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遥感地学分析

花匠小妙招
2024-08-30 18:40

1、遥感地学分析遥感地学分析第一章第一章植被遥感植被遥感一、植被遥感原理一、植被遥感原理二二、植被分类、植被分类三、植被生态参数的估算三、植被生态参数的估算四四、与光合作用有关的物理量的估算、与光合作用有关的物理量的估算五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测研究研究主要内容植被n植被植被是是生长于地球表层的各种植物类型的总生长于地球表层的各种植物类型的总称称，在地球系统中扮演着重要的角色，它是，在地球系统中扮演着重要的角色，它是地球表层内重要的再生资源。地球表层内重要的再生资源。n植被是全球变化中最活跃、最有价值的影响植被是全球变化中最活跃、最有价值的影响要素和指示因

2、子（找水、矿）。要素和指示因子（找水、矿）。n植被影响地气系统的能量平衡植被影响地气系统的能量平衡,在气候、水文在气候、水文和生化循环中起着重要作用和生化循环中起着重要作用,是气候和人文因是气候和人文因素对环境影响的敏感指标。素对环境影响的敏感指标。植被n因此因此,地球植被及其变化一直被各国科地球植被及其变化一直被各国科学家和政府所关注。学家和政府所关注。n卫星遥感是监测全球植被的有效手段卫星遥感是监测全球植被的有效手段,为人类提供了监测、量化和研究人类有为人类提供了监测、量化和研究人类有序活动和气候变化对区域或全球植被变序活动和气候变化对区域或全球植被变化影响的可能。化影响的可能。植被遥感研

3、究的主要内容：n（1）通过遥感影像从土壤背景中区分出植被）通过遥感影像从土壤背景中区分出植被覆盖区域，并对植被类型进行划分，区分是覆盖区域，并对植被类型进行划分，区分是森林还是草场或者农田，进而可以问是什么森林还是草场或者农田，进而可以问是什么类型的森林，什么类型的草场，什么样的农类型的森林，什么类型的草场，什么样的农作物，如此等等。作物，如此等等。n（2）能否从遥感数据中反演出植被的各种重）能否从遥感数据中反演出植被的各种重要参数，例如叶面积指数（要参数，例如叶面积指数（LAI）、叶子宽度、）、叶子宽度、平均叶倾角、植被层平均高度、树冠形状等平均叶倾角、植被层平均高度、树冠形状等等，这一类问

4、题属于更深层次的遥感数据定等，这一类问题属于更深层次的遥感数据定量分析方法与反演技术。量分析方法与反演技术。植被遥感研究的主要内容：n（3）能否准确的估算出与植被光合作用有关）能否准确的估算出与植被光合作用有关的若干物理量，例如植被表面水分蒸腾量、的若干物理量，例如植被表面水分蒸腾量、光合作用强度（干物资生产率）、叶表面温光合作用强度（干物资生产率）、叶表面温度等。度等。关于植被资源的清查与分类方面以已取得了较关于植被资源的清查与分类方面以已取得了较为突出的成绩，后两个问题正是植被遥感所为突出的成绩，后两个问题正是植被遥感所要研究的问题，虽已取得了相当的进展，但要研究的问题，虽已取得了相当的进

5、展，但到成熟仍需时日。到成熟仍需时日。一、植被遥感原理一、植被遥感原理v植被遥感不仅依赖于对植被遥感不仅依赖于对单张植物叶片单张植物叶片的光的光谱特性，还需进一步认识谱特性，还需进一步认识植被冠层植被冠层的光谱的光谱特性。特性。v1 1、植物叶片结构、植物叶片结构叶片是绿色植物的主要受光面积，也是遥感传叶片是绿色植物的主要受光面积，也是遥感传感器所接收到的植被信号的主要贡献者。分为感器所接收到的植被信号的主要贡献者。分为异面叶异面叶和和等面叶等面叶两种。两种。异面叶异面叶的叶肉组织有较大分化，形成的叶肉组织有较大分化，形成栅栏组织栅栏组织和和海绵组织海绵组织，故叶片上下面的受光情况不同，故叶片

