基于高光谱数据和模型反演植被叶面积指数的进展

植被叶面积指数(Leaf Area Index , LAI)是陆面过程中影响陆-气交换的重要参数,也是表征植被冠层结构最基本的参量之一。准确而快速地获取LAI是植被-气候相互作用、植被生态和农作物估产研究不可缺少的工作。本文首先针对LAI和高光谱遥感进行概述,然后从不同平台高光谱传感器数据和不同反演方法两个角度总结了国内外近些年来高光谱遥感LAI的研究进展,最后分析了高光谱遥感反演LAI的未来发展方向。     

上海城市植被光谱反射特征分析

地物光谱特征是遥感机理的重要内容,也是遥感应用研究的重要依据。城市植被作为城市中重要的生命支持系统,对于维持城市生态系统平衡起着核心的作用。文章以上海城市植被为研究对象,利用美国ASD公司生产的FieldSpec3便携式地物波谱仪,通过对2009年10月金边黄杨,金丝桃,圆柏,麦冬,珊瑚树,小叶黄杨等野外和室内光谱数据采集和处理,获得了这6种城市植被的高光谱数据。采用Savitzky Go-lay平滑方法进行光谱噪声去除和利用微分光谱技术进行植被环境背景影响消除,分别从植被冠层光谱和叶片光谱以及微分光谱,对这6种城市植被的光谱特征以及光谱曲线的差异和变化规律进行分析。可为今后进一步研究城市植被理化性能、参数反演、植被分类、植被调查以及城市环境监测等遥感应用服务。     

基于时间序列高光谱遥感影像的田块尺度作物产量预测

在精准农业领域,田块尺度土壤理化性质、作物长势、产量等存在极显著的空间异质性。高光谱遥感侧重于光谱维度信息的提取,未充分利用空间与时相信息,限制了植被长势、生物量与产量的监测精度。传统格网采样与地统计空间插值方法,耗时费力、成本高,难以推广;而遥感技术可以获取农作物生理参数的时空异质性信息,可以用于田块尺度的精准管理分区(SSMZ)。以田块尺度棉花地为研究对象,获取时间序列航空高光谱遥感影像,分析不同长势棉花的反射光谱特征,构建光谱指数,综合光谱、时相、空间维度信息,利用面向对象方法进行精准管理分区,建立产量遥感预测模型。结果表明：综合多维信息的面向对象分割方法优于基于象元的方法,可以部分消除遥感与产量数据噪声,提高棉花估产精度;不同植被指数与棉花产量的相关系数排序为一阶微分、NDVI、OSAVI、二阶微分;对于同一尺度、单一时相,一阶微分产量预测模型精度较高,多时相多光谱植被指数也可以得到较高精度;对于同一输入量、不同尺度,较少SSMZ个数的棉花产量预测模型精度更高、稳定性更好,这是由于影像与产量数据的空间定位存在一定的误差造成。研究成果将丰富作物长势、估产方法,提高遥感监测精度,加速无人机遥感在相关领域的应用。     

基于光谱指数法的植被含水量遥感定量监测及分析

在分析植被光谱特征与光谱和植被水分相关性的基础上,初步确定几个波段或波段组合为植被含水量的光谱指数.利用数据对植被含水量FMC(Fuel Moisture Content)与上述水份光谱指数分别建立最优函数关系.通过分析不同光谱指数的关系及其相对误差,确定以1600 nm和820 nm处反射率的比值SR作为建立本研究区植被含水量模型的特征参数;并利用实测光谱反射率与植被含水量建立SR与FMC之间的模型关系.根据植被含水量模型、ETM和ASTER遥感数据.在IDL7.0开发平台下实现研究区植被含水量的定量反演,并利用区内实测数据和本底调查数据对反演结果进行了综合评价与分析.结果表明,光谱指数SR可以较好地剔除环境背景以及冠层结构等外界因素的影响,植被含水量遥感反演精度较高,能真实反映研究区植被含水量的时空变化规律与特征.     

