（土地资源管理专业论文）基于光谱反射率的耕地估产研究.pdf

f 嚣 硕士学位论文 m a s t e r st i l e s i s l 一一 a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i v i t y a s s e s s m e n t r e s e a r c hb a s e do ns p e c t r a lr e f l e c t a n c e a t h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em a d e g r e ei nl a n dr e s o u r c em a n a g e m e n t b y w uf e i p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fu r b a na n de n v i r o n m e n ts c i e n c e c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：z h o uy o n g a c a d e m i ct i t i e ：p r o f e s s o r s 咖a t u r e 毋 a p p r o v e d a p r i ，2 0 1 1 i i i r l r l 彳冷 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 。均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期：厶年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和 借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 淼，髂b 日 日期：加f 降 月6 日导e l 篓序携6 9 期加序 6 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人 的学位论文提交“c a m s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程” 中的规定享受相关权益。回壅逾塞逞童后进卮；旦圭生；旦二生；旦三生筮鱼! 作者签名： 日期bl 年易月6 日 导师签名： e l 期：厶ze 年 嚣、 、口 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 近年来，遥感技术的发展为监测、研究植被及其环境电磁信源信息提供了新的 手段。尤其是，高时间分辨率的遥感数据在区域乃至全球大尺度物候研究己经取得 了初步成果。遥感正同益成为研究植被物候监测的一个重要手段。高时间分辨率的 遥感数据因其具有时间分辨率高、覆盖面积广的特点，在全球及区域大尺度植被物 候研究中得到广泛的应用。相对于高时间分辨率的遥感数据，高分辨率成像光谱仪 数据具有更高的空间分辨率和光谱分辨率，具有更大的应用潜力。为了更好地基于 遥感信息研究植被电磁信源信息，非常有必要研究与植被密切相关的环境因素。 本文主要研究小麦和土壤的电磁信源特征及其模型的构建。小麦信源研究主要 基于时问序列的高光谱数据在小麦物候期监测和识别上的应用，通过对小麦的光谱 数据的分析，研究影响小麦光谱的各种因素，直至追踪至信源；进而研究小麦内部、 外部电磁信源的相互作用机理；结合小麦物候期高光谱监测结果，研究小麦的电磁 信源模型。土壤信源研究主要基于土壤中许多成分在太阳反射光谱范围内具有诊断 性吸收的特征，从土壤地球化学、几何光学散射以及植被三方面对土壤光谱特征进 行研究，探索土壤信源分析技术手段，构建土壤光谱的分析模型。在此基础上，研 究小麦土壤混合信源的形成机理、表达模型和解混方法；最终建立小麦土壤电磁 信源应用模型库。利用小麦反射率的变化，结合小麦生育状况和籽粒产量，进行小 麦估产。 本文研究内容主要分为五大部分： 一是绪论。主要论述了本文的研究背景、研究意义、国内外研究现状、研究内 容、方法和技术路线。 二是小麦遥感研究。主要研究影响小麦光谱的各种因素，直至追踪至信源；研 究小麦信源的相互作用机理：搜集、归纳和整理出小麦信源表达的各种模型；结合 小麦信源相互作用机理建立模型。 三是土壤遥感研究。主要研究影响土壤光谱的各种因素，直至追踪至信源；研 究土壤信源的相互作用机理；搜集、归纳和整理出土壤信源表达的各种模型；结合 土壤信源相互作用机理建立模型。 四是小麦一土壤混合模型研究。主要研究小麦土壤混合信源的形成机理、分析 和归类、表达模型和解混方法。 五是小麦光谱特性和估产。