基于ENVISAT ASAR数据的水稻时域后向散射特征分析

该文结合2004年和2006年在江苏省里下河地区进行的水稻观测试验,采用多时相双极化ASAR APMode数据分析了水稻HH极化、VV极化和比值系数σ°HH/VV的时域变化特征及与水稻生长参数的相关关系。通过建立水稻HH、VV和σ°HH/VV的时相变化曲线,分析了水稻抽穗期前后雷达信号随水稻冠层、植株含水量及稻田水层变化的后向散射特征。同时,选择水稻叶面积指数、鲜生物量和水稻株高与含水量的乘积为水稻参数,采用线性回归相关分析,探讨了水稻HH、VV和σ°HH/VV与所选水稻参数之间的相关关系。结果表明,以水稻抽穗期为转折点,水稻各极化后向散射系数随水稻的生长呈现先增大后减小的变化趋势,与所选水稻参数的时相变化大体一致。水稻HH和VV极化后向散射系数与所选水稻参数的相关系数都在0.75以上,其中与水稻鲜生物量的相关系数在0.9以上。σ°HH/VV与水稻参数的相关关系显著,相关系数均在0.85以上,并且受水稻品种、种植方式和地理环境等差异的影响较小,因此可用于水稻参数反演的可靠变量。     

基于ASAR的冬小麦不同生育期土壤湿度反演

基于ASAR高级合成孔径雷达ASAR数据和地面调查数据,结合MIMICS模型分析方法,研究ASAR后向散射数据与土壤湿度及冬小麦结构参数之间的关系,构建冬小麦不同生育期土壤湿度反演模型。研究结果表明：冬小麦冠层散射影响ASAR信号探测土壤湿度的深度,冬小麦生长初期（起身期前）ASAR信号探测土壤湿度的最佳深度为0～20 cm,拔节期后ASAR信号探测土壤湿度的最佳深度为0～5 cm。冬小麦抽穗期前,ASAR IS2 VV模式后向散射系数与土壤湿度线性相关性较高,可以利用经验统计模型方法反演土壤湿度;冬小麦生长旺盛期（抽穗期）,经验模型土壤湿度反演精度较差,多角度ASAR数据模型能够提高土壤湿度反演精度。利用该土壤湿度反演模型,起身期、拔节期和抽穗期土壤湿度反演的均方根误差分别为0.0125、0.0247和0.0298 g/g。     

TAU-OMEGA遥感辐射模型改进与参数化

大尺度地表土壤水分信息的获取对水资源管理、农业生产以及气候变化等相关研究具有重要意义。TAU-OMEGA（$ \tau -\omega $）模型是利用被动微波遥感技术进行大尺度土壤水分信息提取的常用模型。由于$ \tau -\omega $模型忽略了植被层的体散射作用,该模型仅适用于L波段,存在C波段适用性差及模型参数无法定量计算的问题。该研究在分析植被冠层对微波散射机制的基础上,通过增加反映冠层多次散射作用的辐射添加项对$ \tau -\omega $模型进行了改进,成功解决了模型在C波段的适用性问题;通过理论推导,得出了模型$ \omega $参数的理论计算方法,基于模拟数据集,实现了基于冠层叶面积指数的模型$ \omega $和$ \tau $参数的计算,解决了$ \tau -\omega $模型中$ \omega $参数无法根据遥感数据进行定量计算的问题。以玉米冠层为例,在C波段（6.6 GHz）,改进的$ \tau -\omega $模型对地表微波辐射亮温的模拟值与实测数据保持了较好的一致性,模拟误差较改进前有了极大的下降,V极化均方根误差为3.02 K,H极化均方根误差为3.94 K,结果表明了该研究提出的模型改进与参数化方案的合理性,研究结果为联合光学和被动微波遥感数据进行大尺度土壤水分反演奠定了基础。     

