植被结构特征对MODIS光谱干旱指数的影响

基于MODIS光谱反射信息的干旱指数在农业生产实践中有广泛的应用。利用PROSAIL模型和山东2010年的观测数据,研究了植被叶面积指数和生理生长周期等结构特征对MODIS光谱干旱指数的影响。结果表明,MODIS近红外与短波红外三个波段的反射率随植被叶片含水量变化明显,由他们构建的五种MODIS光谱干旱指数能够监测植被叶片水分含量。然而,各干旱指数均受叶面积指数(LAI)的影响,在LAI较低时影响较为严重,随着LAI的增大,这一影响逐渐减弱;植被生理生长周期也会影响干旱指数的大小。因此,在使用MODIS光谱干旱指数进行区域干旱监测时,必须考虑植被结构特征,谨慎分析监测结果。研究结论将为干旱遥感监测提供理论基础。     

融合可见光-近红外与短波红外特征的新型植被指数估算冬小麦LAI

考虑到短波红外特征与叶面积指数(LAI)有很好的关联,将短波红外特征的典型水分指数与基于可见光-近红外特征的植被指数相融合,尝试构建新的植被指数估算作物LAI。通过PROSAIL辐射传输模型分析新植被指数对LAI饱和响应的特征;利用2009年和2008年北京地区冬小麦实测光谱数据进行LAI估算建模与验证。结果表明：所选择的10个典型可见光-近红外植被指数分别与5个水分植被指数相结合构建的新指数,都能够有效提高与LAI的相关性,特别是在融合了含有短波红外特征的sLAIDI*指数后,新指数显著提高了对LAI响应的饱和点,而对植被水分变化不敏感,LAI估算精度得到改善。研究表明：将短波红外特征引入到可见光-近红外植被指数中,构建的新植被指数对冬小麦LAI估算具有明显的优势。     

基于SWIR-Red光谱特征空间的农田干旱监测新方法

干旱是一种频繁发生的自然灾害,遥感监测干旱已成为重要的研究方向。可从农田遥感干旱监测最主要的两种地物类型(植被和土壤)的光谱特性分析入手,选择了对水分变化敏感的红光、短波红外波段来监测干旱状况,以短波红外与红光的差值和短波红外与红光的和构建新的光谱空间特征,提出了干旱监测的新方法——归一化的干旱监测指数NPDI。用野外实测的土壤含水量对NPDI模型进行验证,结果表明:NPDI,MPDI与10cm处的土壤含水量模型都具有较高的相关性,其R2分别为0.583和0.438,NPDI模型的监测效果要优于MPDI。此模型是对PDI,MPDI和SPSI等模型的进一步改进,可实现对不同植被覆盖度的、整个生长季的农田干旱监测,在实际的农田干旱监测中具有较高的应用潜力和推广价值。     

基于Landsat 8 OLI数据的玉米冠层含水量反演研究

植被含水量是作物长势好坏的指示因子,利用遥感技术及时准确监测植被含水量对农业生产、作物估产和干旱状况评价具有重要意义。基于新一代对地观测计划Landsat 8 OLI传感器(Operational Land Imager,陆地成像仪),评价其植被含水量反演的能力与局限性。首先,利用ProSail冠层模型模拟冠层光谱反射率数据集,分析OLI传感器的植被含水量敏感波段以及土壤背景对各波段反射率的影响,然后利用基于Landsat OLI影像计算的植被水分指数和2013年6月1日—8月14日期间采样的植被含水量数据,比较12种植被水分指数与地面实际采样的植被含水量的相关性,评价估算植被含水量的最佳植被水分指数。结果表明：OLI传感器的红、近红外和两个短波红外对植被含水量敏感,其中近红外波段最为敏感;在低植被覆盖度时,土壤背景反射率的太阳辐射将达到光谱传感器影响植被水分指数与植被含水量之间的关系,利用ProSail模拟干湿土壤背景反射率结果也表明土壤背景对植被冠层反射率的影响很大;引入优化土壤调整植被指数(OSAVI)去除土壤背景对植被水分指数的影响;在12种植被水分指数中,MSI2与植被含水量的拟合关系最好(R2=0.948),植被含水量的平均拟合误差为0.52 kg·m-2;在植被生长晚期即植被含水量大于2 kg·m-2时,各植被水分指数出现饱和情况,植被含水量的估算结果不佳。     

