基于PROSAIL辐射传输模型的毛竹林叶面积指数遥感反演

采用PROSAIL辐射传输模型建立毛竹林叶面积指数(LAI) 冠层反射率查找表,并结合Landsat TM卫星遥感数据,实现了毛竹林LAI的定量反演.结果表明： PROSAIL模型各输入参数的敏感性由高到低依次为LAI>叶绿素含量(C_ab)>叶片结构参数(N)>平均叶倾角(ALA)>等效水厚度(C_w)>干物质含量(C_m),并以LAI、C_ab两个主要敏感因子用于构建毛竹林LAI 冠层反射率查找表;基于PROSAIL模型的毛竹林LAI遥感反演结果与实测LAI具有很好的一致性,二者相关系数为0.90,均方根误差和相关的均方根误差也较小,分别为0.58和13.0%,但也存在反演LAI平均值高于实际值的问题.     

基于PROSAIL辐射传输模型的毛竹林叶面积旨数遥感反演

采用PROSAIL辐射传输模型建立毛竹林叶面积指数(LAI)-冠层反射率查找表,并结合Landsat TM卫星遥感数据,实现了毛竹林LAI的定量反演.结果表明:PROSAIL模型各输入参数的敏感性由高到低依次为LAI＞叶绿素含量(Cab)＞叶片结构参数(N)＞平均叶倾角(ALA)＞等效水厚度(Cw)＞干物质含量(Cm),并以LAI、Cab两个主要敏感因子用于构建毛竹林LAI-冠层反射率查找表;基于PROSAIL模型的毛竹林LAI遥感反演结果与实测LAI具有很好的一致性,二者相关系数为0.90,均方根误差和相关的均方根误差也较小,分别为0.58和13.0％,但也存在反演LAI平均值高于实际值的问题.     

植被叶片及冠层层次含水量估算模型的建立

利用LOPEX'93数据库中7个鲜叶片含水量(Cw)和光谱反射率实测数据,基于光谱指数法,在叶片层次,用47个随机样本建立Cw与不同光谱指数的统计模型,并用另外20个样本验证.结果表明,Cw的两种表征形式相对含水量FMC和等价水深EWT在提取叶片Cw时差异较大,EWT与各光谱指数的相关性较FMC高,但FMC对叶片Cw的反演精度高于EWT.而反演精度更高的是基于最优子集回归建立的光谱指数线性模型.Ratio₉₇₅是叶片层次提取Cw的普适光谱指数.冠层层次,利用PROSPECT+SAILH耦合模型,模拟在不同叶面积指数LAI和Cw下的冠层光谱.为了剔除背景影响,更好地提取冠层Cw,提出用近红外和短波红外波段反射率构造土壤可调节水分指数(SAWI),该指数与其他光谱指数的比值能明显地剔除土壤背景影响,更准确地提取冠层Cw.Ratio₉₇₅的改进型光谱指数(Ratio₉₇₅-0.9)/(SAWI+0.2)能用来提取叶面积指数LAI从0.3到8.0,Cw从0.0001cm到0.07cm的冠层Cw,研究表明精度较高.     

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.     

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.     

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.     

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.     

陇中黄土高原春小麦光谱反射特征

通过田间小区试验,测定了3个春小麦品种(高原602、陇春8139和定西24)在不同生育期和不同种植密度的光谱反射率及对应叶面积指数(LAI)和地上生物量,分析了其光谱反射的一般特征和红边参数特征以及光谱变量与LAI和地上生物量的相关性.结果表明:在整个波段内,春小麦冠层光谱表现为高原602＞陇春8139＞定西24,其叶片光谱表现为定西24＞陇春8139＞高原602;春小麦冠层光谱在可见光波段和中红外波段成熟期明显大于孕穗期,而叶片光谱在近红外波段孕穗期明显大于成熟期;随着种植密度的提高,在近红外波段冠层和叶片的光谱反射率逐渐增加;冠层光谱的红边均具有"双峰"现象,从孕穗期到成熟期,冠层红边位置呈现"蓝移"现象;LAI和地上生物量与冠层光谱变量之间存在较好的相关性.     

