基于实测光谱混合像元分解的苹果园地遥感提取技术

以山东省栖霞市为研究区,对苹果花期的TM影像进行混合像元分解,提取苹果园地信息.基于实测地物光谱端元,利用小波变换对线性分解模型进行改进,采用实测端元改进后线性分解模型、实测端元线性分解模型、TM影像端元线性分解模型分别提取研究区苹果园地信息,并以ALOS数据进行精度评价.结果表明:经过精确的大气及地形校正后,可以利用实测光谱端元进行混合像元分解,面积精度＞97％,对丰度图像的归一化植被指数(NDVI)值与ALOS数据的平均NDVI值进行回归分析,R2＞0.8;利用小波变换对线性分解模型进行改进,可在一定程度上提高分解精度.     

花期苹果树冠氮素营养状况的卫星遥感反演

以山东栖霞为研究区,基于TM和ALOS影像获取花期苹果树的冠层反演反射率,结合实测反射率,构建并筛选氮素敏感光谱指数,以敏感光谱指数为自变量,建立氮素反演模型,利用精度最高模型进行空间反演.结果表明： 光谱指数与氮素营养相关性为：冠层＞叶＞花,敏感指数构成以绿、红、近红外波段为主;反演模型精度为：支持向量机回归＞逐步回归＞单变量回归;基于不同影像的反演结果近似,叶N含量均以3～4等(27～33 g·kg^-1)为主,冠N指标均以2～4等(TM: 38～47 g·kg^-1; ALOS: 32～41 g·kg^-1)为主;基于不同影像的空间布局亦类似,研究区北部和南部的营养水平高于中部,叶N和冠N高等级区域位于西北部的苏家店镇和松山街道、东北部的臧家庄镇和亭口镇、南部的蛇窝泊镇等,与苹果生产重点镇布局一致.此研究为果树营养状况的宏观数据获取提供了可行方法,也可为其他类似遥感反演提供借鉴.     

基于Sentinel-2时序数据的山区积雪识别与面积变化

积雪是全球气候变化的重要指示器,也是中国西北干旱地区重要的淡水资源。卫星遥感由于具有大面积短周期重复观测等特点,已经成为积雪识别与面积变化监测的重要手段。与Landsat TM相比,Sentinel-2影像具有更高的辐射分辨率、光谱分辨率和空间分辨率以及更高的时间分辨率,成为积雪研究的重要数据源。然而,在中小尺度,高分辨率卫星辐射亮度值不仅受大气水汽、气溶胶等大气衰减,受地形遮蔽、坡度、坡向等地形因素的影响,同时也受地表二向反射分布函数(BRDF)影响,从而使得地表信息失真。本文以中国天山中段为研究区,选择2017年5月—2018年4月共20时相Sentinel-2影像,基于数字高程模型(DEM),利用山地辐射传输模型考虑地表BRDF特性基础上对其同步进行大气校正与地形校正预处理,然后综合利用归一化差值积雪指数(NDSI)以及积雪在绿波段、近红外波段的反射率阈值法精确提取积雪覆盖信息,有效剔除了水体、浓密植被、阴影和辐射亮度较低像元对积雪识别的影响。同时,结合历史天气资料,重点分析了1年内研究区积雪面积变化特征。本研究对积雪消融引起的地表反射率和能量平衡变化以及陆地生态环境等研究具有重要意义。     

