基于多频段电磁波传播特性的森林枯枝落叶层参量反演方法研究

Litter layer is an important part of forest ecological system. The knowledge of its temporal and spatial characteristics helps to analyze the response process of forest ecosystem to environment climate change, improves the remote sensing inversion accuracy of forest parameters. Based on the "experiment - data - theory - model - validation" progressive method, this project carries out the dielectric properties measurement of litter layers for the different tree species (coniferous forest, broad-leaved forest, mixed forest) by the effectively electromagnetic wave frequencies (VHF, P, L, S, C, X, K, Ka), and sets up the dielectric constant model of litter for different temperature and humidity conditions under different freezing/melting state, then combines controlled experiment and field observation experiment to study the frequency- dependence of the scattering and radiative properties of litter layer using the vector network analyzer, the narrow pulse ground penetrating radar (GPR) and microwave radiometer, finally establishes a model to retrieve the litter layer characteristic parameters (thickness, density, water content) based on the radiative transfer theory as well as the HFSS software platform for numerical simulation. In all, this research will lay a solid foundation for high-precision retrieving forest parameters and provides a new technical method for quantifying the spatial and temporal variations of litter layer.

枯枝落叶层是森林生态系统的重要组成部分，明确其特征参数的时空变化，有助于认知森林生态系统对环境气候变化的响应过程，提高森林参数遥感反演精度。本项目研究基于“实验-数据-理论-模型发展-验证”的递进模式开展研究，针对森林生态系统地表特征参数遥感探测的有效电磁波段（VHF、P、L、S、C、X、K、Ka），开展不同树种（针叶林、阔叶林、混交林）区枯枝落叶层介电特性测量研究，建立不同温湿度条件、不同冻/融状态下的介电常数模型；将可控实验和外场观测实验相结合，利用矢量网络分析仪、超窄脉冲探地雷达、多频段微波辐射计有效获取枯枝落叶层电磁波辐射与散射的频率特性，以 辐射传输模型为理论基础，结合HFSS软件平台进行数值模拟和参数修正，建立枯枝落叶层特征参数的反演模型（厚度、密度、含水量），为实现森林系统参数的高精度遥感反演和枯枝落叶层的时空变化调查提供新的技术手段与方法奠定基础。

地球上三分之一的陆地被森林覆盖，森林覆盖下地表参数的变化（例如积雪和土壤湿度），是陆地与大气相互作用的关键参数, 对气候变化具有一定的反馈作用。而枯枝落叶层的存在对林下地表参数的反演具有一定的影响作用。.本研究利用介电混合模型，模拟了落叶层在不同含水量状态下的介电常数；采集东北地区典型的落叶种类，应用矢量网络分析仪进行不同状态下的介电常数测量；改进并升级了微波辐射计接收机，增加了单位时间内的数据样本，提出了新的机上SD卡存储方法；开展微波辐射计测量数据射频干扰检测算法研究，提出了适合于数字增益自动补偿型微波辐射计的变异系数检测方法，可有力支持卫星遥感数据验证；结合经典的t-w模型，从理论上证明了利用不同厚度下枯枝落叶层亮温值计算衰减系数的可行性，然后基于该理论设计可控实验，利用微波辐射计获取了不同厚度、不同重量含水量下的枯枝落叶层亮温值，定量分析了枯枝落叶层在冻结状态和非冻结状态下的的透过率变化；结合不考虑散射的辐射传输理论，通过可控实验，获取了落叶层在 L 波段的发射率，并分析了其与含水量的关系；通过开展积雪-落叶双频观测实验，进行东北地区积雪-落叶对林下观测影响的研究。