主要研究在小麦整个物候期内光谱的变化特征，结 厶 口 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fr e m o t es e n s i n gp r o v i d e san e wm e a n sf o r m o n i t o r i n g a n dr e s e a r c h i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i ci n f o r m a t i o nb e t w e e nv e g e t a t i o na n d e n v i r o n m e n t p a r t i c u l a r l y t h eh i g h t e m p o r a l r e s o l u t i o nr e m o t es e n s i n gd a t ah a v e a c h i e v e di n i t i a lr e s u l t si nr e g i o n a la n dg l o b a l s c a l ep h e n o l o g i c a ls t u d i e s r e m o t es e n s i n g i si n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga l li m p o r t a n tm e a n so fv e g e t a t i o np h e n o l o g i c a lm o n i t o r i n g b e c a u s eo fi t sh i i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o n ，c o v e r i n gaw i d ea r e a ，h i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o n r e m o t es e n s i n gd a t ah a sb e e nw i d e l yu s e di nr e 舀o n a la n dg l o b a l s c a l ep h e n o l o g i c a l s t u d i e sr e l a t i v et ot h eh i g ht e m p o r a lr e s o l u t i o nr e m o t es e n s i n gd a t a ，h i g hr e s o l u t i o n i m a g i n gs p e c t r a ld a t ai sp r o v i d e dw i t hh i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o n ，s p e c t r a lr e s o l u t i o na n d g r e a t e rp o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n i ti sn e c e s s a r yt os t u d ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r sc l o s e l y r e l a t e dt ov e g e t a t i o ni no r d e rt ob e t t e rv e g e t a t i o ne l e c t r o m a g n e t i ci n f o r m a t i o nb a s e do n r e m o t es e n s i n g t h es t u d yi sf o c u s e do ne l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fw h e a ta n ds o i la n di t s m o d e l t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s e a r c ho fw h e a tm a i n l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fh i g h s p e c t r a ld a t ai nw h e a tp h e n o l o g i c a li d e n t i f i c a t i o na n dm o n i t o r i n gb a s e do nt i m es e r i e s t h r o u g h t h ea n a l y s i so f s p e c t r a ld a t ao fw h e a t ，w es t u d yt h ev a r i o u sf a c t o r sa f f e c t i n gt h e s p e c t r u mo fw h e a t ，u n t i lt r a c kt ot h es o u r c e ；t h e nd i s c u s st h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s m b e t w e e ni n t e r i o ra n de x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e so fw h e a t ；f i n a l l yr e s e a r c ht h e e l e c t r o m a g n e t i cm o d e lo fw h e a tw i t hh y p e r s p e c t r a lm o n i t o r i n gr e s u l t so fw h e a ti n p h e n o l o g y