植被复介电常数的测量与模型构建

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院遥感与数字地球研究所 作者:李震

  目标的复介电常数是影响微波辐射和散射特性的重要因素。在植被定量化的应用研究中,建立植被具体物理参数与复介电常数之间关系的植被介电特性研究是微波遥感技术发展的基础工作.本研究选择我国黑河生态水文遥感试验的重点研究区域张掖市进行了6大类植被样本的采集,并结合矢量网络分析仪E8362B,利用同轴线探针法在0.2~20GHz范围内对样本进行了复介电常数的测量,其中重点针对玉米叶,建立了微波传感器常用频点下其重量含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验模型。最后利用河北省怀来县采集的实测数据对建立的经验模型和经典的Debye-Cole模型进行了验证和对比。结果表明,该经验模型在精度上优于传统的Debye-Cole模型,并且具有良好的实用性。

  微波遥感接收到的微波信号与被测物体的复介电常数密切相关.因此,建立探测目标具体物理参数与复介电常数之间的关系是微波遥感技术发展的基础性工作,也是从微波遥感数据中获取地表定量化信息的关键(施建成等,2012).植被的介电属性在耦合植被冠层的电磁特性和它的物理特性之间起着重要的作用;植被的复介电常数、植被的形状、以及植被的朝向等各个元素共同决定着植被冠层的散射和发射情况(El-Rayes等,1987).介质相对复介电常数的测量方法主要有集总电路法、谐振腔法、自由空间法、波导传输/反射法以及同轴线探针法(Venkatesh等,2005).其中,集总电路法(Huang等,2008)因为只适合低频率和高损耗材料,现在已经很少使用.谐振腔法(Li等,2009;Navarrete等,2011)通过测量目标介质放入谐振腔前后的谐振频率和品质因数来计算目标介质的复介电常数,该方法对于低损耗介质测量的精度较高,但此方法只能在一个频率下进行,不能进行宽频段测量,具有很大的局限性.自由空间法(Hasar,2009a)可以在不破坏测量对象的前提下进行宽频带测量,测量方法简单易实现,但由于电磁波在自由空间中受到的干扰因素较多,因此测量精度并不高.波导传输/反射法(Hasar等,2009b)的基本原理为利用填充介质的传输线传输反射特性,即S参数,反演得到介质的电磁特性.同轴线探针法(Boybay等,2011;Bobowski等,2012)则是通过测量同轴探头端口处被测介质的反射系数进而计算出被测介质的复介电常数.目前,国内外对植被进行复介电常数测量应用最广泛的方法主要为同轴线探针法(El-Rayes等,1987;Ulaby等,1987;Nelson等,1994;Colpitts等,1997;Kabir等,1997;康世峰等,1997;Franchois等,1998;Olmi等,2000;Afzal等,2003;Shrestha等,2007)和波导传输/反射法(Ulaby等,1984;Sarabandi等,1988;Chung,2007).波导传输/反射法的缺陷在于样品的制备非常繁琐(Franchois等,1998),该方法要求待测的材料样品与波导的横向尺寸紧密配合,这给实际加工和测量带来了困难.若所测的样品与同轴线或波导的配合存在间隙,则会给测量带来较大的误差(贾明权,2008).同轴线探针法最大的优势在于能在较大的频率范围内进行测量并且对被测材料不产生任何的破坏(Afzal等,2003).此外,El-Rayes等(1987)在同时使用了波导传输/反射法和同轴线探针法对植被材料进行介电测量后指出,对于宽频率植被材料的介电测量,同轴线探针法与波导传输/反射法相比,更加准确、方便同时更节约时间。

  本研究选择我国黑河生态水文遥感试验的重点研究区域张掖市进行植被样本的采集,主要植被样本有玉米叶、青笋叶、土豆叶、苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶总计6大类.然后选择同轴线探针法,利用矢量网络分析仪E8362B在0.2~20GHz范围内对上述样本进行相对复介电常数的测量.其中重点针对玉米叶,建立了微波传感器常用频点下玉米叶重量含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验模型.最后利用河北省怀来县遥感综合试验站及其周边采集的实测数据对建立的经验模型和经典的Debye-Cole模型进行了验证和对比。