无人机遥感的多植被指数土壤水分反演模型

土壤水分是影响农业生产的重要因素,在作物生长发育和最终产量上起着至关重要的作用,快速、高效地估算土壤水分已成为农林水资源监测的热点问题。利用高光谱反射率的特征波段计算植被指数、构建土壤水分反演模型已获得广泛的认可和应用。针对反演土壤水分受植被覆盖度影响较大的问题,提出用多种植被指数组合削弱植被覆盖度对土壤水分反演的影响。在宜昌市仓屋榜试验基地选取30组柑橘树,在果树滴落线处收集土壤,通过烘干法测定土壤质量含水率,采样4次,共计120组土壤含水率;并利用ASD Field Spectral FR光谱仪(波长范围325～1 075 nm)及大疆精灵4多光谱版无人机获取了120组试验区蓝、绿、红、红边、近红外及短波红外波段光谱反射率,采用移动平均法对光谱数据进行降噪预处理,通过灰色关联法对9种植被指数进行比较分析,筛选出与土壤水分极显著相关的4种植被指数(p<0.01),各指数与土壤水分的相关性从高到低依次为裸土指数(BSI)、归一化蓝绿差异植被指数(NGBDI)、绿色归一化指数(GNDVI)、归一化差异植被指数(NDVI),其中BSI与土壤水分的相关性最高,相关系数为-0.687(N...     

光谱异同性和多尺度卫星雪盖差异分析——以MODIS和HJ-1B为例

为了探索不同类型遥感传感器对地物反射光谱响应的异同和卫星遥感监测雪盖空间尺度的差异,收集了2007年—2013年冬春季川西北米亚罗地区、青海省祁连山区和新疆北疆地区各种积雪、植被和裸土反射光谱数据,经中分辨率成像光谱仪MODIS和环境与灾害监测预报小卫星HJ-1B传感器响应函数完成地基光谱到传感器可见光、近红外及短波红外通道反射率的转换。分析了新旧融雪、不同雪深及不同积雪覆盖下的反射光谱特征及不同传感器对地物反射光谱响应的异同性,并结合同期同区域影像分析了MODIS和HJ-1B积雪监测空间尺度的效果差异。结果表明,可见光波段范围内,各传感器对新雪和污雪反射光谱响应一致性很高;对裸土和矮株植被反射光谱响应程度较为一致;对其他类型积雪反射光谱响应程度有所不同,尤其是消融积雪和冻结积雪,反射光谱响应性差异很大;全雪覆盖下,深度不同的积雪NDSI值域相对稳定,不同传感器NDSI具有很好的趋势一致性;MODIS和HJ1B NDSI法监测积雪空间尺度差异明显,很好的解释了混合像元存在的成因。     

基于NIR-Red光谱特征空间的作物水分指数

水分含量是表征作物水分胁迫生理状况的重要指标,及时有效地监测作物水分含量对于评估作物水分亏缺平衡,指导农业生产灌溉具有重要意义。基于NIR-Red二维光谱特征空间,尝试构建一种新的作物水分监测指数PWI来估算作物水分含量。以冬小麦作物植被水分含量估算为尝试对象。首先,利用地面实测小麦冠层高光谱数据,结合对应卫星光谱响应函数,模拟当前常用卫星HJ-CCD和ZY-3多光谱数据;然后,对基于NIR-Red二维光谱特征空间的现有植被指数PDI(垂直干旱指数)和PVI(垂直植被指数)进行改进,通过比值变换的方法构建新的指数PWI来估算冬小麦植株含水量(VWC)。结果显示：基于模拟的HJ-CCD和ZY-3卫星宽波段多光谱数据生成的PWI估算小麦VWC具有良好的效果,R2分别达到0.684和0.683, 均达到了极显著水平。利用检验样本得到冬小麦VWC估算的R2和RMSE分别为0.764和0.764,3.837%和3.840%,这表明应用提出的新指数PWI估测作物含水量具有一定可行性。同时,也为当前利用主要国产卫星遥感数据HJ-CCD和ZY-3开展作物水分遥感监测应用提供了一种新方法。     