t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s e a r c ho fs o i l d i s c u s s e st h ed i a g n o s t i ca b s o r p t i o n f e a t u r e so fm a n ye l e m e n t si ni ti nt h es o l a rr e f l e c t i v es p e c t r a lr a n g e ；e x p l o r e sa n a l y s i s m e a n so fe l e c t r o m a g n e t i cs o u r c eo fs o i la n dc o n s t r u c t st h es p e c t r a lm o d e lo fs o i li nt h r e e a s p e c t so fs p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l ：s o i lg e o c h e m i c a l ，g e o m e t r i co p t i c ss c a t t e r i n g a n dv e g e t a t i o n o nt h i sb a s i s ，w es t u d yt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，e x p r e s s i o nm o d e la n d i m m i x i n gm e t h o do fw h e a t - s o i lm o d e l ；e v e n t u a l l ye s t a b l i s ht h ea p p l i c a t i o nm o d e ll i b r a r y o fw h e a t s o i le l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e u s i n gt h es p e c t r a lc h a n g e so fw h e a tt oa s s e s st h e w h e a ty i e l dc o m b i n e dw i t hf e r t i l i t ya n dg r a i ny i e l do fw h e a t t h i sp a p e ri sm a i n l yd i v i d e di n t of o u rp a r t s ： u l f 露、 硕士学位论丈 m a s t e r st i i e s i s p a r tl ：i n t r o d u c t i o n i tm a i n l yd i s c u s s e st h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y a n a l y s i st h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c h ，i n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h t r e n d sa n dm a i nr e s e a r c hm e t h o d sa n ds u m m a r i z e st h em a i no b j e c t i v e s ，c o n t e n ta n di d e a s o ft h i sp a p e r p a ni i ：t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s e a r c ho fw h e a t i tm a i n l ys t u d i e st h ev a r i o u sf a c t o r s a f f e c t i n gt h es p e c t r u mo fw h e a t ，u n t i lt r a c kt ot h es o u r c e ；t h e nd i s c u s s e st h ei n t e r a c t i o n m e c h a n i s mo fw h e a te l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e s ；c o l l e c t s ，s u m m a r i z e sa n ds o r t so u ta l lt h e e x p r e s s i o nm o d e l so fw h e a t ；e s t a b l i s h e st h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e l w i t ht h em e c h a n i s m p a r ti i i ：t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s e a r c ho fs o i l i tm a i n l ys t u d i e st h ev a r i o u sf a c