L波段主被动微波协同反演裸土土壤水分

土壤水分是进行干旱监测、土壤侵蚀、农作物产量预测以及地表温度研究的重要参量,利用主被动微波协同的方法提高土壤水分的反演精度是定量遥感发展所面临的重要任务。本文基于土壤L波段微波散射辐射模拟数据集,通过对比分析主被动微波数据对土壤水分含量和粗糙度2个参数的敏感性,提出了基于L波段主被动协同的裸土土壤水分反演算法,算法充分利用了被动微波地表发射率对土壤水分较为敏感,而主动微波后向散射系数对地表粗糙度较为敏感的特点。首先由地表垂直极化发射率和 VV 极化后向散射系数协同提取地表粗糙度信息,再由被动微波双极化数据结合地表粗糙度信息来估算土壤水分信息。利用SMAPVEX12实验数据集中部分稀疏植被采样点的观测数据对算法进行验证,验证结果显示,土壤水分反演结果与地面实测数据相关性为0.6637,RMSE为0.0607 cm3/cm3。该文反演算法模型系数直接由模拟数据集计算得到,克服了常规经验算法的发展对地表实测数据的依赖性,减小了算法在实际应用中的局限性。     

基于夏玉米冠层内辐射分布的不同层叶面积指数模拟

为了模拟夏玉米冠层内各层叶面积指数垂直分布,光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）是研究作物群体光合作用和长势的重要特征参数,阐明冠层内PAR的垂直分布规律与冠层结构等参数之间的相关关系,可为遥感定量反演冠层结构参数提供模型基础。该文基于PAR在冠层内的辐射传输规律结合冠层结构模拟不同太阳高度角的PAR透过率垂直分布模型,并用地面冠层分析仪测量值进行验证,结果表明模型对封垄前玉米抽雄期冠层内PAR透过率垂直分布模拟精度较高。通过不同太阳高度角PAR透过率的垂直分布模型结合消光系数运用不同算法分别反演层叶面积指数（leaf area index, LAI）,并与不同高度层LAI实测值进行比较。结果显示：Bonhomme& Chartier算法反演不同高度层LAI精度较高,上层均方根误差（root mean square error,RMSE）为0.18,中层RMSE为0.55,下层RMSE为0.09。不同太阳高度角反演结果存在差异,30°和45°高度角均能较好地反演下层LAI,RMSE分别为0.11与0.09;30°高度角反演中层LAI精度较高,RMSE为0.30;45°高度角反演上层LAI精度较高,RMSE为0.18。结果表明基于不同太阳高度角构建的层LAI反演模型更适于实现夏玉米不同高度层LAI的遥感估算。该研究可为模拟垄行结构冠层内LAI垂直分布提供参考。     

基于多源遥感数据的草地生物量估算方法

为了寻求有效的草地生物量估算方法和精确估计荒漠草原草地生物量及其变化规律,该文探讨了利用全极化RADARSAT-2 C波段雷达数据和HJ1B图像及野外调查获得的样方生物量数据,估算荒漠草原人工柠条灌木林地上生物量的方法。在对柠条灌木林地上生物量和雷达后向散射系数及HJ1B图像归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)进行相关分析的基础上,采用多元逐步回归分析从RADARSAT-2数据及HJ1B植被指数NDVI建立了人工柠条林生物量模型,用实测草地生物量值对模型进行验证,同时将光学和雷达图像进行融合和分类处理,在此基础上对草地生物量进行分布制图,并将其结果与HJ1B的NDVI模型生物量估算结果进行对比。结果表明:柠条林地上生物量与RADARSAT-2雷达后向散射系数之间存在较好的定量关系(决定系数R2=0.71,均方根误差(root mean square error,RMSE)=14.2 kg/hm2,P0.001),其估算生物量与实测生物量一致性较好,估算生物量精度优于HJ1B的NDVI指数估算结果(R2=0.27,RMSE=20.58 kg/hm2)。由此可见,利用光学图像HJ1B和雷达数据RADARSAT-2融合分类能进行地物有效识别,雷达遥感数据可以用于草地结构参数的定量研究。利用光学和微波协同遥感进行草地生态系统监测研究具有一定的应用潜力。     

