【摘要】：沙地系統(tǒng)由于具備較高的生產(chǎn)力、繁雜的生物多樣性以及數(shù)量可觀的生物量,在干旱或者半干旱地區(qū)的研究中具有重要的生態(tài)學(xué)意義。由于人類不合理活動的逐漸加劇,沙漠化引起的生態(tài)系統(tǒng)功能退化,反而導(dǎo)致了沙地對環(huán)境的負(fù)面影響,這種影響卻正在逐漸攀升。因此,動態(tài)地監(jiān)測沙地表面的變化與大氣之間能量交換,對于科學(xué)評價其生態(tài)恢復(fù)過程以及整個地氣系統(tǒng)的輻射平衡都具有重要意義。遙感技術(shù)以其動態(tài)、實(shí)時、大范圍監(jiān)測的獨(dú)特優(yōu)勢,為全球沙地空間分布以及沙地表面的物理特征監(jiān)測提供了保證。遙感技術(shù)應(yīng)用在沙地監(jiān)測上的主要依據(jù)是沙地表面與電磁波之間的輻射響應(yīng)特征,并且通過傳感器獲取這些信息,經(jīng)過處理、分析確定沙地表面特性,最后應(yīng)用到解決沙地系統(tǒng)存在的問題當(dāng)中。在被動遙感中,太陽輻射是主要的能量來源,沙地表面自身特性的變化(例如粒徑大小、含水量、紋理結(jié)構(gòu))會改變其在可見光近紅外波段的反射信息,從而為遙感技術(shù)判別沙地特征提供依據(jù)。尤其是高光譜遙感技術(shù)與多角度探測技術(shù)的出現(xiàn),使研究者們相信可以更加準(zhǔn)確的反演沙地表面自身特性以及沙地表面的反照率。同時也意味著需要詳細(xì)地了解沙地表面的光譜反射特性與反射分布特性才能更好地使用多角度高光譜信息來監(jiān)測、反演沙地表面特性。本研究的重點(diǎn)圍繞三個方面進(jìn)行。首先分析基于輻射傳輸理論基礎(chǔ)上提出的描述沙地表面雙向反射分布特性的模型,討論沙地表面反射模型的有效性,并且根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)研究這些模型是否適合用來計算沙地表面的雙向反射特性;其次基于實(shí)測數(shù)據(jù)對比不同模型得到的參數(shù)是否可以描述沙地表面的粒徑大小、含水量以及紋理結(jié)構(gòu);在研究粒徑大小與反射信息關(guān)系過程中,本論文借鑒半變異函數(shù)來表示粒徑大小變化形成的空間特征,確定了粒徑大小與各向異性測量系數(shù)之間的關(guān)系;其中也包括研究粒徑大小對偏振信息的影響;最后,基于野外實(shí)驗(yàn)測量的沙地表面多角度高光譜反射信息,不僅對現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn),同時利用已經(jīng)得到的參數(shù)和模型來反演沙含水量以及表面紋理結(jié)構(gòu)。通過研究結(jié)果表明,基于實(shí)驗(yàn)室與野外實(shí)際測量的不同沙地表面特征對應(yīng)的反射光譜值結(jié)合模型參數(shù)可以直接用于沙地粒徑大小、沙地含水量以及沙地表面紋理結(jié)構(gòu)的反演在反演粒徑大小方面,通過半變異函數(shù)可以表示粒徑大小變化形成的空間特征,這種方法是利用各項(xiàng)異性特征測量系數(shù)與粒徑建立關(guān)系,該系數(shù)是通過比值得到的,因此,可以消除環(huán)境對反射光譜信息的影響,在將來可以成為一種更為有效的方法來反演沙地表面粒徑大小�；谳椛鋫鬏斃碚摰姆瓷淠Ｐ鸵部梢詫⑸车乇砻娴牧酱笮”硎境鰜�,但是一些模型由于過多的自由參數(shù),導(dǎo)致其描繪的很多傳輸過程不具有明確的物理意義,因而在本質(zhì)上屬于半經(jīng)驗(yàn)的理論模型。通過計算值與實(shí)際測量值對比發(fā)現(xiàn),這些雙向反射模型仍然可以用來表示沙地表面的雙向反射分布特征與沙地粒徑大小,不過在前向散射方向、后向散射方向誤差較大。在研究粒徑大小對反射信息的影響過程中,本研究考慮了偏振信息與粒徑大小之間的關(guān)系,并且試圖將反射信息與偏振信息結(jié)合起來說明粒徑大小對沙地表面反射特性的影響。通過研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),偏振信息的考慮不僅可以完整的描述電磁波與沙地表面的輻射響應(yīng)特征,而且有助于對確定沙地表面的粒徑大小。在反演沙地表面含水量方面,可以直接利用反射信息來反演,這是由于反射特性與含水量之間具有很好的線性關(guān)系,并且相關(guān)系數(shù)很高。同時,基于對雙向反射模型的分析發(fā)現(xiàn)可以利用一種間接的方法來表示沙地含水量,而且在不同探測方向可以很準(zhǔn)確的反演含水量,這為多角度遙感在沙地表面特征研究方面的應(yīng)用提供了理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。在研究沙地表面紋理結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)雖然雙向反射模型的參數(shù)可以表示沙地表面的粒徑大小,以及用來計算沙地含水量,但是在描述表面紋理特征時還需要謹(jǐn)慎使用,這是由于模型模擬的沙地表面分布特性具有相似的分布規(guī)律,而沙地紋理結(jié)構(gòu)的變化則會產(chǎn)生一些固有的反射分布特性。不過,模型的參數(shù)依然可以很好的量化由于紋理結(jié)構(gòu)變化對沙地表面粗糙度的改變�？傊�,對不同特征條件下沙地表面多角度高光譜反射特性的研究有助于研究者們詳細(xì)了解沙地表面與電磁波之間的輻射響應(yīng)特征。本研究將多角度信息、高光譜信息與沙地表面特征聯(lián)系起來,在驗(yàn)證了現(xiàn)有模型有效性的前提下,也分析了反射特性與沙地表面粒徑大小、含水量以及紋理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。這些研究對于遙感技術(shù)準(zhǔn)確反演沙地表面特性具有重要的理論意義與應(yīng)用價值,從而可以使遙感技術(shù)在研究沙地生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中發(fā)揮更為顯著作用,促進(jìn)與沙地相關(guān)學(xué)科的發(fā)展,最終為解決全球氣候問題提供幫助。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P237;P941.73
【圖文】：

