煤矿区土地复垦及复垦监测工作, 对于我国土地利用和生态环境治理具有重要意义。 微生物复垦技术能够促进植物吸收利用矿质养分和水分, 增强土壤肥力, 对矿区生态恢复具有显著作用。 监测和评价土地复垦效应对植物生长影响的传统方法, 通常采用野外采集植物和土壤样本并进行室内分析, 但这些方法不仅破坏植物根系原状土壤, 造成植株损伤, 而且耗费人力、 物力, 时效性差。 高光谱遥感技术具有数据获取速度快、 信息量大、 精度高且无须离体破坏植株等优点, 对于土地复垦监测有非常大的潜力。 目前, 土地复垦效应遥感监测相关研究仍以观测盆栽大豆、 玉米等作物的叶片光谱分析为主。 实际上, 卫星遥感数据观测到的是冠层光谱, 并非叶片光谱, 但目前还没有通过植被冠层光谱对矿区土地复垦进行监测的研究成果出现。 植被冠层光谱不仅受到叶片光谱的影响, 还受到植株长势、 下垫面等其他因素的影响, 光谱特征变化更为复杂。 矿区植被冠层光谱特征对于土地复垦效应的敏感度分析, 是对矿区植被理化参量进行定量反演的基础, 也是限制高光谱技术应用于大面积土地复垦监测的主要瓶颈。 于煤炭矿区土地复垦实验基地开展野外冠层光谱观测实验, 获取了接菌组和对照组野外植株冠层光谱数据, 并从光谱波形变化和光谱特征参量变化两方面综合分析了植被冠层光谱对土地复垦的敏感性。 冠层光谱波形方面, 分别采用标准差和光谱敏感度作为组内和组间光谱波形差异的有效指标; 冠层光谱特征参量方面, 选取了植被红边、 黄边、 蓝边、 绿峰、 红谷等典型光谱特征, 计算获取其位置、 斜率、 面积等特征参量, 并通过描述性统计和单因素方差分析研究了这些冠层光谱特征参量对土地复垦效应的敏感性, 挑选出矿区土地复垦监测的有效特征参量。 研究表明, 接菌组和对照组冠层光谱的主要波形变化趋势一致, 但接菌组植株的生长状况更稳定, 不同植株之间差异较小, 且绿峰和红谷两个特征更突出。 这说明土地复垦能够减少植株间冠层光谱差异, 增强植被典型光谱特征, 而绿峰和红谷对土地复垦有较高的光谱敏感度。 光谱特征参量方面, 绿峰、 红谷、 红边波长在土地复垦作用下显著向长波方向移动, 而此前叶片光谱研究中对土地复垦较敏感的红边、 蓝边斜率变化并不显著。 这说明, 野外植被冠层光谱分析结果与实验室植被叶片光谱分析的结果并不完全一致, 这可能和植被类型、 生长周期、 土壤背景光谱干扰等因素相关。 在采用卫星或航拍遥感数据进行矿区植被环境监测时, 所获取的都是植被冠层光谱, 因此本研究所得到的结论具有更强的参考意义和实际应用价值。

植被冠层反射太阳光会产生部分偏振光, 这为偏振遥感探测提供了信息源。 利用地基平台开展野外偏振测量是非常重要的研究, 它不仅能获取植被冠层本质的偏振反射特性, 而且还可以与机载或者星载平台数据进行匹配； 虽然研究者们已经通过机载或者星载偏振探测器获取了大量植被冠层的偏振反射信息, 但是关于地面植被冠层偏振反射分布特性的研究却很少。 因此, 为了详细研究植被冠层的偏振反射特性, 基于野外多角度高光谱偏振测量与偏振反射物理机制, 分析了植被冠层偏振光谱特性及其偏振反射分布特性； 随后, 反演了两种偏振模型的参数, 将测量值与模拟值进行对比分析。 研究结果发现, 植被冠层的偏振反射具有明显的各项异性特征, 而且与波长之间存在微弱的关系； 同时, 偏振模型可以很好地模拟植被冠层的偏振反射信息, 可以作为研究植被冠层的理论依据。 该研究测量的偏振反射信息与模型计算值之间呈现良好的吻合性, 既描述了植被冠层偏振反射分布特性, 又证明模型的有效性和测量结果的准确性。 对植被冠层偏振特性的详细研究, 不仅有助于完整地解释植被冠层与电磁波之间的辐射响应特征, 而且对于偏振遥感对地观测以及地表偏振信息对大气偏振信息的研究也具有重要科学价值。

基于野外与实验室多角度偏振测量信息与偏振反射物理机理，分析了不同植被冠层的偏振反射特性，同时得到了两个地表偏振反射模型的参数。结果发现，植被冠层的偏振反射比值与入射、探测几何相关；植被冠层的偏振反射具有明显的各向异性特征，且与植被冠层的结构形态相关；地表测量的植被冠层偏振反射比可达0.095，远大于以往结果；偏振反射模型可以有效地计算出一般植被冠层的偏振反射信息，但是对于完全平展型且有光滑叶片的冠层却会出现较大误差。

植被冠层含水量广泛应用于农业、 生态和水文等研究中。 本文基于PROSAIL模型, 建立了利用Hyperion高光谱数据定量反演植被冠层含水量的模型。 首先, PROSAIL模型模拟植被冠层反射特征表明, 970 nm水吸收带右侧曲线（980～1 070 nm）一阶导数D980～1 070与冠层含水量关系密切, 决定系数达0.96。 基于此, 利用Hyperion数据的983, 993, 1 003, 1 013, 1 023, 1 033, 1 043, 1 053, 1 063 nm共9个波段计算D980～1 070, 并利用所建模型反演植被冠层含水量。 最后, 利用黑河流域盈科绿洲的实测数据对反演结果进行了验证, 其平均相对误差为12.5%, 均方根误差在0.1 kg·m-2内, 结果表明该模型可靠。 该研究可以为大范围获取植被含水量信息提供有效方法。

以玉米冠层为研究对象, 首先利用偏振反射机理分析了玉米冠层的反射信息中存在偏振现象; 随后在抽穗前不同生长时期垂直观测方向对其高光谱偏振信息进行了测量, 证明了理论推导, 而且发现偏振光在总的反射光中所占的比例可达10%。 这即表明了偏振测量可以为对地遥感提供辅助信息, 同时也说明利用偏振信息反演大气参数时应该考虑地表偏振对它的影响。