基于MPDI的灌区土壤墒情遥感监测技术研究

卫星遥感技术对及时掌握土壤墒情,优化水资源调度与配置具有重要意义。利用国产中高分辨率卫星,并采用修正垂直干旱指数(Modified Perpendicular Drought Index,MPDI)对黑河中游灌区进行土壤墒情遥感动态监测,分析灌区2017年土壤墒情变化。结果表明,2017年黑河中游灌区土壤墒情整体较好。此外,MPDI模型具有精度高、范围广、时效快、全物候期的优势,可以长期应用于黑河中游灌区的土壤墒情遥感监测。

MPDI在微波辐射计植被覆盖区土壤水分反演中的应用

大尺度上的土壤水分变化监测对于建立全球的水循环模型意义重大,是实现气候变化预测和洪涝监测的基础。星载辐射计为实现大尺度上土壤水分的监测提供了监测途径。但是在星载辐射计观测时,地表植被层的吸收和散射作用会对土壤向上的微波辐射产生衰减影响,这种影响在反演土壤水分的过程中必须予以计算和消除。原有的反演算法中,在计算这部分影响的时候,需要大量的关于地表植被状况的辅助数据,而这些即时的辅助数据往往不易获得。以AMSR-E数据为例,研究证明了微波极化差异指数(MPDI)能够反映地表植被覆盖状况。以中国华北、华东地区为实验区,选择2004年4月8日的AMSR-E亮温数据和MOD IS数据为样本数据,建立起MPDI与NDVI之间的负指数关系方程。基于对NDVI的认识,得到植被覆盖度高、中、低三种状况所对应的MPDI域值,以此域值为依据对中等植被覆盖度地区作出自动判断,并用MPDI计算植被层不透明度。

基于多时相土壤线一致性修正的土壤含水率反演

传统上依赖改进型垂直干旱指数(modified perpendicular dryness index,MPDI)进行土壤水分反演时每个时期的影像反演都需要依赖于地面实测数据进行校准。为降低土壤含水率反演对实测数据的依赖,该研究利用2020—2021年间的哨兵2号卫星数据,分析了近红外与红光波段特征空间中土壤线斜率的变化及其影响因素。并推导了土壤线斜率变化对土壤含水率反演的影响,揭示了MPDI反演土壤含水率时每期都依赖实测数据校准的根本原因,最终提出了一种土壤线一致性修正方法。基于这种修正,该研究构建了一个能够多时相比较的再修正干旱指数(re-modified perpendicular drought index,RPDI)。结果表明,经过统一率定的RPDI与土壤含水率的回归方程在不同时相的影像上均适用,反演结果显示了良好的精度,率定集决定系数R^(2)为0.49,无偏均方根误差为2.88%,验证集决定系数R^(2)为0.54,无偏均方根误差为3.05%,与MPDI每期单独构建回归方程反演相比,RPDI基于统一方程反演与其保持了相近的精度水平,极大减少了在遥感土壤含水率估算中对地面实测数据的依赖,有效提升了遥感技术在土壤水分监测中的应用价值。研究可为光学遥感数据在大范围连续土壤水分反演领域的应用研究提供参考。

PDI与MPDI在内蒙古干旱监测中的应用和比较

以内蒙古明安镇为试验区,基于TM遥感影像对PDI和MPDI两种干旱监测方法进行了应用、验证和比较。试验表明,PDI、MPDI与植被覆盖区实测土壤含水量的相关系数的平方分别为0.37、0.535 5,这两种指数在试验区进行干旱监测具有一定的可行性,且MPDI的监测精度高于PDI。此外,通过整个试验区PDI和MPDI空间分布格局的比较以及这两种指数值与植被覆盖区实测土壤含水量的对比分析,发现在整个试验区,两者的监测结果基本一致,但在植被覆盖区,MPDI的干旱监测效果要明显好于PDI,这主要是因为MPDI考虑了植被覆盖的影响。