基于改进作物散射模型的陕西杨凌区麦田土壤水分反演研究

本文提出一种改进作物散射模型反演麦田土壤水分,该模型根据冬小麦等低矮植被的散射特性,在原模型的基础上保留植被层直接散射部分以及植被与地表相互耦合作用的信息,同时加入裸土地表的直接散射部分,并根据经验权重将两部分信息分离开,构建出适用于冬小麦等低矮植被的后向散射模型,并结合RADARSAT-2雷达数据以及陕西杨凌农田试验区的地面实测数据,计算得到改进模型的经验参数,进而对模型进行验证分析。研究结果表明:改进作物散射模型的模拟精度相对于未改进的作物散射模型有显著的提高,R2在HH和VV极化下都达到80%以上。为了验证改进的作物散射模型算法及土壤水分反演的有效性,本研究将改进作物散射模型与TVDI光学指数模型、简化的MIMICS模型的土壤水分反演结果进行对比分析,改进的作物散射模型反演精度比TVDI和简化的MIMICS模型要好,R²达到84.3%,均方根误差为0.028 cm³/cm³,简化的MIMICS模型反演结果比TVDI要好,但是精度不高,R²为66.9%,均方根误差为0.043 cm^3<...     

夏玉米冠层光合有效辐射垂直分布模型

吸收光合有效辐射分量（FPAR）是研究植被群体光合作用和光能利用的重要参数,弄清冠层内FPAR的垂直分布规律及其与冠层结构等参数之间的定量关系,可以为遥感定量反演冠层FPAR提供模型基础。该文基于平均冠层的辐射传输过程,结合冠层结构建立玉米冠层内FPAR垂直分布计算模型,并就模型的参数如植被组分光学特性、株型、太阳高度角以及天空散射光比例等对FPAR垂直分布结果的影响进行了分析。利用实测结构参数模拟了玉米冠层内FPAR,并与SUNSCAN测量值进行了比较,结果表明模型对封垄后的玉米冠层内FPAR垂直分布的模拟精度较高,RMSE均小于0.18,并能较好地计算封垄前冠层内FPAR的垂直分布趋势。     

玉米抽穗期雄穗对冠层反射率辐射传输特征的影响

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明：1）比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2）分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3）分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4）在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。     

GNSS双天线结合AHRS测量农田地形

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明：1）比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2）分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3）分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4）在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。     

基于Penman-Monteith方程的节水灌溉稻田蒸散量模型

为利用Penman-Monteith方程直接计算非充分灌溉条件下的稻田蒸散量,该文根据国家“863”节水农业重大专项试验资料,在K-P表层阻抗模型修正研究基础上,提出改进的稻田蒸散量模拟模型。结果表明：根据土壤相对含水率修正后的K-P模型较好地模拟了水稻表层阻抗,且反映出不同土壤水分状况下表层阻抗的变化规律;采用改进的Penman-Monteith方程模拟水分胁迫条件下的稻田蒸散量后,误差从改进前的18.57%降低至10.84%,且对冠层未完全覆盖条件下的稻田蒸散量也具有较好的模拟效果;土壤含水率、空气温度和空气湿度是改进的Penman-Monteith方程最为敏感的因子,它们的准确观测对于提高模型的估算精度至关重要;模型回归系数（c1、c0）的变化对模型估算结果的影响较小。表明当某一特定作物的回归系数值确定后,改进的Penman-Monteith方程可应用于不同地区、不同灌溉模式下作物蒸发蒸腾量的估算。     

“稻转旱”对低山丘陵区氮素流失通量的影响——以三峡库区渠溪小流域为例

为探究“稻转旱”的土地利用变化对区域氮素流失的影响,以三峡库区渠溪小流域为研究对象,利用土地利用转移矩阵揭示了该流域2001—2019年的土地利用变化,基于输出系数模型并利用流域氮负荷实测数据进行模型参数修订后,对该流域2001年和2019年氮负荷进行了估算并比较。结果表明:该流域2001—2019年土地利用总体演变趋势为水稻田向旱地转化、旱地向林地转化,且以“稻转旱”为主。这种演变使流域氮素流失增加,2019年相对于2001年氮流失量增加了26%,平均每公顷氮流失量增加了约7.8 kg。这种变化表明在农业结构调整时应考虑到水稻田对面源污染物氮素良好的净化拦截作用,控制其面积的缩减以及在小流域氮素输移关键节点上的布局。     

