华南地区亚热带树木叶面积指数的高光谱反演研究

为构建树种叶面积指数的估算模型,以NDVI、RVI、FREP、CIGreen、CIRed-edge、MSAVI2为高光谱特征变量,通过统计分析,确定反演树种叶面积指数的最佳光谱特征变量,构建华南农业大学校园内50种亚热带树木的叶片反射率和叶面积指数(LAI)模型。结果表明,6种高光谱特征变量与树种叶面积指数间都具有极显著相关性,其中红边位置反射率(FREP)和比值植被指数(RVI)与LAI的拟合方程的R2都大于0.8,决定系数分别为0.820和0.811。经过精度验证,FREP估算的均方根误差(RMSE)只有0.13,该回归模型为估测亚热带典型树种的叶片LAI最佳模型。从高光谱遥感的角度结合亚热带植被的群落结构特点来看,建立的红边位置光谱反射率与叶面积指数的回归模型普遍具有较高的拟合度,所以利用高光谱特征变量反演亚热带树木叶片的叶面积指数等植被参数的应用前景较好。     

黄土高原春小麦叶面积指数与高光谱植被指数相关分析

通过田间小区试验,测定了4个春小麦品种（定西24号、陇春8139、高原602和定西38号）在不同生育期和不同种植密度下的光谱反射率及对应的叶面积指数（LAI）。综合分析比较了9个常见植被指数与春小麦LAI的相关性及预测性。结果表明：在4个不同的生育阶段,这9个植被指数与对应的LAI都有很好的相关性以及对LAI有很好预测性。其中以抽穗-开花期植被指数的表现为最好;全生育期这9个植被指数与春小麦LAI的相关性更高,对LAI的预测性更佳,并且大于任何一个生育阶段;其中以近红外与绿光波段的比值R810／R560的预测力最好,故选取R810／R560（x）作为预测全生育期春小麦LAI（y）的最佳植被指数,建立最优模型Y=0．1769x^1.5261,并采用不同品种和不同种植密度的数据对模型进行了精度分析,结果表明,模拟值和实测值之间的R^2平均为0．9280,估算的RMSE平均为0．0762,准确度平均为0．9068,说明此模型具有较好的可靠性和适用性。     

西藏自治区草地地上生物量遥感反演研究

草地地上生物量（Aboveground Biomass,AGB）是反映草地生态系统功能和质量的关键指标,大尺度地准确估算草地AGB对草地生态系统经营管理至关重要。研究以MODIS影像为数据源,提取反射率、植被指数和植被产品三种不同类型的特征变量,结合野外实测样地草地AGB数据,构建以多元线性逐步回归为代表的参数模型以及随机森林、支持向量机和kNN等非参数模型进行西藏自治区草地AGB估测及空间分布制图。结果表明：（1）多元线性逐步回归、随机森林、支持向量机和kNN模型在加入植被产品特征变量后,RMSE分别降低了15.8%、13.5%、4.1%和17.3%,表明植被产品作为建模变量用于草地AGB估测可有效提高模型精度;（2）三种组合变量构建的草地AGB估测模型中,反射率、植被指数、植被产品组合构建的模型效果最佳,其中kNN模型估测精度最高,R²达到0.60,RMSE和MAE分别为0.43、0.34 t/hm²;（3）草地AGB空间分布呈现出西北地区较低、中部地区较高且分布形态较破碎和东部地区较高的变化特征;（4）利用MODIS植被产品结合kNN模型的预测值与草地实测的AGB空间分布趋势基本一致。综上,MODIS植被产品结合kNN模型可作为大尺度区域草地AGB遥感估测的有效参考。     

烟草叶面积指数的高光谱估算模型

叶面积指数(1eaf area index,LAI)是重要的生物物理参数,亦是各种生态模型、生产力模型以及碳循环研究等的重要生物物理参量,因此具有重要的研究意义。为了探索不同高光谱模型监测烟草叶面积指数LAI的精度,在烟草伸根期,旺长期和成熟期采用ASD Fieldspec HH光谱仪测定了不同水氮条件下烟草冠层的高光谱反射率和叶面积指数数据。选用四个常用的植被指数RVI (ratio vegetation index)、NDVI (normalized difference vegetation index)、MTVI2（Modified second triangular vegetation index）、MSAVI（Modified Soil-adjusted vegetation index）和PCA (principal component analysis)、neural network (NN)三种方法对烟草LAI进行了估算,比较分析了三种方法的估算结果。研究结果表明,植被指数法,主成分分析,神经网络方法LAI都取得了较为理想的结果,其中植被指数法可以较为精确反演烟草LAI,验证模型确定性系数在0.76～0.85之间,主成分分析方法和神经网络方法精度较高,分别为0.938和0.889。主成分分析方法验证模型的稳定性更好,其验证模型的RMSE为0.172,低于四个植被指数和神经网络。MTVI2和MSAVI能较好地去除土壤、大气等条件影响,反演精度高于RVI和NDVI。与基于植被指数建立的模型相比,主成分分析和神经网络可以更好的提高LAI的反演精度。     

