技术领域本发明涉及一种L波段森林透过率的测量方法，属于森林参数测量技术领域。
背景技术：
总面积40亿公顷，占陆地总面积30％的森林是地球上规模最大、生态功能最完善的陆地生态系统，在水循环、碳循环、能量循环和保持生态平衡等方面具有不可替代的作用。因此，森林生物物理参数和森林覆盖下的土壤水分、冻融状态和积雪参数的定量观测与遥感反演对森林生态系统功能、全球环境变化、碳源汇等研究至关重要。L波段具有强穿透性，能够穿透森林冠层探测到森林覆盖下的土壤水分、冻土深度和冻融状态等参数，已成为被动微波遥感森林下地表参数反演的主要波段。但尽管如此，L波段信号在穿透森林冠层的同时也受到森林散射和森林自身辐射的影响。森林冠层包含不同形状、不同尺寸和不同介电特性的散射体，其微波辐射与散射传输过程极为复杂。加强对森林微波辐射传输性质的深入认识，将有助于提升基于L波段星基微波亮温数据的地表参数反演能力，从而能够服务于全球陆表参数的时空变化特性研究。森林透过率是影响森林微波辐射传输特征的基本性质之一，其准确测量与估算影响着基于星载微波辐射计亮温的森林及林下参数的反演精度。但现有技术中，尚没有测量森林透过率方法。
技术实现要素：
本发明的目的是如何提供一种测量过程简单、测量准确度高的L波段森林透过率的测量方法。本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。L波段森林透过率的测量方法，步骤如下：步骤一、将旋转云台固定在底座上，将微波辐射计固定在旋转云台上，微波辐射计的天线与旋转云台的水平轴线平行，将旋转云台和微波辐射计分别与电源连接，并将旋转云台和微波辐射计分别与数据终端连接；步骤二、接通旋转云台的电源，旋转云台开始自检；步骤三、旋转云台自检结束后，调整底座，使微波辐射计的天线与水平面平行；步骤四、接通微波辐射计的电源，待微波辐射计稳定工作后，打开数据终端，设置微波辐射计的高度角扫描范围、高度角扫描间隔、方位角扫描范围及方位角扫描间隔；步骤五、开启自动扫描功能，旋转云台在数据终端的控制下带动微波辐射计转动，微波辐射计按设定的高度角扫描范围、高度角扫描间隔、方位角扫描范围及方位角扫描间隔对森林扫描，得到森林下行微波辐射亮温TB(p,θ)；步骤六、通过森林透过率的计算公式(4)，计算森林透过率t；t＝(TV–TB(p,θ))/(TV–TB,sky)(4)式中，TB(p,θ)为森林下行微波辐射亮温，TV为实测森林温度，TB,sky为天空下行微波辐射亮温。进一步的，在步骤二之前，将底座置于平面上。进一步的，步骤一中，旋转云台的旋转高度角范围为0-90°，旋转方位角范围为0-360°。进一步的，步骤三中，通过罗盘调节底座，使微波辐射计的天线与水平面平行。进一步的，步骤四中，微波辐射计在接通电源后10-30min工作稳定。进一步的，步骤四中，设定微波辐射计的高度角扫描范围为20-70°，高度角扫描间隔为5°。进一步的，步骤四中，设定方位角扫描范围为0-180°，方位角扫描间隔为30°。进一步的，方位角扫描范围内有多个值，对森林扫描是先在固定高度角下，以方位角扫描间隔为间隔扫描多个方位角，至方位角扫描范围结束，然后以高度角扫描间隔为间隔变换一个新的固定高度角，再在该新的固定高度角下，以方位角扫描间隔为间隔扫描多个方位角，至方位角扫描范围结束，以此类推，直至高度角扫描范围结束；固定高度角下的森林透过率为该高度角下不同方位角的森林透过率t的平均值。进一步的，方位角扫描范围内只有一个值，对森林扫描是在固定的方位角，以高度角扫描间隔为间隔扫描多个高度角，直至高度角扫描范围结束；固定高度角下的森林透过率为该高度角下及该方位角下的森林透过率t。进一步的，步骤六中，实测森林温度采用红外温度计测量。与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明的L波段森林透过率的测量方法，搭建由底座、旋转云台、微波辐射计、电源和数据终端构成的测量装置，通过数据终端控制旋转云台旋转，从而带动微波辐射计在不同高度角和不同方位角下对森林下行微波辐射亮温进行测量，在此基础上，结合微波辐射传输理论，根据测量的森林下行微波辐射亮温、森林温度和假设的天空下行微波辐射亮温计算出L波段的森林透过率。