基于野外测量研究植被冠层偏振光谱反射特性

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。     

基于综合高光谱指数的区域土壤盐渍化监测研究

选取新疆塔里木盆地北缘渭干河-库车河三角洲绿洲盐渍化土壤、植被及其光谱反射率为研究对象,对实测土壤、植被高光谱进行包络线、倒数、对数、均方根、一阶微分等各种光谱变换,分析并确定反映盐渍化程度最敏感的波段,结果表明：实测高光谱土壤、植被一阶微分光谱变换对土壤盐渍化响应程度最敏感;基于实测综合光谱指数的盐渍化监测高光谱模型可以准确提取土壤盐渍化信息,明显优于传统遥感方法中单纯利用植被指数或者土壤盐分指数的模型,对土壤盐渍化的高精度遥感监测研究具有较好促进作用。     

植被氮素浓度高光谱遥感反演研究进展

氮素是植被进行生命活动的必需元素,它在蛋白质、核酸、叶绿素和酶等物质的生物合成中起重要作用,并在植被的光合作用中起到关键作用。植被氮素浓度高光谱遥感反演技术是自20世纪70年代以来的研究热点。近年来随着高光谱遥感技术的发展,可将光谱波段在某一光谱区域进行细分的优势,为与植被氮素相关的光谱特性研究提供了有力的技术手段。结合近几年主要地理科学文献上发表的植被氮素浓度高光谱遥感监测的最新研究成果,介绍了植被氮素浓度高光谱遥感监测的原理及相关问题。从植被氮光谱指数、叶绿素指数的植被氮含量反演、回归模型和反演植被氮浓度影响因素的消除方面,详细介绍了植被氮素浓度高光谱遥感反演这四个方面的主要技术方法,总结分析了研究结论,并讨论了研究发展趋势。     

高光谱探测绿色涂料伪装的光谱成像研究

基于现有伪装涂料与植被反射光谱的本质差异,提出一种可有效识别当前所有绿色伪装涂料的高光谱成像方法.通过分析绿色伪装涂料与被子植物叶片的反射光谱及其一阶微分谱的差异,确定了星载和机载高光谱遥感探测中,可见光波段的绿色反射峰和780～1 300 nm的“近红外高原”波段反射率的波动性是识别绿色伪装涂料的有效光谱特征.对“近红外高原”波段的反射光谱进行成像是高光谱探测实现伪装目标可视识别的可行方法,尤其是对反射光谱一阶微分处理后进行成像可更加有效地识别植被环境中的绿色伪装涂料.     

基于几何标记模型参数反演的作物株形敏感性分析

传统的利用冠层反射光谱和光谱指数进行叶面积指数反演时,株形(利用平均叶倾角ALA等指标来表征)对叶面积指数的反演精度存在较大的影响,使得利用遥感手段进行作物长势监测和肥水调控决策时,株形因素不容忽略,以免造成遥感监测精度不高。研究首先利用模拟作物冠层反射光谱的PROSAIL模型将影响作物冠层光谱的叶面积指数等其他参数保持不变的情况下,分析了ALA对作物冠层反射光谱的影响;并基于半经验的几何光学模型对作物株形对冠层光谱影响的不同波段受到ALA变化的敏感性进行了定量分析,对于研究如何消除株形影响,提高遥感反演作物长势和叶面积指数的精度和提高作物大面积、快速遥感肥水调控决策水平具有重要意义。     

典型煤的近红外反射光谱特征的方向性研究

高光谱遥感是煤矿区探测的有效方法,对于煤炭资源调查、矿区环境监测等具有重要意义,其中煤、矸石、植被、水体等被遥测物各个方向的反射光谱特征是煤矿高光谱遥感的基础,为此有必要针对典型煤的方向反射光谱特征进行研究.从我国不同矿区收集了无烟煤、烟煤、褐煤三大类煤中的4种典型煤样,4种煤样按煤阶由高到低顺序包括无烟煤一号、贫煤、...     

高光谱遥感模型对亚洲小车蝗危害程度研究

对内蒙古自治区锡林郭勒盟亚洲小车蝗危害进行了高光谱遥感监测,利用地面高光谱数据,分析和比较了正常羊草和亚洲小车蝗危害羊草冠层反射光谱和高光谱特征参数的差异,建立了高光谱特征参数与羊草叶面积指数的关系模型。结果表明：LAI和3个高光谱参数有极显著相关性,其中以红边峰值区(620～760 nm )一阶微分总和与蓝边峰值区(430～470 nm )一阶微分总和的比值为变量的虫害光谱指数(DI)模型精度最高,最适于反映研究区蝗虫的危害程度。从模型可以看出,DI介于51.57～79.83,蝗虫轻度发生;DI小于51.57,蝗虫严重发生。模型的预测值与实际值相关系数为0.948,平均相对误差为3.928%,表明模型的预测效果较好。     