基于小波分析的大豆叶面积高光谱反演

实测了不同水肥耦合、经营制度及有效营养面积条件下的大豆(Glycinemax)冠层高光谱反射率与叶面积指数(LAI),并对光谱反射率、微分光谱与LAI的关系进行了分析;采用比值植被指数(RVI)与归一化植被指数(NDVI)建立了大豆LAI反演模型;采用小波分析对采集的光谱反射率数据进行了能量系数提取,并以小波能量系数作为自变量进行了单变量与多变量回归分析,对大豆LAI进行估算。结果表明:大豆LAI与光谱反射率在可见光波段呈负相关;在近红外波段呈正相关;微分光谱在红边处与大豆LAI密切相关(R2=0.92);RVI与NDVI可以提高大豆LAI的估算精度(R2分别达0.79、0.84);各植被指数各有优缺点,应根据需要进行选择;小波能量系数回归模型可以进一步提高大豆叶面积的估算水平,以一个特定小波能量系数作为自变量的回归模型,大豆LAI回归确定系数R2高达0.884;以4个和6个小波能量系数建立LAI回归分析模型(R2分别达0.92、0.93),2个模型LAI预测值与大豆LAI实测值线性回归确定性系数R2分别为0.90、0.92。比较可知,小波分析可以对高光谱进行特征变量提取,进而反演大豆生理参数,并且反演的LAI精度较光谱反射率、微分光谱及植被指数都有明显提高,小波分析在植被生理参数的高光谱提取方面有着广阔的应用前景。     

高光谱植被指数与水稻叶面积指数的定量关系

基于不同水稻品种、施氮水平和不同生育期下的大田试验,确立了水稻叶面积指数（LAI）与冠层光谱特征参数的定量关系.结果表明：水稻叶面积指数与部分高光谱植被指数存在良好的相关性,其中原始光谱组成的2波段差值指数（DI）形式相关性最好,其次为比值（RI）和归一化（NI）植被指数.相关最好的原始光谱植被指数是由近红外波段组成的差值指数DI(854,760),相关最好的一阶导数光谱植被指数是红光和近红外光组成的导数差值指数DI(D₆₇₆, D₇₇₈),但总体上导数光谱指数不如原始光谱指数与LAI关系密切.独立试验数据检验结果表明,以差值指数DI(854,760)为变量建立的水稻LAI监测模型具有较好的表现,可用于水稻LAI的估测.     

基于多源遥感数据的大豆叶面积指数估测精度对比

近年来遥感技术的革新促使遥感源越来越丰富.为分析多源遥感数据的叶面积指数(LAI)估测精度,本文以大豆为研究对象,利用比值植被指数(RVI)、归一化植被指数(NDVI)、土壤调整植被指数(SAVI)、差值植被指数(DVI)、三角植被指数(TVI)5种植被指数,结合地面实测LAI构建经验回归模型,比较3类遥感数据(地面高光谱数据、无人机多光谱影像以及高分一号WFV影像)对大豆LAI的估测能力,并从传感器几何位置和光谱响应特性以及像元空间分辨率三方面分析讨论了3类遥感数据的LAI反演差异.结果表明： 地面高光谱数据模型和无人机多光谱数据模型都可以准确预测大豆LAI(在α=0.01显著水平下,R²均>0.69,RMSE均<0.40);地面高光谱RVI对数模型的LAI预测能力优于无人机多光谱NDVI线性模型,但两者差异不大(E_A相差0.3%,R²相差0.04,RMSE相差0.006);高分一号WFV数据模型对研究区内大豆LAI的预测效果不理想(R²<0.30,RMSE>0.70).针对星、机、地三类遥感信息源,地面高光谱数据在反演LAI方面较传统多光谱数据有优势但不突出;16 m空间分辨率的高分一号WFV影像无法满足田块尺度作物长势监测的需求;在保证获得高精度大豆LAI预测值和高工作效率的前提条件下,基于无人机遥感的农情信息获取技术不失为一种最佳试验方案.在当今可用遥感信息源越来越多的情况下,农业无人机遥感信息可成为指导田块精细尺度作物管理的重要依据,为精准农业研究提供更科学准确的信息.     