t o r s a f f e c t i n gt h es p e c t r u mo fs o i l ，u n t i lt r a c kt ot h es o u r c e ；t h e nd i s c u s s e st h ei n t e r a c t i o n m e c h a n i s mo fs o i le l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e s ；c o l l e c t s ，s u m m a r i z e sa n ds o r t so u ta l lt h e e x p r e s s i o nm o d e l so fs o i l ；e s t a b l i s h e st h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e l w i t ht h em e c h a n i s m p a r ti v ：t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e s e a r c ho fw h e a t s o i lm i x e dm o d e l i t m a i n l y r e s e a r c h e st h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n a l y s i sa n dc l a s s i f i c a t i o n ，t h ee x p r e s s i o nm o d e l a n di m m i x i n gm e t h o do fw h e a t s o i le l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e p a r tv ：t h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c so fw h e a ta n dy i e l da s s e s s m e n t i tm a i n l ys t u d i e s t h es p e c t r a lc h a n g e so fw h e a ti np h e n o l o g ya n da s s e s s e st h ew h e a ty i e l dc o m b i n e dw i t h f e r t i l i t ya n dg r a i ny i e l do f w h e a t k e yw o r d s ：h y p e r - s p e c t r u m ；r e m o t es e n s i n g ：s p e c t r a lf i t t i n g ；y i e l da s s e s s m e n t ： 硕士学位论丈 m a s t e r si h e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究的背景和意义1 1 1 1 研究的背景1 1 1 2 研究的意义2 1 2 课题研究现状一2 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状4 1 3 研究目标、内容及思路5 1 3 1 研究目标5 1 3 2 研究内容6 1 3 3 研究方法和思路6 第二章小麦遥感研究8 2 1 小麦遥感研究的理论基础8 2 1 1 小麦物候观测指标8 2 1 2 小麦物候监测内容8 2 2 小麦光谱研究1 0 2 2 1 小麦光谱相关数据处理1 0 2 2 2 多元线性回归1 0 2 2 3 结果与分析。1 1 第三章土壤遥感研究。1 3 3 1 土壤遥感研究的理论基础1 3 3 1 1 土壤的光谱特征1 3 3 1 2 土壤光谱模型1 4 3 2 土壤光谱研究1 5 3 2 1 土壤光谱相关数据处理1 5 3 2 2 多元线性回归1 5 3 2 3 结果与分析。1 6 第四章小麦土壤混合模型研究1 7 f 冬 硕士学位论文 m a s t e r st t i e s i s 4 1 小麦土壤混合模型的理论基础j 1 7 4 1 1 小麦土壤的光谱特征1 7 4 1 2 小麦土壤光谱模型1 7 4 1 3 主成分分析：1 8 4 2 小麦土壤遥感研究1 9 4 2 1 小麦土壤相关数据处理1 9 4 2 2 小麦土壤混合模型2 1 4 2 3 结果与分析- 。2 1 第五章小麦光谱特征及估产2 2 5 1 小麦光谱特征。2 2 5 2 小麦估产。2 3 第六章结论与展望。2 4 参考文献2 5 在校期间科研成果2 8 致谢。 2 9 嚣 、 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 1 1 1 研究的背景 近年来，遥感技术的发展为监测、研究植被及其环境电磁信源信息提供了新的 手段，由遥感数据的近红外波段和红外波段产生的归一化植被指数( n o r m a l i z e d d i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ，n d v i ) ，此参数是反映农作物长势和营养信息的 重要参数之一，通过对此参数的测定，可以知道不同季节的农作物对氮的需求 量，从而对合理施氮具有重要的指导作用i3 3 j 。