基于合成孔径雷达的农作物后向散射特性及纹理信息分析——以吉林省农安县为例

及时掌握农作物类型、时空分布和结构信息,是合理调整农业结构的重要科学依据。针对光学遥感依赖于太阳辐射,在农作物生长周期内常受制于云雾的影响而无法获取到光学遥感数据的问题,本文采用全天时全天候、不受云雾等天气影响的合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）影像,探讨典型农作物的后向散射特性和纹理特征,为采用合成孔径雷达影像实现高精度农作物大面积监测提供科学依据。以吉林省农安县为例,利用12景Sentinel-1B双极化SAR影像数据,经影像预处理和统计分析,研究不同极化的农作物后向散射特性和纹理信息。结果表明：3种作物（大豆、玉米、水稻1和水稻2）同极化（VV）的SAR后向散射系数在生长周期内均高于交叉极化（VH）,农作物植株形态改变极化方式的能力为-25~-15 dB。3种作物在整个生长期内,后向散射系数呈现较大波动,各阶段后向散射特征差异明显。在生长初期,土壤对后向散射特征起主要作用,在SAR图像上表现为暗色调;随着作物生长,冠层散射叠加土壤散射作用占据主要位置,散射值随作物生长呈现逐渐增加的趋势,在SAR图像上表现为亮色调;拔节（分枝）后（7月10日后）作物的后向散射信号除冠层散射作用外,还主要受到土壤含水量及其与作物相互作用的影响,因此拔节后两种水稻后向散射系数下降幅度较大。水稻对雷达波的吸收强于玉米和大豆,整体上后向散射系数第2种水稻<第1种水稻<玉米<大豆,尤其在VH极化方式下表现更明显。对作物SAR纹理信息的研究表明纹理信息的均值、方差和协同性对于农作物的SAR识别更有效,最佳纹理信息为VH极化均值,有利于识别3种作物;VV极化方差和VV协同性有助于区分两种水稻;SAR影像识别作物的最佳时相为5月23日至7月10日。     

Penman Monteith模型中水稻冠层阻力的模拟

针对Penman Monteith模型冠层阻力的参数化问题,以南京地区2012-2013年水稻为研究对象,参照Jarvis的气孔阻力模型,建立了水稻的冠层阻力rc与气象、环境因子（太阳净辐射、饱和水汽压差、气温和土壤水分）的关系模型,并以蒸渗仪实测蒸散量资料为对照,对模型的精度进行检验。结果表明,所建水稻冠层阻力模型的拟合度2012年为0.911,2013年为0.810,将模型应用于Penman Monteith公式计算稻田蒸散量,两年的拟合精度分别为0.967和0.953,能较精确地估算稻田耗水量。对模型的敏感性分析表明,饱和水汽压差的拟合参数a2对模型的影响最显著。模型在一定程度上解决了冠层阻力计算复杂,观测量大且易产生观测误差的问题,可作为稻田蒸散的计算方法之一。     

基于双波段作物长势分析仪的东北水稻长势监测

为了实现水稻精细栽培和变量管理的目的,利用独立开发的双波段作物长势分析仪,进行了水稻生长监测的试验与分析。传感器分别在610与1220 nm处测量太阳光与作物冠层反射光的强度,进而计算光谱反射率。利用双波段作物长势分析仪于2008年在黑龙江省农垦总局建三江分局2处水稻试验田,在分蘖期与抽穗早期进行了氮肥胁迫试验,结果表明水稻叶片氮浓度及生物质干质量与RVI、NDVI都具有很高的相关性,但与NDVI的相关性比与RVI的更高。分蘖期的测量结果表明,NDVI与施肥量的相关性非常显著,R2大于0.94。但NDVI并不与施肥量成线性相关,过量的施氮量反而会引起NDVI值的降低。分蘖期、抽穗早期的NDVI值都与最终产量有着显著的相关,其中抽穗早期的NDVI与产量的决定系数（R2）达到了0.96。分析结果显示利用双波段作物长势分析仪监测水稻冠层,可达到控制投入和提高产量的目的,为水稻的精细栽培提供理论与技术支持。     

