水稻BRDF模型集成与应用研究

【作者】 李云梅；

【导师】 王人潮；

【作者基本信息】 浙江大学 ， 土壤学， 2001， 博士

【摘要】 水稻是中国的主要粮食作物，其总产量占世界第一位，因此，对水稻的长势监测和产量预测历来都受到了人们的关注。而遥感技术提供了周期、迅速、大面积获取农业信息的手段，能够从宏观上实现对作物的全面监测，因此，在农作物长势监测和产量预测方面是大有作为的。但水稻卫星遥感估产有许多特殊困难，成为国际性难题。浙江大学农业遥感与信息技术应用研究所，经过连续18年的研究，完成了浙江省水稻卫星遥感估产运行系统，但估产精度的稳定度仍不够理想，其主要原因是遥感信息机理研究还不够深入。本论文正是希望通过对水稻冠层二向反射特性的研究，增强人们对水稻冠层光谱反射特性的理解，以利于提高遥感估产的精度，促进遥感技术在农业中的应用。●植被二向反射研究进展 植被二向反射特性与观测角和入射角、植被冠层结构（如：冠层厚度、冠层叶角分布、叶的形态结构和空间分布）、植被冠层构成要素的光谱特性和植被下垫面特性之间有密切的联系。对植被二向反射特性的研究，正是希望通过对植被冠层反射率进行多角度的观测，掌握植被冠层反射率随观测角和入射角的变化规律。通过建立植被二向反射模型，模拟光在植被冠层内的传输过程，掌握植被冠层二向反射率、冠层厚度、冠层叶角分布、叶的形态结构和空间分布和植被下垫面特性之间的关系。并通过模型反演，获得丰富的冠层结构信息，从而可通过非破坏性手段，实现对作物的长势监测和产量估算。 科学家们对植被二向反射特性的研究始于70年代，并从8O年代中期逐渐 浙江大学博士学位论文 中义摘要成为遥感界的热I’刁研究领域之一。目前，植被二向反射模型的研究己经步入一个稳定期，研究工作己不局限于对理论的创新与推导，研究范围扩展到从地面实测到遥感数据的实际应用等诸多方面，其主要特点有： 门）理论工作大的突破的可能性减小，工作集中于对理论的修补、细化和完善上，由于简化的理论容易反演，所以格外引起重视。 （2）随着具有斜视角度观测能力的星载和机载传感器（如 POLDER、VEGETATION、MODIS、MISR、MERIS、ADEOS、AVNIR、ASAS等）的应用，植被二向反射模型己应用于星载和机载传感器，这将大大地推动二向反射模型的应用和发展。 门）植被二向反射地面实测工作开展得较少，缺乏大量的地面实测数据来对各种模型进行验证，这将不利于植被二向反射模型的发展。 目前所建立的植被二向反射模型可分为三类：辐射传输模型、几何光学模型和计算机模拟模型。．试验设计 （1）田间试验 1999年和 2000年进行两次大田试验。1999年对一种氮素水平进行观测，2000年对五种氮素水平进行观测。 （2）观测数据 观测数据包括：冠层二向反射率的测量。D－＋片光谱的测量。冠层结构的测量、叶片生物化学成分的测量。．数据分析 门）用实测数据分析水稻冠层二向反射特性的一般规律，包括冠层二向反射特性随观测天顶角、观测方位角和冠层结构变化的变化规律；冠层二向反射特性随不同氮素水平而变化的变化规律。（2）由椭圆模型。PROSPECT模型、FCR模型和太阳高度角计算模型组成水 11 b 浙江大学博d：学位论义 中文摘要 稻BRDF模型，可实现冠层叶倾角分布模拟、叶片光谱特性模拟、冠层垂 直反射率模拟和冠层二向反射率模拟。 臼）利用POWELL法建立反演模型。可反演叶片生物化学含量（叶绿素、蛋 白质、纤维素含量）和冠层结构参数（叶面积指数、叶的形状参数）。．植被光谱模拟系统的集成 将椭圆模型、PROSPECT模型。FCR模型、反演模型及太阳高度角计算模型集成为植被光谱模拟系统，该系统既可以完成植被叶片光谱模拟，又可完成植被冠层结构及冠层光谱的模拟，模拟结果可用文本及图形方式显示。．论文的创新之处 门）本项研究填补了水稻冠层二向反射特性研究的空白，对用遥感手段进行水稻长势监测和产量预测是非常有意义的。 （2）不同氮素营养水平的水稻冠层进行研究，总结出水稻冠层二向反射率随不同氮素水平而变化的规律。 （3）将系统集成生成植被光谱模拟系统，在系统中，只需输入叶片的生物化学含量、椭圆模型参数及观测角度和观测时间，便可实现冠层叶倾角分布、叶片光谱、冠层垂直反射率和冠层二向反射率的模拟，反之，通过输入冠层二向反射率、椭圆模型参数及观测角度和观测时间，便可反演冠层结构参数和叶片生物化学含量。更多还原

【Abstract】 Rice is the main crop of china, and its product is the first in the world. So rice growing monitoring and yield estimating have been arising people抯 attention. Since remote sensing technique can get agricultural information rapidly and wide applicability, it has great advantages in crop growing monitoring and yielding estimation. But rice yield estimating by satellite is very difficult and has become the world wide question. The Zhejiang province rice satellite yield estimating system has been studied by the institute of agricultural remote sensing and information application of Zhejiang university for 18 years, but the estimating accuracy is still uneven. The principle reason is that there are short of deeply studying on mechanic of remote sensing information. We hope we can know more about the rice canopy reflectance character by studying on rice canopy bi-directional reflectance, so that can enhance the accuracy of remote sensing yield estimating, improve the application of remote sensing in agriculture. ? The development of bi-directional reflectance There are intensive relations by plant bi-directional reflectance, view azimuth and zenith angle, canopy structures (such as canopy depth, canopy angle distribution, 123 leaf relative size and spatial distribution), the spectrum character of canopy components and the spectrum character of under plant. The bi-directional reflectance studying is to know the changing of canopy reflectance by view angles and sun angles. To study the hi-directional reflectance model we will modeling the photon transition in plant canopy. So we can know more about the relation between the bi-directional and the canopy depth, canopy angle distribution, leaf relative size and spatial distribution and the spectrum character of under plant. By inversing we can get abundant information about canopy structures. So we can monitoring plant growth and forecasting the yield. The studying of hi-directional reflectance began in 7O~, and became to the most popular region of remote sensing in 80th Now the development is steady, the studying is concentrating in ground measurment and application but not in new theory development. The main characters are: (1) Great development in theory is not very possible. The studying concentrats in theory mending, detailing and consummating. The simple theory arose more attention because it抯 easy to be inversed. (2) The application of inclination remote sensor (such as POLDER,VEGETATION, MQDIS, MJSR, MERIS, ADEQS, AVNIR ASAS, et al ) will push forward its development and application, and some hi-directional reflectance models have been used in these remote sensor. (3) Fewer ground measuring has been done, so we lack of abundant datum to validate the models, its no good at the development of bi-directional reflectance. Now the hi-directional model can be classified into three kinds: transitive 124 model, geometry model and compute model. ? Experiment designing (1) Experiment in field: the experiments were done in 1999 and 2000. The same dealt rice canopy was measured in 1999, then five different kind of n更多还原