测量过程易操作，计算过程简单，测量结果准确，是测量L波段森林透过率的有效方法。附图说明图1为本发明的L波段森林透过率的测量方法搭建的装置示意图；图2为实施例1实测白桦林森林透过率与理论模型结果的对比图；图3为实施例2实测落叶松森林透过率与理论模型结果的对比图；图中，1、电源，2、微波辐射计，3、旋转云台，4、底座，5、数据终端。具体实施方式以下结合附图进一步说明本发明。如图1所示，L波段森林透过率的测量方法，步骤如下：步骤一、搭建测量装置，测量装置包括电源1、微波辐射计2、旋转云台3、底座4和数据终端5。其中，微波辐射计2的底面固定在旋转云台3的顶面上，微波辐射计2的天线与旋转云台3的水平轴平行，微波辐射计2可以通过采用商购获得，如型号为JYR-L-01，频率为1.4GHz，带宽为40M，主波束宽度为15°的微波辐射计。旋转云台3的底面固定在底座4的顶端，旋转云台3带动微波辐射计2转动，实现微波辐射计2的高度角和方位角的调节，旋转云台3的型号可以为JYT-01，旋转方位角范围为0-360°，分辨率为0.5°，旋转高度角范围为0-90°，分辨率为0.5°，负载为40kg。电源1分别与旋转云台3和微波辐射计2连接，给旋转云台3和微波辐射计2供电，电源1一般采用蓄电池，如型号为SAIL-6-QA-195，额定电压为12V的蓄电池。数据终端5分别与旋转云台3和微波辐射计2连接，数据终端5控制旋转云台3转动，与微波辐射计2进行数据通讯，记录并处理微波辐射计2的测量数据，数据终端可以为PC机。步骤二、将底座4放置在测量位置上，为方便后续调节，通常将底座4置于近似平面上；接通旋转云台3的电源，旋转云台3开始自检，自检后，旋转云台3归零；步骤三、旋转云台3自检结束后，利用罗盘仪，调整底座4，使微波辐射计2的天线与水平面平行；步骤四、接通微波辐射计2的电源，微波辐射计2开始预热，10-30min后，微波辐射计2稳定工作，打开数据终端5，设置微波辐射计2的高度角扫描范围、高度角扫描间隔、方位角扫描范围及方位角扫描间隔；需要说明的是，高度角扫描范围、高度角扫描间隔、方位角扫描范围及方位角扫描间隔皆可根据实际需要测量的森林的面积设置，如森林面积较大，同一高度角下的森林透过率可能不均匀性，方位角优选为多个值，扫描间隔不为零；如果森林面积较小，方位角优选为一个值(正对森林方向)，扫描间隔为零；一般方位角扫描范围为0-180°，方位角扫描间隔为30°，高度角扫描范围为20-70°，高度角扫描间隔为5°；步骤五、开启自动扫描功能，旋转云台3在数据终端5的控制下带动微波辐射计2转动，微波辐射计2按设定的高度角扫描范围、方位角扫描范围、高度角扫描间隔及方位角扫描间隔对森林扫描，得到森林下行微波辐射亮温TB(p,θ)；通常，如果方位角扫描范围内有多个值，对森林扫描过程优选是，在固定的高度角(高度角扫描范围的起始值)下，以方位角扫描间隔为间隔，分别测量方位角扫描范围内的多个方位角的TB(p,θ)，然后以高度角扫描间隔为间隔，变换一个新的固定高度角，再在该新的固定高度角下，以方位角扫描间隔为间隔扫描方位角扫描范围内的多个方位角，至方位角扫描范围结束，以此类推，直至高度角扫描范围结束；如果方位角扫描范围内只有一个值，对森林扫描过程优选是，在固定方位角下，以高度角扫描间隔为间隔扫描多个高度角，直至高度角扫描范围结束；步骤六、通过森林透过率的计算公式(4)，计算森林透过率t；t＝(TV–TB(p,θ))/(TV–TB,sky)(4)式中，TB(p,θ)为森林下行微波辐射亮温，TV为实测森林温度，可以采用红外温度计测量，TB,sky为天空下行微波辐射亮温，TB,sky的值可以假设为定值5K，也可根据大气阔线数据进行计算(Pellarinetal.,2003；Pellarinetal.,2006)，本领域技术人员普遍假设为定值5K；通常，如果方位角扫描范围内多个值，固定高度角下的森林透过率优选为该高度角下不同方位角的森林透过率t的平均值；如果方位角扫描范围内只有一个值，固定高度角下的森林透过率为该高度角下及该方位角下的森林透过率t。