目標(biāo)的復(fù)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(yīng)用研究中，建立植被具體物理參數(shù)與復(fù)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(chǔ)工作.本研究選擇我國(guó)黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)的重點(diǎn)研究區(qū)域張掖市進(jìn)行了6大類植被樣本的采集，并結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B，利用同軸線探針?lè)ㄔ?.2~20GHz范圍內(nèi)對(duì)樣本進(jìn)行了復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量，其中重點(diǎn)針對(duì)玉米葉，建立了微波傳感器常用頻點(diǎn)下其重量含水量與其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｗ詈罄�用河北省懷�?lái)縣采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)典的Debye-Cole模型進(jìn)行了驗(yàn)證和對(duì)比。結(jié)果表明，該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诰�度上�?yōu)于傳統(tǒng)的Debye-Cole模型，并且具有良好的實(shí)用性。

　　微波遙感接收到的微波信號(hào)與被測(cè)物體的復(fù)介電常數(shù)密切相關(guān).因此，建立探測(cè)目標(biāo)具體物理參數(shù)與復(fù)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(chǔ)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(fù)介電常數(shù)、植被的形狀、以及植被的朝向等各個(gè)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(duì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量方法主要有集總電路法、諧振腔法、自由空間法、波導(dǎo)傳輸/反射法以及同軸線探針?lè)?Venkatesh等，2005).其中，集總電路法(Huang等，2008)因?yàn)橹贿m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(guò)測(cè)量目標(biāo)介質(zhì)放入諧振腔前后的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)來(lái)計(jì)算目標(biāo)介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)，該方法對(duì)于低損耗介質(zhì)測(cè)量的精度較高，但此方法只能在一個(gè)頻率下進(jìn)行，不能進(jìn)行寬頻段測(cè)量，具有很大的局限性.自由空間法(Hasar，2009a)可以在不破壞測(cè)量對(duì)象的前提下進(jìn)行寬頻帶測(cè)量，測(cè)量方法簡(jiǎn)單易實(shí)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(cè)量精度并不高.波導(dǎo)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?lè)?Boybay等，2011;Bobowski等，2012)則是通過(guò)測(cè)量同軸探頭端口處被測(cè)介質(zhì)的反射系數(shù)進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù).目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)植被進(jìn)行復(fù)介電常數(shù)測(cè)量應(yīng)用最廣泛的方法主要為同軸線探針?lè)?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(dǎo)傳輸/反射法(Ulaby等，1984;Sarabandi等，1988;Chung，2007).波導(dǎo)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(cè)的材料樣品與波導(dǎo)的橫向尺寸緊密配合，這給實(shí)際加工和測(cè)量帶來(lái)了困難.若所測(cè)的樣品與同軸線或波導(dǎo)的配合存在間隙，則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差(賈明權(quán)，2008).同軸線探針?lè)ㄗ畲蟮膬?yōu)勢(shì)在于能在較大的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量并且對(duì)被測(cè)材料不產(chǎn)生任何的破壞(Afzal等，2003).此外，El-Rayes等(1987)在同時(shí)使用了波導(dǎo)傳輸/反射法和同軸線探針?lè)▽?duì)植被材料進(jìn)行介電測(cè)量后指出，對(duì)于寬頻率植被材料的介電測(cè)量，同軸線探針?lè)ㄅc波導(dǎo)傳輸/反射法相比，更加準(zhǔn)確、方便同時(shí)更節(jié)約時(shí)間。

　　本研究選擇我國(guó)黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)的重點(diǎn)研究區(qū)域張掖市進(jìn)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(shù)葉總計(jì)6大類.然后選擇同軸線探針?lè)ǎ�利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B在0.2~20GHz范圍內(nèi)對(duì)上述樣本進(jìn)行相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量.其中重點(diǎn)針對(duì)玉米葉，建立了微波傳感器常用頻點(diǎn)下玉米葉重量含水量與其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?最后利用河北省懷來(lái)縣遙感綜合試驗(yàn)站及其周邊采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)典的Debye-Cole模型進(jìn)行了驗(yàn)證和對(duì)比。