4-Scale几何光学模型冠层反射率模拟的空间尺度适用性

明确4-Scale模型模拟森林冠层反射率适用的空间尺度,有助于提高其应用于不同植被类型冠层反射率模拟时的精度,进而提升其开展叶面积指数、郁闭度和其他参数的反演精度。以黑龙江省尚志市帽儿山实验林场2块100 m×100 m森林样地(阔叶林与混交林各一块)为研究对象,分别分割为10、20、30、40和50 m空间尺度,使用4-Scale模型模拟森林冠层反射率,采用局部平均法、最邻近法、双线性内插法和立方卷积法对空间分辨率为10 m的Sentinel-2影像升尺度转换至其他尺度并评价,对比分析模拟冠层反射率和遥感像元反射率,明确混交林和阔叶林适合4-Scale模型高精度反演参数的空间尺度。结果表明：4-Scale模型整体低估了像元森林冠层反射率,混交林和阔叶林冠层反射率在20 m尺度的模拟效果均最差,红光波段和近红外波段的均方根误差(RMSE)和平均绝对偏差(MAE)均较大;>20 m尺度的模拟效果开始变好,混交林40 m、阔叶林30 m时模型的适用性最佳,红光波段和近红外波段下,模拟值与遥感像元反射率之差的均值和标准差最小,RMSE和MAE同样最小;10 m尺度混交林和阔叶林模拟结果...     

辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展

植被是生态系统最重要的组成成分之一,许多与植被有关的物质能量交换过程都与植被的理化参数密切相关,因此定量估算植被的理化参数含量对监测植被生长状况、森林火灾预警以及研究全球碳氮循环过程等都具有重要意义.在众多定量反演植被理化参数的方法中,基于数学、物理学以及生物学的基本理论建立起来的辐射传输模型受到越来越多的关注.辐射传输模型描述了植被与入射辐射之间的相互作用过程和特征,相对于传统的经验/半经验方法,辐射传输模型物理意义明确,具有稳定性和可移植性强的特点.在分析国内外最新相关研究的基础上,首先从植被叶片、冠层和像元3个不同的尺度阐述反演植被理化参数的辐射传输模型.叶片尺度上主要介绍PROSPECT模型和LIBERTY模型;冠层尺度上主要介绍SAIL冠层辐射传输模型以及PROSPECT与SAIL耦合的PROSAIL叶片-冠层辐射传输模型;像元尺度的植被理化参数反演目前主要采用冠层尺度的辐射传输模型.其次,分析尺度变化下植被理化参数遥感反演所面临的主要问题,如不同尺度下模型参数敏感性的变化、辐射传输模型的选取以及混合像元的影响等.最后,总结展望植被理化参数反演多模型与多种数据源相互结合的研究趋势,以及将来具有高空间分辨率的高光谱遥感卫星升空后所带来的发展前景.     

PROSPECT5耦合4SAIL模型的亚热带典型森林冠层反射率时间序列模拟

冠层反射率在森林植被类型精确解译、森林碳同化关键参数如叶面积指数(LAI)、叶绿素等遥感反演等方面具有重要意义.本研究以亚热带毛竹林、雷竹林和常绿落叶阔叶混交林3种典型森林类型为研究对象,通过耦合PROSPECT5和4SAIL模型模拟其冠层反射率时间序列.首先,对PROSPECT5和4SAIL模型参数进行敏感性分析,探讨模型参数对冠层反射率的影响;其次,利用实测反射率对不敏感参数进行优化,并确定其参数值;最后,耦合PROSPECT5和4SAIL模型模拟3种亚热带森林冠层反射率,并与MODIS反射率进行对比.结果表明:LAI对第1、2、3、5、7波段最敏感,各波段的总敏感指数分别为0.80、0.83、0.94、0.66、0.47;叶绿素含量对第4波段最敏感,总敏感指数为0.59;叶片含水量对第6波段的敏感性最大,总敏感性指数为0.54;叶子结构参数、类胡萝卜素、热点参数、干物质含量和土壤干湿比等参数对各个波段都不敏感或敏感性较小.优化后的PROSPECT5和4SAIL模型模拟得到的冠层反射率能够真实反映3种典型森林的季节性变化规律,通过与MODIS反射率对比分析发现,模拟冠层反射率和MODIS反射率之间具有较高的决定系数,分别为0.86、0.90、0.93,均方根误差(RMSE)也较小,分别为0.09、0.07、0.05,且模拟反射率能在一定程度上解决MODIS反射率数据冬季易受雨雪、混合像元影响等问题.     