用高光谱微分指数监测冬小麦病害的研究

工田间诱发不同等级小麦条锈病,在不同生育期测定染病冬小麦冠层光谱、生理生化参数以及相应的病情指数。 对小麦冠层一阶微分光谱进行分析,结果表明随病情指数增大,一阶微分光谱在绿边(500～560 nm)内逐渐增大,在红边(680～760 nm)内逐渐降低。红边核心区(725～735 nm)内一阶微分总和(SDr′)与绿边核心区(520～530 nm)内一阶微分总和(SDg′)的比值,与病情指数具有极显著线性负相关性,相关系数r2＝0.921(n＝28),且能够在症状出现前12 d识别出健康作物与病害作物。因此,微分植被指数SDr′/SDg′能够监测并反演作物病害信息。研究结果对利用高光谱遥感获取作物病害信息具有实际应用价值,对提高粮食产量、保证粮食安全具有重要意义。     

基于CHRIS数据的新型植被指数的LAI估算研究

叶面积指数(LAI)作为重要的植被冠层结构参数,对其进行正确估算一直是遥感应用研究的重点。CHRIS/PROBA是目前具有较高分辨率(17 m)的高光谱多角度数据,该数据在反演LAI方面有着重要的应用价值。本次研究应用辐射传输ACRM模型来模拟一系列LAI在不同观测天顶角(-80°～+80°)情况下的植被光谱数据,在此基础上利用红波段和近红外波段构建了一个新型高光谱多角度植被指数HDVI,并成功地应用于CHRIS/PROBA数据对LAI的估算。结果表明：(1)相比光谱指数NDVI和多角度指数HDS,新指数能更好地利用光谱和多角度双重信息,与研究区LAI有着更好的相关性,决定系数R2高达0.734 7。(2)利用LAI-HDVI最优拟合方程关系来估测LAI值,得到了研究区的LAI分布图,LAI估算精度均方根误差RMSE为0.619 8。     

基于Hyperion高光谱数据的温带森林不同冠层结构的光谱特征分析

冠层是植被进行生态过程的主要层次,森林冠层结构影响冠层生化组分的遥感反演,因此对其光谱特征的分析有助于提高冠层生化组分反演的精度。以长白山温带阔叶红松林为研究对象,利用Hyperion高光谱数据提取不同林冠反射率,运用连续统去除和光谱一阶微分法进行光谱变换,定量分析森林冠层的光谱特征。通过计算样方阔叶树种优势度(BFDI),以及一系列光谱指数(NIR,NDVI,EVI,NDNI,SPRI*NDVI和SPRI*EVI),探讨冠层结构组成对其光谱特征及光谱指数的影响。结果表明：(1)相比阔叶林冠层,针阔混交林、美人松林和樟子松林冠层光谱的红边有左移趋势,斜率明显下降,蓝边、黄边斜率特征也相应减弱,近红外波段反射率明显下降,可见光波段的归一化反射率有上升趋势,表明不同林冠,尤其针叶林与阔叶林林冠之间的光谱特征差异明显。(2)BFDI对冠层NIR反射率和三边斜率有明显的影响,与光谱指数显著相关(P<0.01),表明BFDI影响森林光谱指数。BFDI与NDVI,EVI,SPRI*EVI,NIR,SPRI*NDVI,NDNI的R2分别达到0.90,0.83,0.83,0.81,0.68,0.59,揭示了BFDI对于冠层绿度、叶面积指数、植被生产力以及冠层叶氮浓度等植被参数存在一定影响。研究表明,利用星载高光谱数据结合地面样方调查可以很好地阐明林冠结构组成对于光谱特征的影响,也对优化植被冠层生化组分和森林生态系统生产力的遥感反演具有借鉴意义。     

绿色植物反射光谱的特征及其在监测农作物生长中的应用

介绍了在０．４－２．４μｍ波长范围内绿色植物反射光谱和土壤反射光谱的一些主要特征以及植被光谱指数和导数谱的一些应用，还讨论了如何从农作物反射光谱中提取反映农作物生长情况的农学参数和生理参数的一些方法。     

森林土壤多角度高光谱偏振反射影响研究初探

应用高光谱仪实测了部分典型森林土壤在不同状态下的多角度高光谱偏振反射数据,从光线入射天顶角、探测天顶角、探测方位角、偏振状态、土壤含水量、土壤粒径等不同影响因子对所测土壤的多角度高光谱偏振反射数据进行了初步分析与研究,结果发现这些因子对森林土壤光谱曲线均有影响,但主要影响森林土壤反射比值,对森林土壤光谱谱形影响不大.根据森林土壤光谱特征和实验得出的结论,作者设计出遥感中森林土壤波谱探测的最佳设计方式,保证最佳的森林土壤的遥感状态.这不仅是对森林土壤性质的测试做出了新尝试,而且对多角度偏振高光谱的深入研究具有一定的理论与实践意义.     