稻麦叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系

作物氮素含量是评价作物长势、估测产量与品质的重要参考指标,叶片氮素含量的无损快速监测对于指导作物氮素营养的精确管理及生产力的预测预报具有重要意义.以5个小麦品种和3个水稻品种在不同施氮水平下的3a田间试验为基础,综合研究了稻麦叶片氮含量与冠层反射光谱的定量关系.结果显示：（1）不同试验中拔节后稻麦叶片氮含量均随施氮水平呈上升趋势;（2）稻麦冠层光谱反射率在不同施氮水平下存在明显差异,在可见光区（460～710 nm）的反射率一般随施氮水平的增加逐渐降低,而在近红外波段（760～1100 nm）却随施氮水平的增加逐渐升高;（3）就单波段光谱而言,610、660 nm和680 nm处的冠层反射率均与稻麦叶片氮含量具有较好的相关性;（4）在光谱指数中,归一化差值植被指数NDVI（1220,610）与水稻和小麦叶片氮含量均具有较好的相关性,且相关性好于单波段反射率;（5）对于小麦和水稻,可以利用共同的波段和光谱指数来监测其叶片氮含量,采用统一的回归方程来描述其叶片氮含量随单波段反射率和冠层反射光谱参数的变化模式,但若采用单独的回归系数则可以提高稻麦叶片氮含量估测的准确性.     

水分敏感的反射光谱指数比较研究——以锐齿槲栎为例

利用叶片反射光谱实时、无损地探测植物水分状况是森林干旱评估的新方法,但是不同光谱指数的水分敏感性存在很大差异,因此,确定适用于树木叶片的水分指标与其敏感的光谱指标均非常重要。该研究选取锐齿槲栎(Quercus aliena var.acuteserrata)不同发育阶段和冠层位置上的叶片作为研究对象,在失水条件下,测定叶片的水分指标及其同步的反射光谱响应曲线,探究叶片的光谱反射率变化与水分状况改变的关系,比较并评估不同叶片发育阶段和冠层位置叶片的水分指标与不同反射光谱指数之间相关关系的优劣。结果表明:(1)在4个不同水分指标中,与比叶含水量(SWC)和叶片水分鲜质量比(LMP)相比,相对含水量(RWC)和等效水分厚度(EWT)在不同发育阶段和冠层位置之间的变异性更小,能稳定地表征树木整体的水分状况;且RWC和EWT具有更高的光谱敏感性,适用于遥感探测。(2)光谱反射率差值分析法和光谱反射率敏感性分析法表明:叶片的光谱敏感性受发育阶段的影响较大;在短波红外区域,成熟叶片在失水胁迫初始阶段的光谱变化较小,而新展叶在整个失水阶段均表现出明显的光谱差异。(3)通过对15个不同光谱指数与水分指标的相关分析,发现水分指数(WI)-RWC和双差值指数(DDn(1530,525))-EWT均具有较高的相关性,其中,WI-RWC的拟合关系受叶片发育阶段和冠层位置的影响较大;而DDn(1530,525)-EWT的拟合关系更为稳定。     

Spectral vegetation indices as the indicator of canopy photosynthetic productivity in a deciduous broadleaf forest

Aims Understanding of the ecophysiological dynamics of forest canopy photosynthesis and its spatial and temporal scaling is crucial for revealing ecological response to climate change. Combined observations and analyses of plant ecophysiology and optical remote sensing would enable us to achieve these studies. In order to examine the utility of spectral vegetation indices (VIs) for assessing ecosystem-level photosynthesis, we investigated the relationships between canopy-scale photosynthetic productivity and canopy spectral reflectance over seasons for 5 years in a cool, temperate deciduous broadleaf forest at 'Takayama' super site in central Japan.Methods Daily photosynthetic capacity was assessed by in situ canopy leaf area index (LAI), (LAI × V cmax [single-leaf photosynthetic capacity]), and the daily maximum rate of gross primary production (GPP max) was estimated by an ecosystem carbon cycle model. We examined five VIs: normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI), green–red vegetation index (GRVI), chlorophyll index (CI) and canopy chlorophyll index (CCI), which were obtained by the in situ measurements of canopy spectral reflectance.Important findings Our in situ observation of leaf and canopy characteristics, which were analyzed by an ecosystem carbon cycling model, revealed that their phenological changes are responsible for seasonal and interannual variations in canopy photosynthesis. Significant correlations were found between the five VIs and canopy photosynthetic capacity over the seasons and years; four of the VIs showed hysteresis-type relationships and only CCI showed rather linear relationship. Among the VIs examined, we applied EVI–GPP max relationship to EVI data obtained by Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer to estimate the temporal and spatial variation in GPP max over central Japan. Our findings would improve the accuracy of satellite-based estimate of forest photosynthetic productivity in fine spatial and temporal resolutions, which are necessary for detecting any response of terrestrial ecosystem to meteorological fluctuations.     