基于MODIS混合像元分解的湖南省森林碳密度反演

随着遥感技术的快速发展,基于遥感影像和地面样地的方法成为目前森林碳密度估算的常用手段.然而由于混合像元的存在严重制约了区域森林碳密度反演精度的提高,特别是MODIS这种低空间分辨率影像.本研究以MODIS影像和固定样地为数据源,开展森林碳密度的反演研究.首先利用不带约束、带约束的线性分解和非线性分解3种方法进行混合像元分解,导出不同土地利用/覆盖类型的丰度图;然后采用结合和未结合丰度图的序列高斯协同模拟算法对湖南省森林碳密度进行反演.结果表明： 3种混合像元分解模型中,带约束线性分解估计的地物丰度精度最高（平均均方根误差0.002）,明显优于不带约束线性分解和非线性分解模型;通过将混合像元分解模型和序列高斯协同模拟算法结合,森林碳密度反演精度从74.1%提高到81.5%,均方根误差从7.26减小到5.18;2009年湖南省森林碳密度的平均值为30.06 t·hm^-2,变化范围介于0.00～67.35 t·hm^-2之间.这表明混合像元分解在提高区域和全球尺度森林碳密度反演精度方面显示出巨大的潜力.     

不同端元模型下湿地植被覆盖度的提取方法——以北京市野鸭湖湿地自然保护区为例

植被覆盖度作为反映湿地植物生长状况的重要生态学参数,在评估和检测湿地生态环境方面起着关键的作用.以华北内陆典型的淡水湿地——北京市野鸭湖湿地自然保护区为研究对象,中等分辨率的Landsat TM影像为数据源,基于线性光谱混合模型(LSMM)对研究区的植被覆盖度进行了估算.针对湿地植被类型丰富、土地利用类型多样化的特点,利用归一化植被指数(NDVI)在反映植物生长状况、覆盖程度以及区分地表覆盖类型方面的优势,通过对原始Landsat TM影像增加NDVI数据维对影像进行维度扩展,克服了传统研究中通常从Landsat TM影像上提取3-4种端元的局限,经最小噪声分离变换(MNF变换)、纯像元指数(PPI)计算以及人机交互端元选取等一系列运算,构建以陆生植物、水生植物、高反射率地物、低反射率地物、裸露土壤为组分的五端元模型来反映研究区的地物组成;同时,以原始Landsat TM影像为基础,构建植物、高反射率地物、低反射率地物、裸露土壤为组分的四端元模型.针对两种端元模型,采用全约束下的LSMM算法进行混合像元分解以获取研究区的植被覆盖度,其次辅以研究区的纯水体信息对其进行优化.精度检验采用相同时期的高分辨率WorldView-2多光谱影像来进行.研究表明:虽然四端元模型与五端元模型对植被覆盖度的估算结果在空间上具有基本一致的分布趋势,但是前者的估算结果在数值上要普遍低于后者,在研究区的水体及其附近,四端元模型难以体现水生植物的植被覆盖信息;另外,五端元模型的估算结果与检验数据的相关系数R达到0.9023,均方根误差(RMSE)为0.0939,明显优于四端元模型的R=0.8671和RMSE=0.1711.这反映了通过对影像进行维度扩展的方法来改进端元提取的数量是可行的,而由此构建的五端元模型可以更充分的反映研究区地物之间的光谱差异,从而获得更好的估算精度.     