6、上下面的受光情况不同，上呈深绿色，下呈淡绿色。上呈深绿色，下呈淡绿色。等面叶等面叶的组织分化不明显。的组织分化不明显。（一）单张叶片光谱（一）单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v1 1、植物叶片结构、植物叶片结构叶片一般具有三部分：叶片一般具有三部分：表皮表皮、叶肉叶肉和和叶脉叶脉表皮表皮：包围整个叶片，由一层或多层组成。表：包围整个叶片，由一层或多层组成。表皮细胞扁平，排列紧密，通常皮细胞扁平，排列紧密，通常不含叶绿体不含叶绿体，外，外表常有一层表常有一层角质层角质层。（一）单张叶片光谱（一）单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v1 1、植物叶片结构、植物叶片结构叶肉叶肉：为表皮内

7、的同化薄壁组织，有两种：为表皮内的同化薄壁组织，有两种：（1 1）栅栏组织栅栏组织：紧靠上表皮下方，呈圆柱状，：紧靠上表皮下方，呈圆柱状，垂直于表皮细胞，并紧密排列呈栅状，垂直于表皮细胞，并紧密排列呈栅状，内含较内含较多叶绿体多叶绿体。在两面叶或针形叶，栅栏组织亦分。在两面叶或针形叶，栅栏组织亦分布于下表皮上方或整个表皮内侧四周，但亦有布于下表皮上方或整个表皮内侧四周，但亦有一些水生及阴生植物的叶是完全没有栅栏组织一些水生及阴生植物的叶是完全没有栅栏组织的。的。（2 2）海绵组织海绵组织：细胞形状多不规则，：细胞形状多不规则，内含较少内含较少叶绿体叶绿体，位于，位于栅栏组织下方栅栏组织下方，层

8、次不清，层次不清，排列排列疏松疏松，状如海绵。，状如海绵。（一）单张叶片光谱（一）单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v1 1、植物叶片结构、植物叶片结构叶脉叶脉：为贯穿于叶肉间的维管束。主脉部分维：为贯穿于叶肉间的维管束。主脉部分维管束较粗大，侧脉及小脉部分维管束较细小。管束较粗大，侧脉及小脉部分维管束较细小。叶脉具有输导和支持的作用，是盐分和水分的叶脉具有输导和支持的作用，是盐分和水分的运输管道，也是光合作用产物的运输通道。运输管道，也是光合作用产物的运输通道。（一）单张叶片光谱（一）单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v2 2、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和

9、透射特性（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素入射辐射入射辐射外部反射外部反射内部反射内部反射透射辐射透射辐射反射辐射反射辐射散散射射辐辐射射入射辐射入射辐射-散射辐射散射辐射=吸收辐射，用于增加植物体温和光合作用吸收辐射，用于增加植物体温和光合作用v2 2、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和透射特性（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素1）绿色叶片反射和透射光谱非常相似；）绿色叶片反射和透射光谱非常相似；2）叶片对紫外线吸收很大，达）叶片对紫外线吸收很大，达90%-99%；3）叶片对可见光以吸收为主（约）叶片对可见光以吸收

10、为主（约90%），且蓝），且蓝-紫光紫光（0.38-0.47um）和橙）和橙-红光（红光（0.62-0.68um）的光合有的光合有效辐射吸收最大，约效辐射吸收最大，约90%，绿光吸收最少，吸收率为，绿光吸收最少，吸收率为50%-90%。4）从）从0.69um始，叶片对近红外始，叶片对近红外辐射的吸收迅速减小，在辐射的吸收迅速减小，在0.76和和1.2um间有最小吸收率，间有最小吸收率，5-25%，故反射和透射最大。故反射和透射最大。v2 2、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和透射特性（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素5）超过）超过1.2um，又以

11、吸收为主，且在，又以吸收为主，且在1.4、1.9和和2.7um出现液态水吸收带，吸收作用增强，达到出现液态水吸收带，吸收作用增强，达到70-95%。6）1.3um的短波红外，入射能基本均被吸的短波红外，入射能基本均被吸收或反射，透射极少。收或反射，透射极少。植物叶片的反射、透射和吸植物叶片的反射、透射和吸收特性随种类、生长期、病收特性随种类、生长期、病害及入射波长不同而变化，害及入射波长不同而变化，故可依据此识别植被、诊断故可依据此识别植被、诊断病害及估产。病害及估产。v3 3、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v1 1）叶片生化组分）叶片生化组分v叶片生化组分包括叶片生化组分包括水