像元尺度林地冠层二向反射特性的模拟研究

计算机模拟模型是以计算机图形学方法生成的植被真实结构场景为基础,利用辐射度方法模拟植被冠层的辐射特性。文章将这种方法拓展到遥感像元尺度林冠二向反射光谱特性的模拟。由于模拟像元尺度的林地真实场景需要大量面元组成,而辐射度方法无法承受如此多的面元计算。为了解决这一问题,文章提出了简化树冠结构的思想,将树冠抽象为椭球体,根据光在真实树冠内部能量传输的特点为简化的椭球体面元赋值,并将真实树冠间的间隙率考虑其中,结合几何光学模型的思想完成了像元尺度林地场景冠层二向反射光谱特性的模拟。并将模拟结果与GOMS模型、MISR多角度遥感数据进行了比较,取得了比较好的结果。研究结果对多角度遥感数据应用和植被冠层结构参数反演具有重要价值。     

主成分分析法与植被指数经验方法估测冬小麦条锈病严重度的对比研究

通过人工田间诱发不同等级小麦条锈病,在不同生育期测定染病冬小麦冠层光谱及其病情指数(disease index,DI)。利用主成分分析法提取冠层光谱350～1 350 nm范围内的前5个主成分(principal components,PCs),以及一阶微分光谱在蓝边(490～530 nm),黄边(550～582 nm)和红边(630～673 nm)内的前3个PCs,并利用逐步回归法建立反演模型,其结果分别与植被指数经验模型进行对比,结果表明:以一阶微分PCs为变量的模型精度优于其他模型,其RMSE为7.65,相对误差为15.59％。通过对预测值与实测值对比发现,以微分指数SDr′/SDg′为变量的模型适合监测冬小麦早期病情,而以一阶微分PCs为变量的模型特别适合监测冬小麦条锈病病情较严重期。研究结果对利用高光谱遥感监测与评估小麦病害程度具有实际应用价值。     

高光谱遥感识别地下储存天然气微泄漏点

如何及时准确探测天然气地下储存库或管道出现的微泄漏点目前尚是一个难题。通过野外可控系统模拟天然气微泄漏实验，研究天然气微泄漏对地表植被的影响及遥感特征变化，从而间接探测天然气微泄漏点。实验以草地与大豆为研究对象，测量了胁迫区与对照区植被的冠层光谱，进行奇异值剔除和平滑处理，对一阶微分处理后的植被冠层光谱再进行连续小波变换分析，发现对照组与胁迫组植被冠层光谱小波能量系数在685和715 nm处差异较大，且规律稳定，用其构建归一化指数(DW₆₈₅-DW₇₁₅)/(DW₆₈₅+DW₇₁₅)(DW)，并与PRI，NPCI，NDVI，D₇₂₅/D₇₀₂指数进行对比分析，经J-M距离检验，结果表明归一化指数DW在识别天然气微泄漏胁迫下的草地和大豆具有较好的识别效果，且比PRI，NPCI，NDVI，D₇₂₅/D₇₀₂指数具有更好的普适性与稳健性。该结果表明，通过高光谱技术间接检测天然气微泄漏点具有可行性，为以后的工程应用提供技术支持和理论基础。     

基于多光谱数据的植被水分反演及其在旱情评估中的应用分析

植被作为干旱的承载体,其含水量的变化反映了旱情的时空分布以及受旱程度。文章从监测原理、植被水分表征以及遥感数据反演模型等三个方面,开展了基于多光谱遥感数据的植被水分反演方法研究。以2010年春季西南四省为应用案例,进行了植被水分的反演和时空分析,并与气象数据进行了相关性分析。结果表明:在2010年旱情中,降水对植被水分变化具有一定的影响;然而由于植被吸收降水的过程是一个滞后的过程,因而降水的变化对植被水的影响也存在一定滞后效应。在上述分析基础之上,从时间和空间尺度对植被水分在旱情监测和评估中的应用进行了评价。通过时间合成以及与其他数据(如历史数据)的结合,可克服多光谱数据的自身不足,提高多光谱遥感数据在旱情监测和评估的应用性。