基于MODIS时间序列反射率数据的雷竹林LAI反演

本文以雷竹林为研究对象,基于MODIS地表反射率数据构建了归一化植被指数(NDVI)、比值植被指数(SR)、Gitelson绿色植被指数(GI)、增强型植被指数(EVI)和土壤调整植被指数(SAVI)5种植被指数,并将其与MODIS 7个波段原始反射率数据作为遥感变量,采用逐步回归和相关分析两种方法进行变量筛选,结合LAI实测数据构建了逐步回归和BP神经网络两种模型,对雷竹林生态系统观测站点2014年1月-2017年3月LAI时间系列数据进行反演,并将反演结果与同时期MOD15A2 LAI产品进行对比分析.结果表明: SR为唯一入选逐步回归模型的变量;b₁、b₂、b₃和b₇以及5种植被指数与LAI之间的相关性均达到显著水平,可作为BP神经网络模型的输入变量.使用BP神经网络反演得到的LAI与实测LAI之间的相关性显著,R²为0.71,RMSE为0.34,RMSE_r为13.6%,其R²比逐步回归模型提高了10.9%,RMSE降低了5.6%,RMSE_r降低了12.3%,与MODIS LAI相比,其R²提高了54.5%,RMSE降低了79.3%,RMSE_r降低了79.1%.结合MODIS时间序列反射率和BP神经网络模型能够精确地反演雷竹林LAI,为实现基于遥感技术快速监测区域雷竹林LAI提供可行的方法.     

小麦叶面积指数与冠层反射光谱的定量关系

在分析不同氮素水平下小麦叶面积指数（LAI）和冠层光谱反射率随生育期变化模式的基础上,确立了LAI与冠层光谱反射率及光谱参数的相关关系,提出了小麦LAI的敏感光谱参数及预测方程.结果表明,小麦LAI和近红外短波段（760～1 220 nm）反射率都随施氮量的增加呈上升趋势,可见光波段反射率则相反;从拔节期到成熟期,LAI和近红外短波段反射率均表现为先上升后下降的趋势,而可见光波段（460～710 nm）反射率随生育期的推进先降低后升高,以孕穗期反射率最低,近红外长波段区域（1 480～1 650 nm）反射率的变化与可见光部分相同.LAI与可见光波段反射率呈负相关,与近红外短波段反射率呈极显著正相关,其中以810 nm相关性最好.可以选择RVI(810,510)和DVI(810,560)作为反演小麦LAI的光谱参数.另外,在证明垂直植被指数PVI和转换型土壤调整指数TSAVI对LAI预测能力的同时,发现利用RVI(810,510)、DVI(810,560)和PVI 3个植被指数共同推算小麦LAI的准确度更高.     

中亚热带森林单木地上生物量的机载激光雷达估测

以雪峰山武冈林场为研究对象,利用遥感数据和地面实测样地数据,研究机载激光雷达（LiDAR）估测中亚热带森林乔木层单木地上生物量的能力.利用条件随机场和最优化方法实现LiDAR点云的单木分割,以单木尺度为对象提取的植被点云空间结构、回波特征以及地形特征等作为遥感变量,采用回归模型估测乔木层地上生物量.结果表明: 针叶林、阔叶林和针阔混交林的单木识别率分别为93%、86%和60%;多元逐步回归模型的调整决定系数分别为0.83、0.81和0.74,均方根误差分别为28.22、29.79和32.31 t·hm^-2;以冠层体积、树高百分位值、坡度和回波强度值构成的模型精度明显高于以树高为因子的传统回归模型精度.以单木为对象从LiDAR点云中提取的遥感变量有助于提高森林生物量估测精度.
     