基于改进YOLOv8的自然环境下柑橘果实识别

为实现柑橘果实的精准快速识别,提出了一种改进YOLOv8网络模型。首先将YOLOv8网络模型中的部分传统卷积替换为ODConv全维动态卷积,以增强YOLOv8网络模型在复杂的自然环境下的适应能力,然后将YOLOv8的CIoU损失函数替换为MPDIoU损失函数,解决了CIoU损失函数在特殊情况下退化的问题,接着通过消融试验,分别验证了ODConv全维动态卷积与MPDIoU损失函数的有效性,改进后YOLOv8n、YOLOv8s、YOLOv8m、YOLOv8l、YOLOv8x的平均识别精度mAP分别从86.40%、88.92%、88.97%、88.99%、89.11%提高至88.25%、89.32%、89.57%、89.90%、90.12%。试验结果表明,ODConv全维动态卷积与MPDIoU损失函数能有效提高YOLOv8网络模型在自然环境下的柑橘果实识别能力。

可拆卸金属框架式厨柜系统设计

随着经济的快速增长、生活品质的提高和居住环境的改善,集烹饪、洗涤、储藏为一体的整体厨柜家具日益受到关注。相比传统的板式结构,金属框架结构灵活轻便,可将家具设计成安装简易、可相互拼接、自由组合的形式,以增强厨柜产品对于厨房空间的适应性。采用文献研究法梳理模块化设计原则并通过调研分析法归纳现行金属铝型材框架接合、与横纵向板材接合方式,梳理其在外观、结构等方面的优缺点,为金属框架模块化的设计提供实现依据。最后输出以金属铝型材为支撑框架,木制板材为嵌入板材的可拆卸插接式厨柜设计方案,通过后装式零部件实现厨柜损坏部件局部更换,进而延长整体厨柜产品的使用寿命,同时提高厨柜的模块化程度,适应不同厨房设备安装和用户使用需求,为厨柜的大规模生产定制提供参考。

考虑人类活动用水的土壤含水量神经网络反演

为在利用神经网络对地表土壤含水量的模拟中,实现对降水等天然要素和人类活动用水的综合考虑,以MPDI(modified perpendicular drought index)作为人类活动作用下的地表干湿状况指标,结合传统的天然要素构建土壤含水量神经网络模型,对河北省2018年地表土壤含水量进行了模拟。结果表明:考虑MPDI的土壤含水量模拟结果与实测值一致性较好,训练期相关系数为0.7,验证期为0.5;分析了神经网络的土壤含水量结果在单一日期不同站点的空间分布情况,在示例日期的相关系数是0.67,模拟结果能较好地体现土壤含水量的空间异质性;模拟结果与SMAP(soil moisture active and passive)土壤含水量产品在河北省具有较好的一致性,均为夏季高、春季低,东部平原高、西部和北部山地低。

利用AMSR-E微波辐射计对地表粗糙度参数的一种新标定方法

在利用微波辐射计进行对地观测的过程中,陆地表面特性参数(如土壤水分、土壤粗糙度和植被冠层)是土壤微波辐射的重要影响因素。地表粗糙度的标定对于利用微波辐射计数据反演地表参数而言是十分重要的工作。地表粗糙度参数(h和Q)随着观测频率而变化。通常的标定方法是,假设h的空间分布是变化的,Q在全球均一地分布,则在沙漠地区首先采取h=0的近似,再对Q进行标定。但是事实上,h和Q在全球的分布都是变化着的,这与地面环境状况有关。以AMSR-E数据为例,在对MPD I分析的基础上,推导给出了简单的、基于理论模型的参数Γ。Γ可以直接由观测亮温值计算得到,它是一个与土壤水分无关,仅与植被层含水量wc和土壤粗糙度σ有关的参量,因此它可以用于地表粗糙度的标定和对植被层含水量、植被生长/变化的估计。本文选择干旱季节里的北非地区,在没有对h采取任何假设的前提下,利用参数Γ实现了对地表粗糙度参数h和σ的标定,并与原有标定方法的结果做了比较分析。