玉米苗期干旱胁迫对关键生育期的光谱特征影响分析

植被的光谱特征是监测植被生长发育状态、健康状况的基础,探索玉米苗期干旱胁迫后的关键发育期光谱特征变化,不仅为植被光谱数据库的建设提供理论数据,也为植被水分胁迫高光谱识别提供理论依据。以辽宁西部锦州生态与农业气象站大型农田土壤水分控制场为研究区,对玉米苗期、拔节期、抽雄期和乳熟期4个发育期进行苗期干旱胁迫小区和水分适宜小区光谱观测,通过分析原始光谱、一阶导数光谱、光谱参数和水分敏感植被指数,对比苗期干旱胁迫光谱与同期对照的光谱特征差异性。结果表明:(1)对于原始光谱来说,玉米在苗期受到干旱胁迫后,与同期水分适宜的玉米光谱特征有较为明显区别,在可见光波段和短波红外波段反射率均高于同期对照反射率,近红外波段明显低于同期对照反射率,拔节期差异性最为显著,达到了5%左右,随着作物的生长,差异性逐渐减弱。(2)4个发育期玉米一阶导数光谱在可见光波段均出现双峰,红光位置峰值在抽雄期达到最大;苗期干旱胁迫一阶导数光谱的红光位置峰值均低于同期对照,拔节期差异明显,在0.003左右,乳熟期差别明显减小,可区分性减弱。(3)苗期胁迫玉米光谱参数与同期对照相比,从苗期到乳熟期,红边位置存在"蓝移"—"红移"—"蓝移"的现象,绿峰位置均存在向长波方向移动的现象;在抽雄期和乳熟期,蓝边位置、蓝边幅值、黄边位置和黄边幅值两者差异不明显;在三边面积中,红边面积均低于同期对照,黄边面积均高于对照,两者的蓝边面积无明显差异。(4)在8个水分敏感植被指数中, NDWI和NDW_2的差异性指数在玉米四个关键发育期均达到50%以上,可区分性明显。该研究旨在为植物水分胁迫光谱库提供基础数据,为作物干旱识别的谱段选择及高光谱波段设置提供基础依据。     

基于LST_LAI特征空间的农田干旱监测研究

农田干旱具有范围广且对农业生产影响巨大的特点,对农田干旱的遥感实时动态监测是目前公认的难题。利用MODIS的地表温度(LST)产品和叶面积指数(LAI)产品,构建LST-LAI光谱特征空间,提出温度—叶面积干旱指数(temperature LAI drought index,TLDI)监测农田水分含量,并利用宁夏实测的0～10 cm平均土壤含水量验证该指数的精度,结果表明：它们之间具有良好的相关性,R2的变化范围为0.43～0.86。与TVDI相比,TLDI弥补了作物封垄后TVDI因归一化植被指数(NDVI)饱和对农田水分监测精度降低的缺陷。此外,利用MODIS数据产品LST和LAI进行农田干旱监测,避免了使用MODIS原始数据的繁杂处理过程,初步为MODIS数据产品在农田干旱监测业务化运行探索出一条技术流程。     

新植被水分指数的冬小麦冠层水分遥感估算

水分含量是表征作物水分胁迫生理状况的重要指标,及时有效地监测作物水分含量对于评估作物水分盈亏平衡,指导农业生产灌溉具有重要意义。针对不同形式的归一化差值水分指数(NDWI)存在的饱和性问题,拟引入增强型植被指数EVI对其加以适当改进,通过构建新的植被水分指数NDWI#(即NDWI*EVI)来估算作物水分含量。首先,利用PROSAIL辐射传输模型分析了由不同水分敏感波段(1 240,1 450,1 950和2 500 nm)构建的各种典型NDWIs与相应新植被水分指数NDWI#对植被冠层水分及LAI的饱和响应特征;然后,利用田间实验光谱和水分数据,开展作物水分含量的建模和验证分析。结果表明：将EVI引入后,形成的新水分指数NDWI#能够有效提高冬小麦水分含量估算精度,特别是针对NDWI₁₄₅₀,NDWI₁₉₄₀,NDWI₂₅₀₀这三个指数,改进后的新指数显著提高了对LAI响应的饱和点,冬小麦作物水分估算精度也得到较为的明显改善。研究表明,将含有可见光波段信息的EVI引入到NDWI中,构建的新指数NDWI#因融合可见光、近红外和短波红外更多波段的光谱信息,对估算冬小麦冠层含水量可能具有更好的优势。     

遥感数据在农业旱情监测中的应用研究进展

在全球变暖的背景下,农业干旱频发不仅严重影响区域粮食安全和生态安全,同时还威胁社会经济稳定和可持续发展。农业旱情遥感监测是预防农业旱灾发生发展的重要途径,可以为科学制定旱灾风险管理措施提供有力支撑。因此,厘清农业旱情遥感监测研究进展对于今后更好地开展农业旱情监测及预警研究以及进一步促进社会经济的可持续发展具有重要的现实意义。基于此,系统梳理了当前遥感数据在农业旱情监测中的应用研究进展。针对不同的农业旱情评价对象,将旱情监测指标分为降水监测指标、土壤含水量监测指标和作物需水监测指标,并对不同指标涉及的遥感数据源和评价方法进行了归纳和总结。重点针对农业旱情监测涉及的最主要的两种典型地物（土壤和植被）的光谱特性差异和对水分变化的敏感波段不同,系统总结了微波遥感监测法,可见光、近红外与热红外遥感监测法和高光谱遥感监测法用于农业典型地物旱情监测的近今进展,并探讨了未来农业旱情遥感监测研究的主要发展方向,以期为今后更好地开展农业旱情预警和调控管理工作提供参考。     

