目標的復介電常數(shù)是影響微波輻射和散射特性的重要因素。在植被定量化的應用研究中，建立植被具體物理參數(shù)與復介電常數(shù)之間關(guān)系的植被介電特性研究是微波遙感技術(shù)發(fā)展的基礎工作.本研究選擇我國黑河生態(tài)水文遙感試驗的重點研究區(qū)域張掖市進行了6大類植被樣本的采集，并結(jié)合矢量網(wǎng)絡分析儀E8362B，利用同軸線探針法在0.2~20GHz范圍內(nèi)對樣本進行了復介電常數(shù)的測量，其中重點針對玉米葉，建立了微波傳感器常用頻點下其重量含水量與其復介電常數(shù)實部和虛部之間的經(jīng)驗模型。最后利用河北省懷來縣采集的實測數(shù)據(jù)對建立的經(jīng)驗模型和經(jīng)典的Debye-Cole模型進行了驗證和對比。結(jié)果表明，該經(jīng)驗模型在精度上優(yōu)于傳統(tǒng)的Debye-Cole模型，并且具有良好的實用性。

　　微波遙感接收到的微波信號與被測物體的復介電常數(shù)密切相關(guān).因此，建立探測目標具體物理參數(shù)與復介電常數(shù)之間的關(guān)系是微波遙感技術(shù)發(fā)展的基礎性工作，也是從微波遙感數(shù)據(jù)中獲取地表定量化信息的關(guān)鍵(施建成等，2012).植被的介電屬性在耦合植被冠層的電磁特性和它的物理特性之間起著重要的作用;植被的復介電常數(shù)、植被的形狀、以及植被的朝向等各個元素共同決定著植被冠層的散射和發(fā)射情況(El-Rayes等，1987).介質(zhì)相對復介電常數(shù)的測量方法主要有集總電路法、諧振腔法、自由空間法、波導傳輸/反射法以及同軸線探針法(Venkatesh等，2005).其中，集總電路法(Huang等，2008)因為只適合低頻率和高損耗材料，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用.諧振腔法(Li等，2009;Navarrete等，2011)通過測量目標介質(zhì)放入諧振腔前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)來計算目標介質(zhì)的復介電常數(shù)，該方法對于低損耗介質(zhì)測量的精度較高，但此方法只能在一個頻率下進行，不能進行寬頻段測量，具有很大的局限性.自由空間法(Hasar，2009a)可以在不破壞測量對象的前提下進行寬頻帶測量，測量方法簡單易實現(xiàn)，但由于電磁波在自由空間中受到的干擾因素較多，因此測量精度并不高.波導傳輸/反射法(Hasar等，2009b)的基本原理為利用填充介質(zhì)的傳輸線傳輸反射特性，即S參數(shù)，反演得到介質(zhì)的電磁特性.同軸線探針法(Boybay等，2011;Bobowski等，2012)則是通過測量同軸探頭端口處被測介質(zhì)的反射系數(shù)進而計算出被測介質(zhì)的復介電常數(shù).目前，國內(nèi)外對植被進行復介電常數(shù)測量應用最廣泛的方法主要為同軸線探針法(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)和波導傳輸/反射法(Ulaby等，1984;Sarabandi等，1988;Chung，2007).波導傳輸/反射法的缺陷在于樣品的制備非常繁瑣(Franchois等，1998)，該方法要求待測的材料樣品與波導的橫向尺寸緊密配合，這給實際加工和測量帶來了困難.若所測的樣品與同軸線或波導的配合存在間隙，則會給測量帶來較大的誤差(賈明權(quán)，2008).同軸線探針法最大的優(yōu)勢在于能在較大的頻率范圍內(nèi)進行測量并且對被測材料不產(chǎn)生任何的破壞(Afzal等，2003).此外，El-Rayes等(1987)在同時使用了波導傳輸/反射法和同軸線探針法對植被材料進行介電測量后指出，對于寬頻率植被材料的介電測量，同軸線探針法與波導傳輸/反射法相比，更加準確、方便同時更節(jié)約時間。

　　本研究選擇我國黑河生態(tài)水文遙感試驗的重點研究區(qū)域張掖市進行植被樣本的采集，主要植被樣本有玉米葉、青筍葉、土豆葉、蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹葉總計6大類.然后選擇同軸線探針法，利用矢量網(wǎng)絡分析儀E8362B在0.2~20GHz范圍內(nèi)對上述樣本進行相對復介電常數(shù)的測量.其中重點針對玉米葉，建立了微波傳感器常用頻點下玉米葉重量含水量與其復介電常數(shù)實部和虛部之間的經(jīng)驗模型.最后利用河北省懷來縣遙感綜合試驗站及其周邊采集的實測數(shù)據(jù)對建立的經(jīng)驗模型和經(jīng)典的Debye-Cole模型進行了驗證和對比。