12、水、叶绿叶绿素素、胡萝卜素胡萝卜素、纤维素纤维素和和蛋蛋白质白质等，它们决定了叶片的等，它们决定了叶片的吸收特性。吸收特性。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素v植物的光谱特性受植物的光谱特性受叶子总含水量叶子总含水量的的控制控制，反射率与，反射率与总含水量呈相关关系。总含水量呈相关关系。不同水分含量玉米叶子反射曲线不同水分含量玉米叶子反射曲线v3 3、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v1 1）叶片生化组分）叶片生化组分v在可见光谱段内，植物光谱特性主要受在可见光谱段内，植物光谱特性主要受叶内各叶内各种色素种色素（叶绿素和胡萝卜素等）的支配，其中（叶绿素

13、和胡萝卜素等）的支配，其中叶绿素叶绿素起最主要的作用。起最主要的作用。v因色素强烈吸收，叶片的反射和透射都很低。因色素强烈吸收，叶片的反射和透射都很低。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素v3 3、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v1 1）叶片生化组分）叶片生化组分v叶绿素叶绿素a、b，导致，导致0.45m与与0.67m为中心为中心形成两个强烈的吸收带；形成两个强烈的吸收带； v胡萝卜素、叶黄素导致胡萝卜素、叶黄素导致0.43m-0.48m范围范围内形成强烈的吸收带。内形成强烈的吸收带。v两吸收谷间（两吸收谷间（0.54m附近）吸收相对较少，附近）吸收相

14、对较少，形成绿色反射峰（形成绿色反射峰（10%-20%）。）。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素不同色素影响反射率n植物叶子中含有多种色素，如植物叶子中含有多种色素，如叶青素叶青素、叶红素叶红素、叶黄素叶黄素、叶绿素叶绿素等，在可见光等，在可见光范围内，其反射峰值落在相应波长范围范围内，其反射峰值落在相应波长范围内。内。不同颜色叶子的反射光谱不同橡树叶子的反射特性不同橡树叶子的反射特性12a34a.b.c.05101520253035Blue (0.45 - 0.52 m mm)Percent ReflectanceGreen leafYellowRed/or

15、ange Brown 42134540Green (0.52 - 0.60 m mm)Red (0.63 - 0.69 m mm)Near-Infrared (0.70 - 0.92 m mm)d.随着植物生长，随着植物生长，叶绿素减少、叶绿素减少、其它色素增加、其它色素增加、红光附近反射率红光附近反射率上升上升不同色素影响反射率不同生长状不同生长状态橡树叶子态橡树叶子反射特性反射特性v3 3、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v1 1）叶片生化组分）叶片生化组分v蛋白质、纤维素蛋白质、纤维素+木质素木质素的吸收在的吸收在波长大于波长大于1.9um后有增加趋势，即该类化学成分在可见后

16、有增加趋势，即该类化学成分在可见光光-近红外区对植物反射率影响很小，但在短近红外区对植物反射率影响很小，但在短波红外影响增大。波红外影响增大。v因此，可利用短波红外光谱判断植物是否缺因此，可利用短波红外光谱判断植物是否缺肥并可进行氮含量的定量估算。肥并可进行氮含量的定量估算。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素短波红外吸收特征短波红外吸收特征v3 3、叶片反射波谱影响因素叶片反射波谱影响因素v2 2）叶片内部结构：）叶片内部结构：在在0.7m - 1.3m近红外谱段，植物光谱特性主近红外谱段，植物光谱特性主要取决于要取决于叶片内部的细胞结构叶片内部的细胞结构，叶片反

17、射与透，叶片反射与透射能各占射能各占4550%左右，吸收则很少。左右，吸收则很少。因为，透入叶子内部的光线，因细胞壁与细胞因为，透入叶子内部的光线，因细胞壁与细胞孔腔的折射率有明显差异，造成光线在叶子内孔腔的折射率有明显差异，造成光线在叶子内部的多次反射与折射。部的多次反射与折射。由于植物类别间的叶片结构差异很大，故不同由于植物类别间的叶片结构差异很大，故不同植物在近红外区的反射差异比在可见光区大的植物在近红外区的反射差异比在可见光区大的多，用近红外谱段进行植物类型区分。多，用近红外谱段进行植物类型区分。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素不同类型植物光谱曲线的差异

18、双子叶与单子叶植物双子叶与单子叶植物( (典型双子叶植物典型双子叶植物 ) )苹果、棉花、向日葵苹果、棉花、向日葵结构疏松，孔隙多，结构疏松，孔隙多，多次反射增加多次反射增加( (典型单子叶植物典型单子叶植物 ) )小麦、水稻、竹子小麦、水稻、竹子结构紧凑结构紧凑双子叶植物反射率高于单子叶植物反射率双子叶植物反射率高于单子叶植物反射率落叶树（阔叶）落叶树（阔叶）叶片结构比较稀叶片结构比较稀疏；疏；针叶树（针叶）针叶树（针叶）叶片结构比较紧叶片结构比较紧凑；凑；阔叶林与针叶林阔叶林与针叶林不同成熟期的叶片不同成熟期的叶片由于年轻，不成熟由于年轻，不成熟稀疏结构叶片相较稀疏结构叶片相较于年长树叶叶