相此对于高时间分辨率的遥感数据， 高分辨率光谱仪数据具有更高的空间分辨率和光谱分辨率，具有更大的应用潜力。 为了更好地基于遥感信息研究植被电磁信源信息，非常有必要研究与植被密切相关 的环境因素。 而我国的人口基数大，可利用土地资源有限，尤其耕地资源更加稀缺。据统计， 2 0 0 5 年度全国共减少耕地1 0 0 2 4 万亩，总量为1 8 3 1 亿亩。截至2 0 0 6 年，全国耕 地面积为1 8 2 7 亿亩，比上年度减少4 6 0 2 万亩。2 0 0 7 年全国耕地面积比上年净减 少6 1 0 1 万亩，2 0 0 7 年全国耕地面积为1 8 2 6 亿亩。2 0 0 8 年度我国耕地面积净减 少2 9 万亩，总量为1 8 2 5 7 4 亿亩。以违法占用耕地面积占新增建设用地占用耕地总 面积比例为例，2 0 0 6 年度是4 8 5 ，2 0 0 7 年度是3 4 ，2 0 0 8 年度是1 4 4 ，2 0 0 9 年度则是1 1 7 。我们知道，耕地的主要作用是生产粮食作物，目前我国的人均耕 地面积仅为1 3 8 亩，远低于世界平均水平，我固有十几亿的人口要养活，在未来的 几年，人口数量仍将处于上升的阶段，耕地数量的减少将会给我国的粮食安全带来 隐患，我们应该严守1 8 亿亩耕地红线这一指标。我国快速城镇化来带来的各种问 题急需解决，土地粗放利用的现象十分普遍，而土地资源的不合理利用所产生的问 题也制约着我们经济的发展，为缓解这一现象，必须要转变观念，改变土地粗放利 用的现状。针对新时期社会经济发展的矛盾，国家提出了科学发展观和建设节约型 社会的战略目标，而集约利用土地资源正式在这一战略目标的基础上形成，也成为 国家关注的一大热点。近年来，虽然幽家加大了国土资源的管理，节约集约利用土 地的水平有所提高，但总体而言还是比较低的。因此，如何在科学发展观的指导下， 提高耕地估产利用水平，减少耕地锐减、环境污染等各项问题，成为一项艰巨的任 ： 硕士学位论丈 m a s t e r st l l e s l s 务 随着人口的逐年增长，耕地资源与人口的矛盾f 1 益尖锐，土地资源的生产能力 能否满足人们的需求，同益受到政府及社会的关注。而与此同时，遥感技术也离我 们的生活越来越近，得到广泛的应用。大范围的农作物长势监测可以为农业政策的 制定和粮食贸易安全提供决策依据，也是农作物产量估测的必要前提。利用遥感技 术监测作物的长势，包括作物的苗情，在农作物生长期内尽早掌握作物生长形势有 的时候比精确估算作物种植面积还重要。尤其对于可能出现的大规模的粮食短缺或 盈余，尽早的获取作物产量对宏观调控至关重要，在粮食贸易方面有巨大的经济利 益，对粮食的价格、流通、存储等相关政策的制定和实施有重大影响。 1 1 2 研究的意义 本文以典型植被冬小麦及其主要的生长环境土壤作为研究对象，利用“高时相 分辨率、高空问分辨率、高光谱分辨率 的遥感数据，全面分析、研究其电磁信源 作用机理和信息表达模型，构建小麦土壤电磁信源模型体系。这对于奠定我国地物 电磁信源学的理论研究基础提供科学可靠的支撑，为提升我国现代化科技综合实 力，具有重要而又深远的意义。 本文的研究目的就是在对小麦土壤光谱电磁信源波谱特性研究的基础上，获取 小麦各物候期波谱特性数据和土壤光谱特征，并从信源的观点出发，研究小麦土壤 光谱电磁信源的作用机理，分析小麦一土壤光谱电磁信源的数学模型或统计规律，讨 论其信息构成、演变、独特性等，构建小麦土壤电磁信源数据模型，为建立地物 环境电磁信源学的理论体系提供科学依据。 1 2 课题研究现状 1 2 1 国内研究现状 改革丌放后，我国城镇化的步伐急剧加快，同时也产生了土地资源不合理 利用，城镇土地过度膨胀等| u j 题，导致我国土地资源的经济价值不断上升，需 求量也日益增加，出现供不应求的现象。同时，建设用地占用耕地现象十分严 重，导致耕地在最近几年急剧减少，给我过的粮食安全造成威胁。这些问题引 起了我国生态学家、经济学家、城市规划学家和地理学家的关注。 2 彳f ； 、 硕士学j 耋论文 m a s t e r st t i e s l s 我国对土地资源的研究可谓历史悠久。早在夏代，禹贡一书就根据土壤 的肥力将土壤分成三等九级，并根据土地的实际利用状况，制定了阳赋等级。 进入周代，周礼一书把全国的土地划分为山林、川泽、丘陵、坟衍和原隰五 类，并分析了不同地类适合种植的农作物。到了春秋时期，管子地员篇一 书融入了植被水文等条件，根据土地的适宜性将土地分为1 8 类，每类下又分5 个土种，一共9 0 个土种，这种划分方式是我国最早丌始了土地适宜性分类的思 想。以后再封建社会思想的影响下，我国土地的研究没有取得什么实质性的进 展四】。在新中国成立之前，我国土地方面的研究主要侧重于土地利用的调查和。 制图，没有全面和系统的对土地科学的研究。进入2 0 世纪5 0 年代后，我国开 始了针对中小区域的自下而上的土地分区研究，而此时的主要目的是确定大农 业的生产方向和结构。2 0 世纪5 0 年代末期，前苏联地理学家伊萨浸科把景观生 态的理论带到了中国，我国学者陈传康、林超、赵松乔、杨纫章等分别在广东、 北京、珠三角等地丌始了较为深入的理论研究引。2 0 世纪7 0 年代，全国基础科 学发展规划提出了编制中国1 ：1 0 0 0 0 0 0 土地资源图、1 ：1 0 0 0 0 0 0 土地类型图、 1 ：1 0 0 0 0 0 0 土地利用现状图，这标志着我国的土地科学进入了一个全新的阶段。 