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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。