ADI土壤水分反演方法

土壤水分是影响植被、土壤和大气之间能量和水分循环的重要因素,及时准确获取土壤湿度信息有利于提高作物估产精度和改善田间管理措施。本文基于红光与近红外光谱特征空间(NIR-RED)发展了一种新型土壤水分遥感监测模型ADI(angle dryness index),提高了可见光与近红外波段监测土壤水分的精度。经过研究表明,在红光与近红外(NIR-RED)特征空间中,存在一个中间角度变量θ,利用光谱反射率与土壤水分之间的经验关系式模型以及混合像元分解公式证明该变量能够表征土壤湿度情况,而不受植被覆盖度的影响,因此利用该原理构建了ADI方法。最后利用两组遥感数据(分别为TM5与MODIS产品数据)以及对应的地面观测数据进行验证,结果表明计算值与实测值均具有较高的一致性,R2分别达到0.74与0.64。同时,将MPDI的计算结果与实测值进行了比较,两组数据的R2均小于0.60,表明ADI方法的计算精度高于MPDI。在MPDI的计算过程中用到了植被覆盖度,这可能是引起计算结果误差的主要因素。此外,MPDI的计算结果表征土壤湿度的相对值,而ADI则能定量的获取土壤水分含量。MODIS像元除了具有植被与土壤两个端元,还有其他类型端元的概率高于TM数据,因而MODIS数据的计算精度低于TM。因此,ADI是一种简单可行且具有较大应用前景的土壤水分反演方法,适合于推广应用。     

Determining the Canopy Water Stress for Spring Wheat Using Canopy Hyperspectral Reflectance Data in Loess Plateau Semiarid Regions

Crop water stress significantly reduces crop yield. Several studies have employed optical and remote-sensing methods to obtain nondamage monitoring crop water content to understand the agriculture drought process. In this paper, the spectral information (i.e., the canopy absorption feature at the 350–2500 nm band range) from the field experiments was used to estimate and identify the canopy water stress. Five different levels of water treatments exist in the spring wheat field in the semiarid regions of Loess Plateau, Northwest China. The hyperspectral reflectance, soil moisture content, soil water potential, canopy water content, amount of chlorophyll, leaf area index, and environmental parameters were measured. The relationship between canopy reflectance and canopy water content was analyzed at different water stress levels. In addition, various spectral indices were tested by measurements. Results showed that a high correlation exists in semiarid water index-1, semiarid water index-2, and red-edge normalized difference vegetation index, thus denoting that these indices can indicate water stress effectively. We can conclude that canopy reflectance can identify crop water stress and can be used to develop a certain index for monitoring agriculture drought.     

基于清洁水体像元法的环境-1A卫星CCD水体图像大气校正

环境卫星(HJ-1A/B)的CCD图像数据在内陆水环境遥感监测中具有很大的潜力,但它的大气校正的精度是影响其定量化应用的重要因素.文章以上海淀山湖地区HJ-1A卫星搭载的CCD1多光谱数据为应用实例,首先实现了瑞利散射的精确计算,在气溶胶散射的计算中,由于内陆湖泊Ⅱ类水体的光学特性,致使环境星CCD数据的近红外波段的离...     

基于光谱分析与角度斜率指数的植被含水量研究

植被含水量是植被生长状态的重要指示因子,是农业、生态和水文等研究中的重要参数,其诊断对于监测自然植被群落的干旱状况、预报森林火灾等都具有重要意义。通过对植被光谱反射率与植被含水量的相关性分析,发现植被波谱不同波段的光谱反射率与植被含水量的相关性差异很大,其中可见光红光波段(620～700 nm)、近红外波段(800～1 350, 1 600～1 950, 2 200～2 400 nm)的光谱反射率与植被含水量具有较好的相关性,选取了660,850,1 630和2 200 nm的光谱反射率作为RED,NIR,SWIR1和SWIR2的波段值来建立角度斜率指数;分析了植被含水量与角度斜率指数的关系,将角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)作为反演植被含水量的参量,建立植被含水量与角度斜率指数之间线性回归模型。通过对近红外角度指数ANIR改进,提出了近红外角度归一化指数NANI(near infrared angle normalized index)与近红外角度斜率指数NASI(near infrared angle slope index),建立植被含水量与NANI和NASI之间线性回归模型,结果显示：NANI与Palacios-Orueta等提出的角度斜率指数(SANI,SASI,ANIR)相比有一定的优势,模型可决系数R2从原最高0.791提高到0.853,RMSE也从原最小0.047降低到0.039。确定了NANI为反演植被含水量的最佳角度斜率指数,并建立了植被含水量反演模型。该研究主要创新点：在前人研究成果基础上,通过对原角度斜率指数的改进,提出了NANI和NASI角度斜率指数,使其在植被含水量反演上具有更高的精度。