盖度与冠层水深对沉水植物水盾草光谱特性的影响

遥感技术可应用于大尺度实时监测沉水植物的分布与生长状况。然而沉水植物的光谱特征受其冠层在水下深度的影响,从而影响湖泊和河流中沉水植物的遥感影像解译与信息提取。应用地物光谱仪,通过野外原位测定和室外控制试验,实测了沉水植物水盾草(Cabomba caroliniana)群落冠层在水下不同深度的反射光谱,分析了冠层水深对水盾草反射光谱的影响,并建立了基于光谱反射率和冠层水深的水盾草群落盖度反演模型。研究结果表明(1)不同盖度的水盾草群落光谱反射率的基本特征主要体现在绿光和近红外波段;(2)水盾草群落的光谱反射率与冠层水深基本呈负相关,相同盖度水盾草群落的光谱反射率随冠层水深的增加而减小,在近红外波段尤其明显;(3)水盾草群落冠层水深越小,其盖度与光谱反射率的相关性越强,且水盾草群落盖度越大,其光谱反射率与冠层水深的相关性越显著;(4)水盾草光谱反射率与盖度相关的最佳波段在692—898 nm,与冠层水深相关最佳的波段在710 nm和806 nm附近;(5)在710 nm和806 nm处建立的结合冠层水深的修正模型,无论是回归方程决定系数(R2),还是水盾草群落盖度的反演精度都明显高于仅用光谱反射率反演盖度的简单模型,因此可有效减除冠层水深对反演精度的影响。本研究的结果可为遥感监测沉水植物的分布和动态变化,以及沉水植物生物物理参量反演提供科学依据。     

黑河流域叶面积指数（LAI）空间尺度转换

为有机地整合利用不同分辨率遥感数据获取的陆面过程以及其他相关的环境变量,尺度问题越来越受到人们的重视.选取黑河张掖绿洲区为实验研究区,利用ETM 影像反演的LAI通过升尺度转换到900m分辨率,对LAI尺度转换过程中引起的误差进行了定量分析,尝试提出一种新的基于NDVI像元分解的更有效的升尺度转换方法.研究发现非线性的升尺度算法引起的误差不超过 10.5%,且误差大小与地表异质性程度正相关,而地表异质性是导致LAI尺度转化误差的主要原因,严重时可能造成 45%的偏差,但纯像元LAI的计算不受尺度影响.提出的基于NDVI像元分解的LAI升尺度转换算法,分两步考虑了地表异质性问题,很好的实现了研究区30m空间精度 LAI向900m的尺度转换,该方法应用于干旱、半干旱的中国西北黑河流域NASA 发布的MODIS LAI产品校正,取得了良好效果.     

Assessment of pine forest damage by blight based on Landsat TM data and correlation with environmental factors

Landsat TM images were obtained of blight damage to a Japanese red pine forest in the western part of Hiroshima Prefecture, Japan, using a spectral vegetation index; that is, the ratio of the digital number (relative reflectance on the ground surface) of TM Band 4 to Band 3 observed in May 1987, which decreased with the increase in the canopy cover of damaged pine trees measured in the field. The TM images suggested that the areas of damaged forest were concentrated in or near cities, industrial areas and expressways. The correlation between forest damage and environmental factors (air pollution and urban development) around the pine forest was therefore analysed by overlaying the blight damage with the proportion of developed areas obtained from TM data or mesh data of air pollution. The results of analysis indicated a significant correlation between forest damage and environmental factors, and showed that these two environmental factors made nearly equal contributions to the blight damage in the pine forest. This suggests that urban development and air pollution may affect the physiology of pine trees and promote blight by reducing the resistance of trees to the pinewood nematode.     

荒漠化地区土壤含水量的遥感定量反演

基于奈曼旗科尔沁沙地TM数据建立了反射率经验模型,据此计算了TM数据的地表反射率,同时通过光学植被盖度模型排除了植被干扰,建立了土壤含水量与地表反射率的回归模型,并以此模型反演出了研究区土壤含水量,最后对TM遥感数据反演的土壤含水量结果进行了精度检验.结果表明：遥感定量反演的理论精度达到81.81％,实际精度达到92.17％,说明荒漠化地区土壤含水量数据的遥感定量反演具有较高的科学性.     