2 0 世纪8 0 年代后，我国著名地理学家吴传钧、石玉林、赵松乔等将澳大利亚和 欧美的土地评价体系引入中国，推动了我国土地评价的进一步发展，此后，我 国的土地方面的研究更加侧重于国土整治、区域治理、资源开发、社会发展等 方面，更为重要的是遥感技术也开始运用到土地研究，随着信息系统的应用， 土地科学的研究更加国际化和系统化。2 0 世纪9 0 年代后，l u c c 即土地利用 土地覆被变化逐步成为全球的研究热点，在我国，国土部也开展了土地利用详 查工作，并开始寻求土地资源优化配置、利用效率和调控模式等的方法u 。 近年来，在耕地估产利用方向运用的比较频繁的模型及趋势主要包括：多因素 综合评价模型啪删、模糊综合评价模型啪1 、主成分分析模型啪1 、理想值修j 下模型口、 b p 网络模型胡但是，前四种方法模型均具有很大的主观性，而b p 网络模型的内部 自适应过程口鲫刚好弥补了这一缺点，唯一的缺点就是需要的数据量比较大，而这一 缺点线性内插法相结合的方法解决。通过查阅大量文献，发现对城市耕地估产利用 的评价，目日订尚未形成一套标准的普遍适用性方法，还是以传统的多因素综合评价 法为主导。现有方法还有许多缺陷，需要进一步的改进和探索新技术新方法在耕地 估产利用中的应用；积极丌展基于g i s 技术和系统动力学模型、多元线性凹归等现 代方法的融合将是未来发展方向。在这一领域做得比较好的专家有：朱红梅等n 副 以长沙市为例，分析了长沙市近8 年来城市耕地估产利用状态；常青等。蚓对深圳市 3 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 耕地估产利用进行a n n 评价分析，显示了深圳市特区内外耕地估产利用的差异； 徐颖等口铂基于g i s 平台，采用多元线性凹归模型，对首都北京的城市空问扩展进行 模拟和预测，揭示了北京市城市空问发展与社会、经济、自然等因子之问的关系， 同时建立了l t m 模型，为城市扩展的模拟和预测提供了一个切实可行值；凌怡莹 等。州将分形理论和多元线性回归方法( k o h o n e n 网络模型) 引入到城镇体系研究中， 以长江三角洲地区城镇体系为的研究对象，探讨长江三角洲地区城镇体系的规模结 构、空间结构和智能结构，同时分别评述了分型理论和多元线性回归方法( k o h o n e n 网络模型) 在城镇体系研究中的优势与不足，- 并提出改进方法。邓祖涛等。坶1 将多元 线性回归运用于长江流域城市等级的划分，为构建合理的城市群、城市密集地区等 城市等级体系提供更有说服力的依据。 1 2 2 国外研究现状 国外利用遥感监测作物产量始于西方发达国家，特别是美国。2 0 世纪3 0 年代， 美国针对西部的大开发引起了严重的生态问题，从此丌始实施限制型的农业保护规 划，并且针对这种情况制定了水土保持和国内生产配给法1 8 j ；到了2 0 世纪6 0 年代， 美国逐渐丌始重视保护农地的数量；在2 0 世纪7 0 年代，贝, t j n 定了土地征用权区划 政策，该政策将土地区划和土地征用权结合起了看待；2 0 世纪8 0 年代后，美国提 出了“土地评价与立地分析”和“农地保护政策法”；2 0 世纪9 0 年代开始，将g i s 、 r s 等先进技术逐步应用在保护农业和农地等方面。而随着农地保护理论研究的逐 步深入，美国将多种手段相结合建立起了农地保护政策体系，即以法律手段做保障， 以土地利用总体规划作为基础，通过应用政策手段来弥补法律手段的不足之处1 9 j 。 加拿大则在2 0 世纪7 0 年代初就在国家政策中提出了要保护农用地，随之开始 制定农地保护计划，计划不仅考虑了土地的自然因素，还考虑了社会因素和经济因 素1 1 0 1 。 日本则考虑到本国的特殊国情，通过大城市的集聚效应来节约耕地、发展农业， 选择了城市发展的道路【1 1 】。1 9 6 1 年，为了保护耕地，农业基本法在日本颁布； 1 9 6 7 年，通过划分“农业发展区域”束保护耕地，并且制定了农业发展地域整备 法1 1 2 】；在2 0 世纪7 0 年代，同本为了解决因耕地面积有限而造成的经济发展受影 响的问题，相继制定了国土利用计划法和全国土地利用计划1 1 3 j 。 现在，幽外在研究耕地保护问题时，已经逐渐引入了g i s 、r s 、g p s “3 s ” 技术，并且取得了良好的效果。除此之外，研究耕地预警系统和耕地动态监测系统， 已经取得了一定的成果i l 4 。 4 硕士学位论天 m a s t e r st h e s i s 国外以发达国家比如美国、同本和欧洲等国为主要研究范围的学者们，在研究 耕地保护的问题时更多的关注重点放在耕地非农化过程埘环境的影响等方面，而以 亚洲、中美洲等国为主要研究范围的学者们，在研究耕地保护的问题时则是将研究 的重心放在耕地非农化对国家粮食供给产生的影响和政府应该采取哪些调控措施 等方面f 1 5 j 。 如果人口超过了规定的数量，则要重新建立新的城市。这个理想的居住地是在 当时资本主义经济快速发展的基础上提出，当时经济的发展以牺牲环境为代价，城 市人口盲目膨胀，并引发了各种社会问题和城市病。1 9 0 3 年i 在“田园城市”思想 的引导下，在英国建立了第一座宜居的阡1 园城市：莱奇沃思( l e t c h w o r t h ) ，而后， 欧洲各地纷纷效仿，掀起了构造“田园城市”的高潮，人们也越来越注重居住 的环境。1 9 2 2 年，法国建筑师柯布西埃提出了现代城市设想的规划方案，他认 为目前城市的现状已经跟不上现代经济发展的潮流，必须要进行彻底的革新彳 行。