2 时间效应的修正
• 2.4 该实验方案无法克服的问题和对以后实验的建议
• 第三章 冬小麦生长期的四个特征阶段和分阶段的方向性模型
• 3.1 冬小麦的四个特征生长阶段
• 3.2 实验观测数据的分析
• 3.3 各个时期模型的表达
• 3.3.1 离散时期的模型——离散箱体模型
• 3.3.2 垄行时期的模型——垄行结构模型
• 3.3.3 连续时期的模型——连续模型
• 3.3.4 穗时期的模型
• 3.4 本章总结
• 第四章 全生长期模型
• 4.1 构建全生长期模型的理论论证
• 4.1.1 全生长期模型的基本单元:理念株——其定义和性质
• 4.1.2 Boolean原理在理念株中的应用
• 4.1.3 多棵理念株组成的场景——组合规则和由于组合引发的问题
• 4.1.4 方向孔隙率的计算
• 4.1.6 冠层内的相互映照的红外辐射
• 4.2 全生长期模型的算法设计与实现
• 4.2.1 目标设计
• 4.2.2 输入参数设计
• 4.2.3 功能模块设计
• 4.2.4 各个功能模块的程序实现
• 4.3 全生长期模型的结果分析
• 4.3.1 各个模块的输出结果
• 4.3.2 模型对不同生长期模拟能力的评价
• 4.4 验证
• 4.4.1 与计算机模拟的结果比较分析
• 4.4.2 与实验测量的数据比较分析
• 4.5 讨论与结论
• 第五章 穗——叶复合模型
• 5.1 穗时期模型的构建
• 5.1.2 视场内的组分热辐射特性
• 5.1.2 小麦冠层的几何结构和太阳-目标体-传感器的几何关系
• 5.1.3 模拟小麦冠层的方向亮温
• 5.2 模型的结果和分析
• 5.2.1 结果分析
• 5.2.2 各个输入参数的敏感性分析
• 5.3 验证
• 5.3.1 为验证做的实验
• 5.3.2 验证结果
• 5.4 讨论
• 5.4.1 这项研究的意义和价值
• 5.4.2 下一步的工作
• 5.5 结论
• 第六章 总结
• 6.1 主要工作
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 论文的不足和下一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