19、绿素于年长树叶叶绿素含量较低、空隙率含量较低、空隙率较少，它们反映了较少，它们反映了更多的可见光辐射更多的可见光辐射和较少的红外辐射和较少的红外辐射榕树病害的反射光谱曲线对比v3 3、叶片反射波谱影响因素叶片反射波谱影响因素v3 3）叶片表面特征）叶片表面特征v叶片表面发丝状物和蜡状物叶片表面发丝状物和蜡状物也是影响叶片反也是影响叶片反射率的重要因素。射率的重要因素。v因不同植物种间表面发丝状物的差异较大，因不同植物种间表面发丝状物的差异较大，故无法用统一的模式描述其对发射率的影响。故无法用统一的模式描述其对发射率的影响。v叶片表面蜡状物改变叶面粗糙度，影响反射叶片表面蜡状物改变叶面粗糙度，影

20、响反射率。率。v叶片蜡状物对紫外和蓝光的反射增强，因其叶片蜡状物对紫外和蓝光的反射增强，因其直径为直径为125nm，使该波段产生瑞利散射。，使该波段产生瑞利散射。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素v总体来看，健康绿色植被叶片的光谱特性表总体来看，健康绿色植被叶片的光谱特性表现为相似的峰现为相似的峰- -谷相间的谱带特征。谷相间的谱带特征。但不同植被因其叶子的色素含量、细胞但不同植被因其叶子的色素含量、细胞结构、含水量、叶表面特征等均有不同，其结构、含水量、叶表面特征等均有不同，其光谱响应曲线存在着差异，这种变化和差异光谱响应曲线存在着差异，这种变化和差异正是可以

21、用来鉴别和监测植物的依据。正是可以用来鉴别和监测植物的依据。（一）单张叶片光谱特性及影响因素（一）单张叶片光谱特性及影响因素（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素1、绿色植被冠层的反射、绿色植被冠层的反射植被冠层由植被冠层由叶、花、茎、果实叶、花、茎、果实等共同构成。等共同构成。冠层光谱不仅受叶片影响，还是茎、花、穗以冠层光谱不仅受叶片影响，还是茎、花、穗以及下垫面工作作用的结果。及下垫面工作作用的结果。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素1、绿色植被冠层的反射、绿色植被冠层的反射l传感器接收到的植被冠层辐射是：传感器接收到的植被冠层辐

22、射是： 1）从植被组分上直接反射的光（冠层一次散）从植被组分上直接反射的光（冠层一次散射）；射）；2）被植被组分和地表多次散射最终逸出到达）被植被组分和地表多次散射最终逸出到达传感器的光（多次散射）；传感器的光（多次散射）；3）从地面一次反射直接到达传感器的光（地）从地面一次反射直接到达传感器的光（地表一次散射）表一次散射）（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素自然状态下植被冠层是由多重叶层组成，上层自然状态下植被冠层是由多重叶层组成，上层叶的阴影挡住了下层叶，整个冠层的反射是由叶的阴影挡住了下层叶，整个冠层的反射是由叶的多次反射和阴影的共同作用而成的。叶的多次反射

23、和阴影的共同作用而成的。冠层阴影冠层阴影所占比例受光照角度，叶的形状、大所占比例受光照角度，叶的形状、大小、倾角等的影响。小、倾角等的影响。阴影一般会导致冠层的反射阴影一般会导致冠层的反射低于低于单叶的实验室单叶的实验室测定反射值。测定反射值。但在但在近红外谱段近红外谱段冠层的反射率冠层的反射率高于高于单叶片，这单叶片，这是由是由多层叶子的多次透射多层叶子的多次透射反射导致反射导致，且冠层，且冠层反射随层数增加而增加，反射随层数增加而增加，大致大致8层叶片层叶片的冠层结的冠层结构其反射率达到构其反射率达到最大值最大值；v2 2、植被冠层影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p植被结构