1、样本采集与测量方法

  1.1、样本的采集与制备

  植被样本的采集地点选择为甘肃省张掖市. 张掖市位居全国第二大内陆河黑河中上游, 河西走廊腹地, 因为有黑河水流灌溉, 且地势平坦, 土壤肥沃,所以张掖市农作物种类丰富, 尤其以玉米产量最高.2012 年张掖市杂交玉米制种产量占全国用种量的40%, 是我国最大的杂交玉米种子繁育基地。采集的植被样本主要有玉米叶、青笋叶、土豆叶、苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶6 类品种. 尤其针对玉米叶, 进行了不同玉米种类和玉米高度的样本采样, 高度覆盖面从0.95 m 到2.05 m, 如图1 所示.样本采集后为防止其物理特性发生改变, 当日送达实验室进行介电特性测量。

3、讨论与结论

  本文选择我国黑河生态水文遥感试验的重点研究区域张掖市进行了包括玉米叶、青笋叶、土豆叶、苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶总计6 类植被样本的采集, 并结合矢量网络分析仪E8362B, 利用同轴线探针法在0.2~20 GHz 范围内对上述样本进行了相对复介电常数的测量, 其中重点针对玉米叶, 建立了微波传感器常用频点下玉米叶重量含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验模型, 最后利用河北省怀来县遥感综合试验站及其周边采集的实测数据对建立的经验模型和经典的Debye-Cole 模型进行验证和对比. 结果表明, 经验模型具有更高的精度和良好的实用性. 本文的结论和成果主要有:

  (1) 测量了涵盖粮食作物、蔬菜、果树和风景树的六类植被样本在不同重量含水量下的复介电常数,其中青笋叶、苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶的介电特性研究国内外鲜有展开. 测量结果表明, 所有植被的复介电常数随频率的变化都遵循统一的规律:频率增加, 复介电常数实部单调递减, 虚部在低频处先减小, 达到一个极小值后再增加, 最后趋于稳定;并且所有植被复介电常数实虚部的大小及其对频率的敏感性都随着重量含水量的增加而增加。

  (2) 在特定频率下, 所有植被复介电常数实虚部与其重量含水量之间的关系均可以用一个简单的底数为e 的指数函数较好的描述, 其中虚部由于受到盐度的影响拟合精度略低于实部。

  (3) 当重量含水量较低时, Debye-Cole 模型能对不同植被的复介电常数值进行较好的刻画, 但在含水量较高时, Debye-Cole 模型对植被复介电常数实虚部均出现了不同程度的高估现象. 此外, 在含水量低于60%时, 所有植被样本的复介电常数实部均较为接近, 没有表现出大的差异, 但当含水量较高时(>60%), 以低矮植被为代表的玉米叶、青笋叶和土豆叶, 他们的复介电常数实部非常接近, 而以树类为代表的苹果梨叶、冬苹果叶及青白杨树叶的复介电常数实部同样很接近, 同时树类(苹果梨叶、冬苹果叶和青白杨树叶)的值要小于低矮植被类(玉米叶、青笋叶和土豆叶)的值. 而它们对应的虚部因为受到含盐量的影响在不同的含水量情况下整体上并未表现出非常明显的规律. 由此可见, 植被的结构特征对其复介电常数的实部存在一定的影响, 并且两者之间存在一定的关联. 虽然Ulaby 指出求得植被的干物质密度和盐度后可以提高Debye-Cole 模型的精度, 但在实际操作中, 这两个参数的精确获取非常困难, 所以会大大增加实际应用的难度, 而重量含水量通传统的烘干法可以很方便的得到, 因此经验模型应用起来更加方便简洁同时也能保证较高的精度。

  (4) 通过实测数据建立了微波传感器常用频点下六类植被的经验介电模型, 可以方便的实现重量含水量到复介电常数实虚部之间的转换. 尤其针对玉米叶展开了详尽的研究, 包括不同种类和不同高度的玉米叶的采集和测量. 通过利用实测数据对玉米叶经验模型和Debye-Cole 模型做进一步的验证和对比得出, 经验模型在精度上要优于Debye-Cole 模型, 具有较高的精度和良好的实用性。

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