表观反射率及其在植被遥感中的应用

 由于植被遥感应用定量化和监测等的需求,光学遥感数据的辐射校正更加受到重视。该文论述了辐射校正,辐射定标和大气校正的概念以及它们之间的区别及关系。特别对辐射定标的结果之一,大气层顶表观反射率,简称表观反射率(Apparent reflectance)的定义、概念、计算和它在植被遥感中的应用等方面,进行了详细的论述。     

Mapping Tropical Forest Trees Using High‐Resolution Aerial Digital Photographs

The spatial arrangement of tree species is a key aspect of community ecology. Because tree species in tropical forests occur at low densities, it is logistically challenging to measure distributions across large areas. In this study, we evaluated the potential use of canopy tree crown maps, derived from high‐resolution aerial digital photographs, as a relatively simple method for measuring large‐scale tree distributions. At Barro Colorado Island, Panama, we used high‐resolution aerial digital photographs (~0.129 m/pixel) to identify tree species and map crown distributions of four target tree species. We determined crown mapping accuracy by comparing aerial and ground‐mapped distributions and tested whether the spatial characteristics of the crown maps reflect those of the ground‐mapped trees. Nearly a quarter (22%) of the common canopy species had sufficiently distinctive crowns to be good candidates for reliable mapping. The errors of commission (crowns misidentified as a target species) were relatively low, but the errors of omission (missed canopy trees of the target species) were high. Only 40 percent of canopy individuals were mapped on the air photographs. Despite failing to accurately predict exact abundances of canopy trees, crown distributions accurately reproduced the clumping patterns and spatial autocorrelation features of three of four tree species and predicted areas of high and low abundance. We discuss a range of ecological and forest management applications for which this method can be useful.     

Seasonal history ofTyphlodromus pyri (Acari: Mesostigmata: Phytoseiidae) in a commercial apple orchard in Czechoslovakia

The seasonal history and phenology of an indigenous field population ofTyphlodromus pyri Scheuten inhabiting a commercial apple orchard in South Bohemia are described. Data on population dynamics, number of generations, feeding, mating and reproductive habits as well as seasonal distribution within the apple tree canopy are discussed. Recommendations for mass retrieval ofT. pyri from apple orchards, their transfer to, and release in other orchards, are given. The conclusions and recommendations can be used for improving integrated pest management strategies in commercial apple orchards.     

Size of orchard trees as a factor affecting behavioural control of apple maggot flies (Dipt., Tephritidae) by traps

Over a 3-year period (1997–1999), we examined the influence of tree size on effectiveness of traps for behaviourally controlling apple maggot flies, Rhagoletis pomonella (Walsh), in small blocks of trees in Massachusetts commercial apple orchards. Traps were red spheres coated with Tangletrap and baited with an attractive synthetic host fruit odour (butyl hexanoate). Traps were placed 6 m apart on perimeter apple trees of each block and were designed to intercept apple maggot flies immigrating into blocks from unmanaged host trees. Based on captures of adults by unbaited red spheres placed near the centre of each block to monitor degree of adult penetration into the interior and on percentages of fruit injured by apple maggot, traps surrounding blocks of small trees (1.5 m canopy diameter) planted at high density were more effective in controlling apple maggot flies (relative to control obtained by insecticide sprays used in comparison blocks) than were traps surrounding blocks of large trees (3.7 m canopy diameter) planted at low density, with traps surrounding blocks of medium-size trees (2.5 m canopy diameter) planted at medium density generally providing an intermediate level of control.     