本发明中，公式(4)的推导过程如下：根据能量守恒定理，微波辐射计2测量的森林下行微波辐射亮温TB(p,θ)由三部分构成，可以表示为：TB(p,θ)＝r·TB,UP+(1–r–t)·TV+TB,sky·t(1)其中，r和t分别表示森林的反射率和透过率，TV表示实测森林温度，TB,sky表示天空下行微波辐射亮温，TB,UP表示上行的土壤辐射及被反射的森林下行辐射之和，可以表示为：TB,UP＝es·TS+(1–es)·TB(p,θ)(2)其中，es为地表发射率，TS为地表有效温度。变换等式(1)可得到森林透过率t的表达式：t＝(TV+rΔT–TB(p,θ))/(TV–TB,sky)(3)其中，ΔT＝TB,UP-TV，TB,sky的值可以假设为定值5K，也可根据大气阔线数据进行计算(Pellarinetal.,2003；Pellarinetal.,2006)，在以往的研究中(1994；Guglielmettietal.,2007；Pardéetal.,2005)，认为rΔT/(TV-TB,sky)的取值约为0.004，在计算t的过程中可以被忽略。这是因为等式(2)中的地表发射率接近于0.95，因此即使TB(p,θ)与TS差异较大时，TB,UP仍然非常接近于TS，而TS近似等于TV，因此ΔT的取值一般非常小，而r的取值通常在0.1附近。因此，我们可以忽略rΔT，从而根据等式(3)得到了森林透过率的表达形式：t＝(TV–TB(p,θ))/(TV–TB,sky)(4)将测量得到的森林下行微波辐射亮温TB(p,θ)，实测森林温度TV和天空下行微波辐射TB,sky(≈5K)带入等式(4)，就能计算出森林透过率t。以下结合实施例进一步说明本发明。实施例1L波段白桦林(平均胸径5.1cm，平均树高12m，树密度为0.29颗/m2，材积量为129m3/ha)的透过率的测量方法，步骤如下：步骤一、将微波辐射计2的底面固定在旋转云台3的顶面上，微波辐射计2的天线与旋转云台3的水平轴线平行，微波辐射计2的型号为JYR-L-01，频率为1.4GHz，带宽为40M，主波束宽度为15°的微波辐射计；将旋转云台3的底面固定在底座4的顶端，旋转云台3带动微波辐射计2转动，实现微波辐射计2高度角和方位角的调节，旋转云台3的型号为JYT-01，旋转方位角为0-360°，分辨率为0.5°，旋转高度角为0-90°，分辨率为0.5°，负载为40kg；旋转云台3和微波辐射计2分别与蓄电池连接，蓄电池型号为SAIL-6-QA-195，额定电压为12V的蓄电池；旋转云台3和微波辐射计2分别与数据终端5连接，数据终端5控制旋转云台3转动，与微波辐射计2进行数据通讯，记录并处理微波辐射计2的测量数据；步骤二、接通旋转云台3的电源，旋转云台3开始自检，自检后，旋转云台3归零；步骤三、旋转云台3自检结束后，利用罗盘仪，调整底座4，使微波辐射计2的天线与水平面平行；步骤四、接通微波辐射计2的电源，30min后，打开数据终端，设置微波辐射计2的观测方位角扫描范围为0-180°，方位角扫描间隔为30°，高度角扫描范围为20-70°，高度角扫描间隔为5°；步骤五、开启自动扫描功能，旋转云台3在数据终端5的控制下带动微波辐射计2转动，微波辐射计2按设定的高度角扫描范围、高度角扫描间隔、方位角扫描范围及方位角扫描间隔对森林扫描，得到森林下行微波辐射亮温TB(p,θ)；步骤六、通过森林透过率的计算公式(4)，计算森林透过率t；t＝(TV–TB(p,θ))/(TV–TB,sky)(4)式中，TB(p,θ)为森林下行微波辐射亮温，TV为实测森林温度，可以采用红外温度计测量，TB,sky为天空下行微波辐射亮温，TB,sky为定值5K。实施例2L波段落叶松透过率的测量方法，步骤如下：选择落叶松(平均胸径9.1cm，平均树高13m，树密度为0.11颗/m2,材积量为174m3/ha)作为测量对象，其余步骤如实施例1。实施例1实测白桦林的透过率与理论模型模拟的森林透过率如图2所示，实施例2实测落叶松的透过率与理论模型模拟的森林透过率如图3所示。从图2和图3可以看出，采用本发明的测量方法测量的森林透过率与理论(模型)值非常吻合。其中，森林透过率的理论模型采用基于双矩阵法的TorVergata模型(Rahmoune等，2013)。表1为实测森林透过率的均方根误差(RMSE)和标准偏差(BIAS)从表1可以看出，实测森林透过率的BIAS在0.013～0.033之间，实测森林透过率的RMSE在0.019～0.044之间，说明本发明的方法能够满足测量L波段森林透过率的应用要求。