大针茅草原地上生物量形成的规律与特点

大针茅草原能进行光合作用的时间为160—170天。地上生物量的季节生长曲线呈单峰型,适宜的收获期在8月份。地上生物量的增长与群落的高度增长呈明显相关(R=0.959)。立枯量于6月份开始出现,其增长规律与绿色量呈相反的趋势。刈割后的再生草量以春季(5月份)刈割后的产量最高。仲夏(7月份)刈割对草场生产力的威胁最大。群落产量结构的研究表明：5己于人cm以上可供牲畜采食的部分约占总产量的70—80％。     

Net biome production of managed forests in Japan

Net biome production (NBP) is considered as the most appropriate concept for analyzing long-term and large-scale changes of the carbon cycle induced by land use. We have estimated NBP potential of Japanese managed forests, based on their age structure, to be 16 Mt C/a. Fifty-nine percent of this sink is located in the warm-temperate broadleaf forest zone and the remaining 39% is located in the cool-temperate broadleaf forest zone. This potential of NBP could be achieved under a long rotation period (70 a) and may serve as a target for sink enhancement efforts with the potential to uptake up to 4% of current fossil fuel emissions.     

Net biome production of managed forests in Japan

Net biome production (NBP) is considered as the most appropriate concept for analyz-ing long-term and large-scale changes of the carbon cycle induced by land use. We have esti-mated NBP potential of Japanese managed forests, based on their age structure, to be 16 Mt C/a. Fifty-nine percent of this sink is located in the warm-temperate broadleaf forest zone and the re-maining 39% is located in the cool-temperate broadleaf forest zone. This potential of NBP could be achieved under a long rotation period (70 a) and may serve as a target for sink enhancement ef-forts with the potential to uptake up to 4% of current fossil fuel emissions.     

Differences in carbon stocks along an elevational gradient in tropical mountain forests of Colombia

Tropical mountain forests provide an exceptional opportunity to evaluate the patterns of variation in carbon stocks along elevational gradients that correspond to well‐defined temperature gradients. We predicted that carbon stored in live aboveground biomass, aboveground necromass, and soil components of forests on the eastern flank of the Colombian Andes would change with elevation along this gradient extending from 750 to 2,800 m above sea level. The rationale was that the corresponding change in temperature (14–26°C) would influence tree growth and decomposition of organic matter. To address this hypothesis, we examined the carbon stored in these three components using data from 20 0.25‐ha plots located along this elevational gradient. The mean total carbon stock found in the study region was 241.3 ± 37.5 Mg C/ha. Aboveground carbon stocks decreased with elevation (p = 0.001), as did necromass carbon stocks (p = 0.016). Although soil organic carbon stocks did not differ significantly along the gradient (p = 0.153), they contributed proportionately more at higher than at lower elevations, counterbalancing the opposite trends in aboveground carbon and necromass carbon stocks. As such, total carbon stocks did not vary significantly along the elevational gradient (p = 0.576).     

Determination of the soil organic carbon, nitrogen, available phosphorus and the combined aboveground plant materials in the semi-arid Mbulu District, Tanzania

Soil of the semi-arid Mbulu District is part of the tropical soils, covered with sparse trees, shrubs or grasses in which domestic grazing animals have prevented the wide spread of vegetation cover. The study aimed at determining soil organic carbon (OC), total nitrogen (N), available phosphorus (P) and the combined aboveground plant materials. Six study sites were established in which soil samples were collected at the depths of 0–5, 6–10 and 11–20 cm. Soil samples were analysed for OC, N and P as well as the levels of N and P in the combined aboveground materials of Panicum coloratum and Hyparrhenia filipendula . The percentage concentrations of OC, N and P were high in the top soil than in the deeper soil horizons. However, analysis of variance showed significant differences of OC in some sites whereas no difference for N and P between soil depth classes. OC was highly related with N and P along soil depth classes. It was concluded that the availability of N and P was because of the decomposition of organic matter in the soil. Soil N and P were highly related with the same in the combined aboveground plant materials. It was concluded that the increased concentration of N and P in the soil resulted into availability of the same in P. coloratum and H. filipendula. There was a very high variation in N and P among sites with different levels of intensity of grazing. It was concluded that grazing animals contributes to the redistribution of soil elements in the rangelands because they graze upon plant parts but the excreta are dropped away from the grazed spot.     