Spectral and Structural Measures of Northwest Forest Vegetation at Leaf to Landscape Scales

We report a multiscale study in the Wind River Valley in southwestern Washington, where we quantified leaf to stand scale variation in spectral reflectance for dominant species. Four remotely sensed structural measures, the normalized difference vegetation index (NDVI), cover fractions from spectral mixture analysis (SMA), equivalent water thickness (EWT), and albedo were investigated using Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) data. Discrimination of plant species varied with wavelength and scale, with deciduous species showing greater separability than conifers. Contrary to expectations, plant species were most distinct at the branch scale and least distinct at the stand scale. At the stand scale, broadleaf and conifer species were spectrally distinct, as were most conifer age classes. Intermediate separability occurred at the leaf scale. Reflectance decreased from leaf to stand scales except in the broadleaf species, which peaked in near-infrared reflectance at the branch scale. Important biochemical signatures became more pronounced spectrally progressing from leaf to stand scales. Recent regenerated clear-cuts (less than 10 years old) had the highest albedo and nonphotosynthetic vegetation (NPV). After 50 years, the stands showed significant decreases in albedo, NPV, and EWT and increases in shade. Albedo was lowest in old-growth forests. Peak EWT, a proxy measure for leaf area index (LAI), was observed in 11- to 30-year-old stands. When compared to LAI, EWT and NDVI showed exponentially decreasing, but distinctly different, relationships with increasing LAI. This difference is biologically important: at 95% of the maximum predicted NDVI and EWT, LAI was 5.17 and 9.08, respectively. Although these results confirm the stand structural variation expected with forest succession, remote-sensing images also provide a spatial context and establish a basis to evaluate variance within and between age classes. Landscape heterogeneity can thus be characterized over large areas—a critical and important step in scaling fluxes from stand-based towers to larger scales.     

耕层调控与有机肥处理下麦田土壤和小麦冠层结构特性及其相互关系

本研究基于5年的耕作定位试验,设置深耕(DT)、深耕有机肥(DTF)、浅耕(ST)、浅耕有机肥(STF)、免耕(NT)和免耕有机肥(NTF)处理,以期通过改良耕层土壤结构,优化小麦冠层结构特性.结果表明: 同一耕作处理下,增施有机肥可降低土壤容重、提高土壤孔隙度,提高20～40 cm土层2～5和0.25～2 mm粒级土壤团聚体含量,降低>5 mm粒级团聚体含量、>0.25 mm粒级团聚体的平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD).与其他处理相比,NTF处理改善了0～20 cm土层土壤容重、增加土壤孔隙度;DTF处理降低了40～60 cm土壤容重和>0.25 mm粒级机械团聚体的稳定性,增加了土壤透气性.花后各时期,有机肥处理的叶片角度指数降低,叶面积指数(LAI)和旗叶净光合速率(P_n)提高.STF处理的角度指数最低,DTF处理的P_n最高,显著大于其他处理.通径分析表明,自变量容重、孔隙度、>0.25 mm粒级团聚体的数量(R_0.25)和MWD对因变量角度指数、LAI和P_n的直接通径系数均达到极显著水平.0～20 cm土层,MWD值增大有利于P_n和LAI的提高;20～40 cm土层,土壤容重在一定范围内的增加可优化叶夹角,提高冠层透光率;40～60 cm土层,高的土壤容重和低的孔隙度限制了LAI和P_n的增加.综上,豫中补灌区增施有机肥下的深耕或浅耕处理有利于改良土壤结构、增加土壤通透性,优化冠层结构,提高冠层受光率、叶面积指数和光合速率.     

林冠结构和地形对亚热带常绿落叶阔叶林林下幼苗物种多样性和功能多样性的影响

森林结构和地形是森林生态系统最明显的特点,也是影响林下幼苗存活和物种多样性的关键因子。该研究采用半球面摄影方法提取八大公山生长监测样地（共1.2 hm²）林冠结构参数,通过调查地表层木本植物幼苗的组成和多度,获取常见植物幼苗叶片功能性状,结合详细的地形信息,利用空间同步自回归模型探究林冠结构变量及地形因子对幼苗物种多样性及功能多样性的影响。结果表明：（1）八大公山亚热带山地常绿落叶阔叶林林冠结构复杂度较高,最大林冠高的平均值达到19.94 m,叶面积指数、平均叶倾角和林冠覆盖度分别为2.94、30.88°和0.87;（2）林冠结构变量和地形因子能够解释32.6%~48.4%的林下幼苗物种多样性指数变异和28.5%~70.2%的功能多样性变异,但地形因子对幼苗物种多样性的影响很小;（3）预测在亚热带常绿落叶阔叶林高海拔的山坡上,有较低的叶面积指数和平均叶倾角群落有较高的幼苗物种多样性;而在低海拔山脊上,较低的叶面积指数和平均叶倾角群落林下幼苗层有较高的功能多样性。此结果对科研人员和林业工作者开展野外森林更新情况评估和样方调查将有所帮助。