121°29′19″E，現(xiàn)場環(huán)境如圖 1 所示；第二個地°10′51″N，125°49′32″E。其中在科爾沁左翼中旗附近則為典型的草甸草原黑鈣土，黑鈣土的選擇是為了射特性影響過程中的對比研究對象，將在后面的內(nèi)容

東北師范大學(xué)博士學(xué)位論文0μm,300-450μm，小于 300μm，在篩選沙地表面與黑鈣土表面采集，沒有大于 900μm 的粒徑等級。但是這種方法無法得到粒徑一致徑均為 450μm 的沙粒與土粒。針對這一問題，在篩選樣品時使用兩土壤篩，選取這兩個土壤篩中間的顆粒作為這一等級的樣品。例如 900μm 的樣品時利用兩個 900μm 的土壤篩進(jìn)行篩選，并且選擇兩樣品確定為粒徑大小是 900μm。通過這種手段獲取相同粒徑樣品所長，不過是一種非常有效的方法[114]。

圖 4 平整沙地表面變異過程，在分析粒徑變化對反射信息的影響過程中，我們將利用本節(jié)不同粒徑沙地表面的粗糙度，并且依據(jù)該結(jié)果表示粒徑大小，立反演關(guān)系。得到的具體結(jié)果將在第四章進(jìn)行分析。 基于物理模型表達(dá)沙地表面反射信息感應(yīng)用研究過程當(dāng)中，主要依靠的是地表的反射信息，因此，物反射特征進(jìn)行合理的解釋。像沙地這樣的顆粒介質(zhì)，其表面，紋理結(jié)構(gòu)特征等都需要通過一些參數(shù)來量化。值得關(guān)注的是出的土壤雙向反射模型正致力于解決這些問題，并且已經(jīng)衍生型。這一部分研究者們常常介紹該模型是基于輻射傳輸理論來信息的，但是在研究過程中，許多研究者已經(jīng)將這種觀點(diǎn)改變

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