基于AMSR-E被动微波遥感数据的广东省土壤水分变化监测

概述了植被覆盖地表微波辐射传输模型的原理和表示方法,指出在地表粗糙度、植被层和大气等影响相似的情况下,微波极化差异指数的变化突显土壤水分变化。利用AMSR-E星载被动微波遥感亮度温度数据,计算分析地表微波极化差异指数(MPDI)的月平均分布,以广东省为试验区,获得了2004―2009年10月份广东省10.7GHz通道的MPDI月距平值△MPDI的统计分布,绘出研究区土壤水分变化程度分布图,并与研究区降水情况作比较。结果表明,距平值的大小反映了研究区土壤水分发生异常的程度,能为监测研究区干旱洪涝发生的等级提供了一种有效便捷的方法。

星载微波辐射计计算植被光学厚度研究

大尺度的土壤水分变化监测对于建立全球的水循环模型意义重大,是实现气候变化预测和洪涝预警的基础。星载辐射计为实现大尺度土壤水分的监测提供了有效途径。由于地表植被对地表的上行微波辐射存在衰减作用,已有的反演算法过程中需要大量的地表植被信息辅助数据来计算地表植被层的影响,其中一个重要的参数就是植被光学厚度。该文基于地表微波辐射传输模型,分析微波极化差异指数(MPDI)与植被光学厚度的关系,结果表明6.9GHz通道MPDI与地表的植被覆盖度之间存在一定的负相关关系。在此基础上,该文建立了MPDI反演植被光学厚度的方法,并应用于土壤水分反演。实验中采用2004年AMSR/AMSR-E的亮温数据计算我国植被光学厚度并进行土壤水分反演,反演结果表明MPDI计算地表植被光学厚度能够取得较好的效果。

基于HJ-1A/1B CCD数据的干旱监测

HJ-1A/1B是中国以防灾减灾和环境监测为直接应用目标的小卫星星座,为探讨HJ-1A/1B CCD数据在快速监测西南喀斯特地区旱情变化的应用潜力,以2010年遭受严重旱灾的贵州安顺地区为研究区,基于多时相的HJ-1A/1B CCD数据,利用垂直干旱指数、改进的垂直干旱指数和归一化植被指数对研究区的干旱情况和植被长势进行时间序列的监测与分析,并研究了监测模型在干旱监测中的适宜性、差异性及影响因素。结果表明,利用HJ-1A/1B CCD数据、垂直干旱指数和改进的垂直干旱指数,可以实现对旱情变化的快速监测;改进的垂直干旱指数对干旱变化的响应比垂直干旱指数敏感,且在植被覆盖较好地区的监测效果比垂直干旱指数更为有效;降水是影响监测效果的重要因素,降水对改进的垂直干旱指数的影响比垂直干旱指数大;结合干旱监测指数(MPDI,PDI)与植被指数NDVI的时间序列分析,可以更为准确地监测研究区实际旱情变化和植被长势情况。该研究对推广HJ-1A/1B数据在西南喀斯特地区的作物长势和旱情监测中的应用,以及提高中国应对突发灾害的决策能力具有重要意义。

植被覆盖地区AMSR-E反演土壤水分算法研究

在已有基于微波辐射传输模型的反演算法基础上，对2003年中国5种地区的AMSR-E观测数据进行了比较分析，引入了微波极化差异指数（MPDl）概念，提出了一种自动区分地面植被覆盖情况的方法。使用这种方法，反演过程中无需地面土地利用分类的辅助数据，同时在对有植被覆盖地区消除植被层的影响的过程中，改进了Richard提出的计算植被消光系数的方程，提高了反演应用中的运算效率。最后给出了AMSR-E反演土壤水分的工作流程，并对反演结果进行了分析。