1、樣本采集與測(cè)量方法

　　1.1、樣本的采集與制備

　　植被樣本的采集地點(diǎn)選擇為甘肅省張掖市. 張掖市位居全國(guó)第二大內(nèi)陸河黑河中上游, 河西走廊腹地, 因?yàn)橛泻诤铀�流灌�? 且地勢(shì)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(guó)用種量的40%, 是我國(guó)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(shù)葉6 類品種. 尤其針對(duì)玉米葉, 進(jìn)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(dāng)日送達(dá)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行介電特性測(cè)量。

3、討論與結(jié)論

　　本文選擇我國(guó)黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn)的重點(diǎn)研究區(qū)域張掖市進(jìn)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(shù)葉總計(jì)6 類植被樣本的采集, 并結(jié)合矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B, 利用同軸線探針?lè)ㄔ?.2~20 GHz 范圍內(nèi)對(duì)上述樣本進(jìn)行了相對(duì)復(fù)介電常數(shù)的測(cè)量, 其中重點(diǎn)針對(duì)玉米葉, 建立了微波傳感器常用頻點(diǎn)下玉米葉重量含水量與其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部和虛部之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 最后利用河北省懷來(lái)縣遙感綜合試驗(yàn)站及其周邊采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)典的Debye-Cole 模型進(jìn)行驗(yàn)證和對(duì)比. 結(jié)果表明, 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂懈�高的精度和良好的�?shí)用性. 本文的結(jié)論和成果主要有：

　　(1) 測(cè)量了涵蓋糧食作物、蔬菜、果樹(shù)和風(fēng)景樹(shù)的六類植被樣本在不同重量含水量下的復(fù)介電常數(shù),其中青筍葉、蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹(shù)葉的介電特性研究國(guó)內(nèi)外鮮有展開(kāi). 測(cè)量結(jié)果表明, 所有植被的復(fù)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(fù)介電常數(shù)實(shí)部單調(diào)遞減, 虛部在低頻處先減小, 達(dá)到一個(gè)極小值后再增加, 最后趨于穩(wěn)定;并且所有植被復(fù)介電常數(shù)實(shí)虛部的大小及其對(duì)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(fù)介電常數(shù)實(shí)虛部與其重量含水量之間的關(guān)系均可以用一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)部。

　　(3) 當(dāng)重量含水量較低時(shí), Debye-Cole 模型能對(duì)不同植被的復(fù)介電常數(shù)值進(jìn)行較好的刻畫, 但在含水量較高時(shí), Debye-Cole 模型對(duì)植被復(fù)介電常數(shù)實(shí)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(shí), 所有植被樣本的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部均較為接近, 沒(méi)有表現(xiàn)出大的差異, 但當(dāng)含水量較高時(shí)(>60%), 以低矮植被為代表的玉米葉、青筍葉和土豆葉, 他們的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部非常接近, 而以樹(shù)類為代表的蘋果梨葉、冬蘋果葉及青白楊樹(shù)葉的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部同樣很接近, 同時(shí)樹(shù)類(蘋果梨葉、冬蘋果葉和青白楊樹(shù)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(duì)應(yīng)的虛部因?yàn)槭艿胶�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(jiàn), 植被的結(jié)構(gòu)特征對(duì)其復(fù)介電常數(shù)的實(shí)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(shí)際操作中, 這兩個(gè)參數(shù)的精確獲取非常困難, 所以會(huì)大大增加實(shí)際應(yīng)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(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用起來(lái)更加方便簡(jiǎn)潔同時(shí)也能保證較高的精度。

　　(4) 通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了微波傳感器常用頻點(diǎn)下六類植被的經(jīng)驗(yàn)介電模型, 可以方便的實(shí)現(xiàn)重量含水量到復(fù)介電常數(shù)實(shí)虛部之間的轉(zhuǎn)換. 尤其針對(duì)玉米葉展開(kāi)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(cè)量. 通過(guò)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)玉米葉經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虳ebye-Cole 模型做進(jìn)一步的驗(yàn)證和對(duì)比得出, 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诰�度上要�?yōu)于Debye-Cole 模型, 具有較高的精度和良好的實(shí)用性。

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