1、樣本采集與測量方法

　　1.1、樣本的采集與制備

　　植被樣本的采集地點選擇為甘肅省張掖市. 張掖市位居全國第二大內(nèi)陸河黑河中上游, 河西走廊腹地, 因為有黑河水流灌溉, 且地勢平坦, 土壤肥沃,所以張掖市農(nóng)作物種類豐富, 尤其以玉米產(chǎn)量最高.2012 年張掖市雜交玉米制種產(chǎn)量占全國用種量的40%, 是我國最大的雜交玉米種子繁育基地。采集的植被樣本主要有玉米葉、青筍葉、土豆葉、蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹葉6 類品種. 尤其針對玉米葉, 進行了不同玉米種類和玉米高度的樣本采樣, 高度覆蓋面從0.95 m 到2.05 m, 如圖1 所示.樣本采集后為防止其物理特性發(fā)生改變, 當日送達實驗室進行介電特性測量。

3、討論與結(jié)論

　　本文選擇我國黑河生態(tài)水文遙感試驗的重點研究區(qū)域張掖市進行了包括玉米葉、青筍葉、土豆葉、蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹葉總計6 類植被樣本的采集, 并結(jié)合矢量網(wǎng)絡分析儀E8362B, 利用同軸線探針法在0.2~20 GHz 范圍內(nèi)對上述樣本進行了相對復介電常數(shù)的測量, 其中重點針對玉米葉, 建立了微波傳感器常用頻點下玉米葉重量含水量與其復介電常數(shù)實部和虛部之間的經(jīng)驗模型, 最后利用河北省懷來縣遙感綜合試驗站及其周邊采集的實測數(shù)據(jù)對建立的經(jīng)驗模型和經(jīng)典的Debye-Cole 模型進行驗證和對比. 結(jié)果表明, 經(jīng)驗模型具有更高的精度和良好的實用性. 本文的結(jié)論和成果主要有：

　　(1) 測量了涵蓋糧食作物、蔬菜、果樹和風景樹的六類植被樣本在不同重量含水量下的復介電常數(shù),其中青筍葉、蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹葉的介電特性研究國內(nèi)外鮮有展開. 測量結(jié)果表明, 所有植被的復介電常數(shù)隨頻率的變化都遵循統(tǒng)一的規(guī)律:頻率增加, 復介電常數(shù)實部單調(diào)遞減, 虛部在低頻處先減小, 達到一個極小值后再增加, 最后趨于穩(wěn)定;并且所有植被復介電常數(shù)實虛部的大小及其對頻率的敏感性都隨著重量含水量的增加而增加。

　　(2) 在特定頻率下, 所有植被復介電常數(shù)實虛部與其重量含水量之間的關(guān)系均可以用一個簡單的底數(shù)為e 的指數(shù)函數(shù)較好的描述, 其中虛部由于受到鹽度的影響擬合精度略低于實部。

　　(3) 當重量含水量較低時, Debye-Cole 模型能對不同植被的復介電常數(shù)值進行較好的刻畫, 但在含水量較高時, Debye-Cole 模型對植被復介電常數(shù)實虛部均出現(xiàn)了不同程度的高估現(xiàn)象. 此外, 在含水量低于60%時, 所有植被樣本的復介電常數(shù)實部均較為接近, 沒有表現(xiàn)出大的差異, 但當含水量較高時(>60%), 以低矮植被為代表的玉米葉、青筍葉和土豆葉, 他們的復介電常數(shù)實部非常接近, 而以樹類為代表的蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹葉的復介電常數(shù)實部同樣很接近, 同時樹類(蘋果梨葉、冬蘋果葉和青白楊樹葉)的值要小于低矮植被類(玉米葉、青筍葉和土豆葉)的值. 而它們對應的虛部因為受到含鹽量的影響在不同的含水量情況下整體上并未表現(xiàn)出非常明顯的規(guī)律. 由此可見, 植被的結(jié)構(gòu)特征對其復介電常數(shù)的實部存在一定的影響, 并且兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián). 雖然Ulaby 指出求得植被的干物質(zhì)密度和鹽度后可以提高Debye-Cole 模型的精度, 但在實際操作中, 這兩個參數(shù)的精確獲取非常困難, 所以會大大增加實際應用的難度, 而重量含水量通傳統(tǒng)的烘干法可以很方便的得到, 因此經(jīng)驗模型應用起來更加方便簡潔同時也能保證較高的精度。

　　(4) 通過實測數(shù)據(jù)建立了微波傳感器常用頻點下六類植被的經(jīng)驗介電模型, 可以方便的實現(xiàn)重量含水量到復介電常數(shù)實虛部之間的轉(zhuǎn)換. 尤其針對玉米葉展開了詳盡的研究, 包括不同種類和不同高度的玉米葉的采集和測量. 通過利用實測數(shù)據(jù)對玉米葉經(jīng)驗模型和Debye-Cole 模型做進一步的驗證和對比得出, 經(jīng)驗模型在精度上要優(yōu)于Debye-Cole 模型, 具有較高的精度和良好的實用性。

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