土壤微食物网对旱改水不同稻作年限土地利用变化的响应

Land use changes affect belowground ecosystems.During the past few decades,land use in Northeast China has changed considerably,and the area of paddy fields has increased rapidly from upland.In this study,soil characteristics and soil biotic community in paddy fields with different years of rice cultivation were measured to examine the effects of land use change from upland to paddy fields on soil micro-food web.The upland maize fields were selected as control and the microbial community composition was characterized using phospholipid fatty acids (PLFAs) analysis.The microbial biomass (total PLFA),bacteria biomass,and fungi biomass were higher in the 20-40-year (late-stage) than 1-10-year (early-stage) paddy fields.The abundances of total nematodes and bacterivores were lower in the early-stage than late-stage paddy fields.The abundance of herbivores was the highest in the early-stage paddy fields but that of omnivore-predators was the highest in the late-stage paddy fields.Structural equation model indicated that soil food web was developed and structured after 20 years of paddy cultivation.Our results suggested that soil micro-food web may be a good indicator for soil development and stabilization of paddy fields following land use change.     

不同水源灌溉对水稻高温热害影响的微气象学分析

高温热害是长江中下游地区水稻常见的农业气象灾害,井水和池塘水灌溉是水稻高温热害过程中常用的农业措施。为研究高温热害下不同灌溉水源对稻田微气象的影响,以两优培九为研究对象,在高温热害期间（2016年8月12-18日）开展田间试验。试验分3个处理,T1：用池塘水每日8：00灌溉,田间水层达10cm后停止,18：00排干,灌溉水温平均30.5℃;T2：用井水每日8：00灌溉,田间水层达10cm后停止,18：00排干,灌溉水温平均18.2℃;CK：试验开始当天用池塘水灌溉至田间水深达10cm后停止,夜晚不排放,当田间水深低于5cm时补充灌溉至10cm,试验期间每日8：00田间平均水温27.2℃。对稻田不同层次的土温和水温、水稻冠层不同层次温湿度、冠层顶部（120cm）叶温、冠层上方太阳辐射等指标进行测定,用Penman-Monteith分层模式计算稻田能量平衡各分量的日变化。结果表明：白天（8：00-18：00）,所有处理各层次冠层内气温和地温均为T1>CK>T2,随着冠层高度增加,处理间气温差异逐渐减小;随着土壤深度增加各处理间地温差异逐渐减小。夜间（18：00-次日8：00）,各处理间5cm地温差异最大,其次为冠层40cm处。不同灌溉水温改变了各处理的能量平衡分量,水体含热量的变化（Q）表现为T2>CK>T1,土壤热通量（G）、显热通量（H）和潜热通量（LE）均表现为T1>CK>T2。说明较高温度的池塘水灌溉加重了水稻的高温热害,而较低温度的井水灌溉对抵御高温热害有良好效果。     

冬小麦冠层降雨截留过程及其模拟研究

冬小麦冠层截留直接影响冬小麦对降雨的有效利用,通过模拟降雨试验和统计分析,系统研究了降雨量、降雨强度对冬小麦冠层截留特征的影响,建立了适于降雨冬小麦冠层截留的模型。结果表明:棵间雨量与降雨量呈显著的正相关关系(P<0.01);冠层截留量与降雨量呈显著的幂函数关系(P<0.01)。降雨强度与棵间雨量百分比呈负指数函数关系(P<0.01),与冠层截留量百分比呈负幂函数关系(P<0.01)。不同降雨强度下冬小麦冠层截留过程趋势一致,降雨强度越小,其达到冠层截留容量时所需时间越长。降雨强度对冠层截留容量没有明显影响。在雨量恒定条件下,冠层截留量随雨强的增加而减小,呈明显的负相关关系。叶面积指数(leaf area index,LAI)与冬小麦冠层截留容量呈正相关关系(P<0.01)。构建了具有较好截留机制的冬小麦冠层降雨截留过程模型,并基于模拟降雨和天然降雨的数据拟合了模型参数,表征冬小麦降雨蒸发能力的参数α为0.008。模拟值和实测值有较好的一致性,显示了修正模型适用于冬小麦冠层截留计算。