Aboveground biomass estimation of the shrubs, Echiochilon fruticosum (Desf.) and Helianthemum kahiricum (Del.) in the arid zone rangelands of Tunisia

The knowledge of the plant biomass is very important for the assessment of the rangeland productivity. It could help to select the appropriate species for the improvement of natural ecosystems (rehabilitation, restoration and seedling). By examining different correlations between the biomass production and the volume parameters of two North African shrub species of high range value ( Echiochilon fruticosum Desf. and Helianthemum kahiricum Del.), we aimed to establish the appropriate regression models, which could be useful for the prediction of the productivity of these species. The data showed a significant relationship between the total biomass (TB) production and the mean diameter (MD) of the studied species ( R ² = 0.65 for Echiochilon and R ² = 0.75 for Helianthemum ). Likewise, annual fresh production (leaves and current-year shoots) was well correlated with MD of Helianthemum ( R ² = 0.82). However, the correlation between these two parameters was relatively low for Echiochilon ( R ² = 0.42).     

黑龙江省黑河地区森林地上生物量和NPP估测及时空格局

根据黑龙江省黑河地区2005和2010年1390块固定样地数据和东北地区树种生物量异速模型,估算各样地单位面积森林地上生物量(AGB)和净初级生产力(NPP).结合该地区2005和2010年两期ETM⁺遥感图像,运用地统计克里格与协同克里格法对AGB和NPP进行插值,比较多种方差函数的拟合效果,并用最佳插值方法得出该地区AGB和NPP的分布图;通过两期分布图的对比,分析该区域AGB和NPP随时间和空间的动态变化趋势,及其与地形因子(坡向、坡度、海拔)和不同林分类型的时空变化规律.结果表明: 2005—2010年,黑河地区AGB呈现增加趋势,高于40 t·hm^-2的生物量面积明显增加;NPP有所下降,出现高NPP地区向低NPP地区转变的现象.AGB和NPP与各地形因子均有一定的相关性,其中,与海拔的相关性明显,说明AGB和NPP的分布受海拔影响显著.研究期间,AGB在各个坡向均有所提高,NPP则降低;AGB和NPP随着坡度增大、海拔增高有增加趋势;常绿针叶林AGB和NPP增长最多,针阔混交林AGB增长最少,落叶阔叶林NPP增长最少.     

炭疽病对山西晋北饲用燕麦地上部碳氮磷化学计量学特征的影响

C、N、P化学计量学特征有助于了解植物生长过程中的碳同化能力和养分元素的利用效率,并诊断限制性元素,但病害对植物化学计量特征影响的研究尚缺乏报道。本研究以山西晋北罹患炭疽病的饲用燕麦为对象,测定了不同发病程度植株地上部C、N、P含量及化学计量值,并初步探讨了其与病害发生持续时间、品种和种植模式之间的关系。结果表明: 随着发病程度增加,C、N、P含量呈下降趋势,其中重度发病植株的C、N、P含量分别较健康植株显著降低了5.4%、20.0%、24.2%;C∶N和C∶P呈升高趋势,其中重度发病植株的C∶N、C∶P较健康植株显著增加了18.5%和22.2%。不同采样点的发病程度对C含量均未造成影响,表明3种饲用燕麦品种具有一定的耐病保产能力;但N、P的化学计量值存在地点间变异,采样点病害持续时间越长,N、P的损失越严重。与单播燕麦相比,炭疽病降低了混播燕麦对P的利用优势。总之,炭疽病对晋北饲用燕麦碳同化能力造成一定程度的负面影响,加重了植株地上部受N、P养分限制的程度,但显著提高了N、P的利用效率。生产实践中需采取必要的防治措施,减轻病害对饲用燕麦经济收益和生态功能的不利影响。     

咸水非充分灌溉对土壤水盐分布及玉米产量的影响

通过不同矿化度的咸水灌溉春玉米试验,研究了石羊河流域中游咸水充分灌溉和非充分灌溉对土壤水盐分布及玉米产量的影响. 结果表明: 土壤含水量峰值均出现在灌溉期, 充分灌溉变化幅度高于非充分灌溉;土壤含盐量随灌水矿化度的增大而增大, 相同灌水矿化度下,非充分灌溉处理的土壤含盐量均较充分灌溉处理低; 非充分灌溉处理土壤盐分累积层较充分灌溉处理上移; 80～100 cm土壤含水量和含盐量保持稳定,不受灌溉水量和水质的影响.与淡水充分灌溉相比,咸水灌溉下玉米产量降低约15%～22%;9 g·L^-1、6 g·L^-1、3 g·L^-1咸水非充分灌溉下玉米收获后1 m土层平均土壤含盐量分别比充分灌溉降低8.1%、12.4%和18.4%,而产量仅分别降低3.4%、6.8%和3.0%.