城市应该向高空发展，城市的建筑基地面积应该只占城市总面积的5 ，其 余的土地则用来建造基础设施，如公园、体育场等。他首次指出了城市应该集 中发展的原则，这一理论与城市土地的集约利用有着直接的联系。1 9 4 2 年，芬 兰建筑师e 沙里宁在其著作城市：他的发展、衰败和未来中提出了有机疏 散理论，该理论是为缓解当时城市过度集中而产生的各种矛盾而提出。他认为 城市是一个有机体，他内部的构成与秩序跟生命是一样的，如果内部的秩序被 破坏了，那么整个系统也会瘫痪。同样，一个合理的可持续发展的城市，应该 具有良好的内部构造，这样才能健康的发展。他认为重工业和轻工业都应该搬 离城市的中心，腾出地方来增加绿地的面积和提供人们居住。有机疏散理论对 二战后欧美各国的新建和旧城改造都有着深刻的影响。 1 3 研究目标、内容及思路 1 3 1 研究目标 本文主要研究小麦和土壤的电磁信源特征及其模型的构建。小麦信源研究主要 通过对小麦整个生长周期内的光谱数据的采集，通过对小麦的光谱反射率的分析， 研究影响小麦光谱的各种因素，直至追踪至信源；进而研究小麦内部、外部电磁信 源的相互作用机理；结合小麦物候期高光谱监测结果，研究小麦的电磁信源模型。 土壤信源研究主要基于土壤中许多成分在太阳反射光谱范围内具有诊断性吸收的 5 7 = 、。 乙 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 特征，从土壤地球化学、几何光学散射以及植被三方面对土壤光谱特征进行研究， 探索土壤信源分析技术手段，构建土壤光谱的分析模型。在此基础上，研究小麦 土壤混合信源的形成机理、表达模型和解混方法；最终建立小麦土壤电磁信源应用 模型库。利用小麦反射率的变化，结合小麦生育状况和籽粒产量，进行小麦估产。 1 3 2 研究内容 本文研究内容主要分为五大部分： 一是绪论。主要阐述研究的目的和意义，对研究的背景进行分析，介绍国内外 研究动态及主要研究方法，并概括研究的主要目标、内容和思路。 二是小麦遥感研究。主要研究影响小麦光谱的各种因素，直至追踪至信源；研 究小麦信源的相互作用机理；搜集、归纳和整理出小麦信源表达的各种模型；结合 小麦信源相互作用机理建立模型。 三是土壤遥感研究。主要研究影响土壤光谱的各种因素，直至追踪至信源；研 究土壤信源的相互作用机理；搜集、归纳和整理出土壤信源表达的各种模型；结合 土壤信源相互作用机理建立模型。 四是小麦土壤混合模型研究。主要研究小麦土壤混合信源的形成机理、分析 和归类、表达模型和解混方法。 五是小麦光谱特性和估产。主要研究在小麦整个物候期内光谱的变化特征，结 合小麦生育状况和籽粒产量，进行小麦估产。 1 3 2 研究方法和思路 1 3 3 1 研究方法 ( 1 ) 资料文献法 通过收集、检索、查阅国内外高光谱数据库相关的书籍和文献，分析、对比、 总结前人的科研成果和工作经验，完成小麦土壤电磁信源学基础理论、方法、模型 的构建。在此基础上，结合其它相关学科理论( 如：应用数学) ，完善本文的理论、 方法、模型体系。 ( 2 ) 模型分析法 运用应用数学模型( 线性模型、几何光学模型等模型) 构建小麦土壤电磁信源 模型，使用统计分析方法( 多元统计分析、主成分分析等) 分析各种模型在小麦 土壤电磁信源学研究中扮演的角色和发挥的作用。 6 f 。 硕士学位论炙 m a s t e r st l i e s l s ( 3 ) 实例验证法 将本文拟研究的小麦一土壤电磁信源模型应用于湖北省潜江市的小麦种植项目 区，对比理论预期成果和实际应用结果，充分验证本文拟取得成果体系的可行性和 科学性。 1 3 3 2 技术路线 技术路线：见图1 1 。 图1 1 ：研究技术路线图 7 7 7 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章小麦遥感研究 2 1 小麦遥感研究的理论基础 2 1 1 小麦物候观测指标 由于健康的绿色植物的波谱特征主要取决于叶子，而在可见光谱段内，植物的 光谱特性主要受叶的各种色素的支配，其中叶绿素起主要作用；在近红外谱段内， 植物的光谱特征取决与叶片内部的细胞结构，叶的反射及投射能相近( 4 5 5 0 ) ， 而吸收能很低；在短波红外谱内，植物的入射能基本上均吸收或反射，投射极少， 植物光谱特性受叶子总含水量控制，叶子反射率与叶内总含水量约呈负相关，即反 射总量是叶内含水量及叶片厚度的函数。 鉴于以上原因，对小麦叶片进行整个生物期的光谱反射率采集，观测结果详细 到天，同时记录了小麦所处的生育期以及环境因素等。 2 1 2 小麦物候监测内容 2 1 2 1 小麦物候监测参数 因此我们观测的主要参数包括小麦叶片的光谱数据、采样的时间及天气状况、 小麦叶片的n 、p 含量、小麦叶绿素值。 2 1 2 2 小麦物候参数监测方法 ( 1 ) 小麦叶片光谱数据 小麦叶片光谱数据的采集使用美国a s d 公司制造的f i e l d s p e c3 便携式地物光 谱仪，其主要技术指标如下： 探测器：3 5 0 1 0 0 0 n m ，低噪声5 1 2 阵元p d a ，1 0 0 0 1 8 0 0 n m 及1 7 0 0 2 5 0 0 n m ， 两个i n g a a s 探测器单元，t e 制冷恒温； 波长范围：3 5 0 2 5 0 0 n m ； 采样时间短至1 0 次秒： 波长精度：+ 一l n m ； 8 1 。1 。1 。1 。1 。1 。1 。 一 f 冷 j 硕士学位论文 m 人s j e r st