基于多种卫星的县级尺度干旱监测指数比较——以河北玉田县为例

为确定不同遥感数据源在县级尺度进行干旱监测的能力,利用环境减灾卫星、SPOT4和RAPIDEYE数据分别构建了垂直干旱指数、修正垂直干旱指数和温度植被干旱指数,以河北玉田县为例进行了对比研究。结果表明,基于环境减灾卫星的垂直干旱指数和修正垂直干旱指数变化与RAPIDEYE趋势一致,在冬小麦拔节期,当土壤含水量较高时,两指数值起伏变化不明显;在抽穗期,两指数能较好反映各层土壤含水量的起伏变化。而基于SPOT4的修正垂直干旱指数在一定程度上反映土壤含水量的变化特点,垂直干旱指数对土壤含水量变化不敏感。从数据源选取角度,环境减灾卫星和RAPIDEYE在县级尺度具有较好的干旱监测能力。由于基于环境减灾卫星的温度植被干旱指数与冬小麦单产具有显著以上水平的相关性,据此建立的线性估产模型是一种简单易行的旱灾预警模型。

基于宽范围动态植被指数的高分四土壤湿度反演

土壤水分(SM)在农业生产、大气科学和环境监测中具有重要作用。为克服植被覆盖对SM探测的影响,众多基于归一化植被指数(NDVI)的干旱指数模型先后被提出。然而,NDVI在中高度植被覆盖区域易发生饱和,从而有可能降低SM的反演精度。为充分发挥高分四高时空分辨率的优势,以高分四红光波段反射率(Rred)、近红外波段反射率(Rnir)和宽范围动态植被指数(WRDVI)为解释变量,SM实测值为因变量,采用多元线性回归建立了贵阳市SM反演模型(下称MLR_W),并将MLR_W模型与基于垂直干旱指数(PDI)、改进型垂直干旱指数(MPDI)和植被调整垂直干旱指数(VAPDI)的一元线性回归模型(下分别称SM_P、SM_M和SM_V模型),以及以Rred、Rnir和NDVI为解释变量的多元线性回归模型(下分别称MLR_N)的建模精度和SM反演精度进行了比较分析。实验结果表明:由于顾及了中高度植被覆盖的影响,MLR_W较SM_P、SM_M、SM_V和MLR_N模型取得了更高的模型拟合精度,模型拟合平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为5.05%和6.38%;MLR_W模型SM预测精度高于除SM_M外的其他三种模型,SM反演的MAE和RMSE分别为5.17%和6.29%。但由于MLR_W模型无需确定土壤线,实际工作中较SM_M更易于实施。

溴丙烯在800 nm和400 nm飞秒激光强场下的解离电离

利用自行搭建的飞行时间质谱仪,在800nm和400nm飞秒激光强场下对溴丙烯分子进行了电离解离过程的探究.通过分析离子产物的产率与激光功率的依赖关系并结合Keldysh因子计算,给出了实验中母体分子的电离机制;理论上,利用量子化学计算软件(Gaussian 09),对分子的化学键柔性力常数、反应通道出现势进行了计算,确认了溴丙烯分子的电离解离通道,发现了非共振多光子吸收导致的多个化学键的同时断裂,解释了母体分子离子电荷布局对反应路径的影响.