间伐改形对陇东旱塬密闭苹果园树体冠层结构和发育后期叶片质量的影响

为研究间伐改形对红富士成龄乔化密植果园树体冠层特征、生育后期叶片生理特性、养分积累分配规律、光合生产力和土壤水分时空分布动态的影响,以18年生‘红富士’苹果密闭园为试材,对苹果树单株结构参数、枝量、枝类组成、覆盖率、叶片光合速率等参数进行测定.结果表明: 密闭果园叶片光合作用受非气孔因素限制,导致PSII最大光化学效率、PSII光合潜能、光合性能指数下降了1.2%、11.5%、13.9%.间伐改形后,叶面积指数、树冠覆盖率有所降低,使得冠层直射光透过系数增加了79.0%,树形结构有所改善.苹果园总枝数降低到约1100400条·hm^-2,单株枝量增加了5.0%,短枝比例提高至73.0%.由于冠层光照条件的改善,叶面积、比叶质量、百叶重、叶绿素含量有不同程度的提高.叶片光合速率的提高促进了光合产物的积累,淀粉、蛋白质含量为密闭果园的143.5%、107.8%.叶片的发育质量与其所处的光照辐射环境有着密切联系,密闭果园经间伐、改形后,果园群体结构和冠层光照得以改善,促进了叶片生长发育,提高了叶片光合效能,降低了果园土壤水分的无效消耗,是陇东旱塬苹果产区密闭果园适宜的调整、优化方案.     

Bayesian inferences of arthropod movements between hedgerows and orchards

Hedgerows are agro-ecological infrastructures that are assumed to enhance biodiversity in an agro-ecosystem and the control of crop pests. However, local movements of arthropod predators from hedgerows to crops remain poorly understood. In this research, these movements were analysed in eleven commercial apple orchards over two weeks in the spring of 2014. Predators were indirectly marked by spraying ovalbumin on the hedgerows. Canopy and ground predators were captured using beating and pitfall traps, respectively, in both the orchards and the hedgerows, and individuals marked by ovalbumin were detected using ELISAs. Approximately 20% of the 1272 captured predators were identified as marked. Movements between the orchards and the hedgerows of the most abundant predator taxa (Forficula auricularia, Chrysoperla sp., Philodromus spp., Cheiracanthium mildei, and Nebria brevicollis) and of four guilds (ground spiders, ground beetles, canopy spiders and canopy insects) captured across the eleven locations were estimated using a Bayesian model. On one hand, canopy insects and ground spiders were less likely to stay in the hedgerows than were the canopy spiders and ground beetles. On the other hand, the canopy spiders and ground beetles were less likely to stay in the orchard than were the canopy insects and ground spiders. However, there were exceptions within these groups: F. auricularia and N. brevicollis exhibited a high probability of staying in the hedgerow and in the orchard, respectively. Overall, these results demonstrate the frequent movements that occurred between the orchard and the adjacent hedgerow in a diverse range of predator taxa. The probabilities of movement were further affected by the characteristics of the orchard for most taxa. Therefore, agro-environmental measures that focus on hedgerow management require consideration of the local arthropod predator communities and their characteristics to enhance pest control in apple orchards.     

基于PROSAIL模型的水稻田缨帽三角-叶面积指数模型及其应用

缨帽三角(tasseled cap triangle,TCT)-叶面积指数(leaf area index,LAI)等值线模型是一种反映植被叶面积指数等值线在红光(Red)-近红外(NIR)波段反射率组成的光谱空间中分布规律的模型,在此基础上建立LAI遥感反演模型比常用的统计关系模型更加精确.本文利用水稻田实测数据,验证了PROSAIL模型对水稻冠层反射率模拟的适用性,并对模型的输入参数进行率定,最终确定了PROSAIL模型模拟水稻冠层反射率的输入参数的取值范围.在此基础上构建了水稻田TCT-LAI等值线模型,建立了LAI遥感反演所需的查找表,将其分别用于Landsat 8和WorldView 3数据进行水稻田LAI反演.结果表明: 利用基于TCT-LAI等值线模型建立查找表反演的LAI与实测LAI具有良好的线性相关关系,R²=0.76,RMSE=0.47;与Landsat 8的LAI反演结果相比,WorldView 3反演的LAI值域范围更大,数据分布更离散.将Landsat 8、WorldView 3反射率数据重采样至1 km后进行LAI反演, MODIS LAI 产品的反演结果存在明显低估现象.