基于Landsat 8数据的干旱监测研究

为确定遥感干旱监测在东北地区的适用性,选取黑龙江省安达市为研究对象,利用最新的Landsat 8遥感影像数据,建立了温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)和改进的垂直干旱指数(modified perpendicular drounght index,MPDI)。并通过实测土壤含水量数据,对两种干旱指数进行验证和比较。结果表明,利用Landsat 8数据,通过两种遥感干旱指数在试验区进行干旱监测有一定的可行性,且TVDI的监测精度要高于MPDI。该研究对推广Landsat 8数据在东北地区旱情监测中的应用,以及提高中国应对突发灾害的决策能力具有重要意义。

光伏阵列对土壤水分的影响研究

以青海省共和县南部的龙阳峡光伏电站为例,利用多景Landsat影像,结合月降水数据,并采用改进型垂直干旱指数(modified perpendicular drought index,MPDI),判断光伏电站建成前、后光伏阵列覆盖区和不同缓冲区范围内土壤水分的变化情况。研究结果表明,光伏阵列会对这些范围内的土壤水分产生不同程度的影响,并且距离光伏阵列覆盖区越远,土壤水分受到的影响越小,距离光伏阵列覆盖区1400 m后,土壤水分受到的影响会变得十分微弱。研究结果可为客观评价光伏电站对环境产生的影响提供借鉴。

基于高分一号影像的江汉平原表层土壤湿度指数反演研究

土壤湿度指数遥感监测在农业生产中具有重要的作用。为探讨国产高分一号(GF-1)遥感数据在江汉平原农情参数快速获取中的适用性,以潜江市2017年3月8日的GF-1 WFV影像和106个采样点的土壤湿度实测数据为数据源,选择垂直干旱指数(PDI)、改进型垂直干旱指数(MPDI)和植被调整垂直干旱指数(VAPDI),对土壤湿度指数反演的效果进行比较和验证。研究结果表明:PDI、MPDI、VAPDI与土壤湿度实测含水量的决定系数分别达到0.649、0.802和0.821,实测土壤含水量验证精度评价也表明各模型均能满足反演的精度要求,说明基于GF-1 WFV影像开展江汉平原的大尺度土壤湿度反演是可行的;在植被覆盖中等区域,MPDI和VAPDI能够在一定程度上克服混合像元对土壤湿度光谱信息的影响,反演的精度要比PDI高,但在高植被覆盖度区,采用垂直植被指数(PVI)修正的VAPDI不易出现植被覆盖饱和现象,具有更高的反演精度;基于3种指数模型反演的土壤湿度指数空间异质性基本一致,但MPDI、VAPDI对土壤湿度变化更为敏感,能反映出不同植被覆盖类型下土壤湿度的实际水平。研究结果可为江汉平原大范围和动态监测表层土壤湿度指数提供理论基础和实践参考。

基于改进型垂直干旱指数的塔里木河流域绿洲与荒漠区干旱时空变化对比

利用2001—2013年8天合成MODIS A1时间序列数据计算改进型垂直干旱指数(MPDI),应用趋势性分析、重标极差(R/S)分析等方法研究了塔里木河流域绿洲与荒漠区干旱时空变化状况及其可能原因。结果表明:在过去13年,塔里木河流域绿洲与荒漠区总体呈湿润趋势,绿洲稳中转湿,湿润趋势较明显且幅度较大;而荒漠区相对稳定,湿润趋势相对较小。绿洲与荒漠大部分地区未来变化趋势与过去13年变化趋势呈现较高的一致性。塔里木河干流上游、中游部分地区、尉犁县部分灌区等区域出现持续性干旱迹象,应引起相关管理部门的重视。

被动微波遥感植被指数在中国的应用研究

微波遥感具有全天候、全天时和穿透性强等特点,利用微波遥感数据提取的植被指数适用于植被的实时监测,文中试图找到一种适用于中国地区的被动微波遥感植被指数。首先利用2003-2011年中国地区每日的被动微波遥感数据(AMSR-E)计算了5种植被指数;然后选取落叶林、草地、农田三种典型植被区,分析5种植被指数随着季节变化的特征;最后在全国对5种植被指数与相应时间序列的归一化植被指数(NDVI)进行了相关性分析,并利用显著性检验对相关性分析结果进行了评价。结果表明:利用升轨微波遥感数据(36.5GHz)计算的微波极化差异指数(MPDI36.5)可以有效地监测中国地区的植被状况。