24、指植物体表面的空间分布结构。植被结构指植物体表面的空间分布结构。p植被结构是随着植被结构是随着植被种类植被种类、生长阶段生长阶段、分布方式分布方式的不同而变化，详细描述很复杂。的不同而变化，详细描述很复杂。p根据遥感研究需要，采用根据遥感研究需要，采用简化简化的结构特征，分为：的结构特征，分为：水平均匀植被水平均匀植被（连续植被）和（连续植被）和离散植被离散植被两种。两种。p草地、幼林、生长茂盛农作物等为连续植被草地、幼林、生长茂盛农作物等为连续植被p疏林地、果园、灌丛等为离散植被疏林地、果园、灌丛等为离散植被（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层

25、影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p从植被遥感从植被遥感- -植物与光的相互作用出发，植植物与光的相互作用出发，植被结构主要指被结构主要指叶子形状叶子形状（用叶倾角分布（用叶倾角分布LADLAD表示），表示），大小大小（叶面积指数（叶面积指数LAILAI表示），表示），植植被冠层形状被冠层形状、大小及、大小及几何与外观结构几何与外观结构，同，同时也包括时也包括植被的成层现象植被的成层现象（与多次散射有（与多次散射有关）、关）、覆盖度覆盖度（涉及间隙率、阴影）等。（涉及间隙率、阴影）等。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层影响因素、植

26、被冠层影响因素- -植被结构植被结构p各参数的描述，如：各参数的描述，如：p冠层高度：冠层高度：土壤表层至冠层最顶部的高度。冠土壤表层至冠层最顶部的高度。冠层接收到的辐射能量往往在冠层顶部最大，随层接收到的辐射能量往往在冠层顶部最大，随冠层深度的增加而逐渐减弱，故辐射传输是冠冠层深度的增加而逐渐减弱，故辐射传输是冠层高度的函数。层高度的函数。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p各参数的描述，如：各参数的描述，如：p叶面积指数叶面积指数LAILAI：单位土地面积上的柱体内：单位土地面积上的柱体内全全

27、部植物叶子面积部植物叶子面积（仅叶片向上半面）之和。（仅叶片向上半面）之和。pLAILAI无量纲，用每平方米地表面积上的平方米叶面积无量纲，用每平方米地表面积上的平方米叶面积表示。表示。p单位地表面积上叶面积的多少对单位地表面积上叶面积的多少对光线透过、截获光线透过、截获等等至关重要。至关重要。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p各参数的描述，如：各参数的描述，如：p叶面积体密度叶面积体密度FAVDFAVD：某一高度上的单位体积内：某一高度上的单位体积内的叶面积的总和。的叶面积的总和。p其测量其测

28、量单位单位为每立方米群从容积中的平方米叶面积，为每立方米群从容积中的平方米叶面积，即即m m-1 -1. .p间隙率：间隙率：在一个固定的入射角条件下，一束光在一个固定的入射角条件下，一束光透过植被冠层而没有被拦截的概率。透过植被冠层而没有被拦截的概率。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p各参数的描述，如：各参数的描述，如：p植被覆盖度：植被覆盖度：植被冠层的垂直投影面积与土壤植被冠层的垂直投影面积与土壤总面积之比，即植土比。总面积之比，即植土比。p叶倾角叶倾角：叶子向上半面某一点上的法线方向与：

29、叶子向上半面某一点上的法线方向与Z Z轴（垂直于水平面指向天空）的交角，称为叶轴（垂直于水平面指向天空）的交角，称为叶子在该点的倾角。子在该点的倾角。p叶方位角叶方位角：法线在水平面上的投影与正北方向：法线在水平面上的投影与正北方向的交角称为叶子在该点的方位角。的交角称为叶子在该点的方位角。（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素v2 2、植被冠层影响因素、植被冠层影响因素- -植被结构植被结构p各参数的描述，如：各参数的描述，如：p同一叶子的不同部位，其倾角和方位角可能有很大同一叶子的不同部位，其倾角和方位角可能有很大差异，测量时，根据叶片弯曲程度将叶片分成几部差异

30、，测量时，根据叶片弯曲程度将叶片分成几部分，对每一部分进行测量。分，对每一部分进行测量。p一个冠层内叶倾角的分布模式可以从一个冠层内叶倾角的分布模式可以从0 0 （水平叶）（水平叶）到到90 90 （垂直叶），一般用间隔为（垂直叶），一般用间隔为10 10作出的叶倾作出的叶倾角分布频率图来表示。角分布频率图来表示。p用分布函数用分布函数LADLAD来描述不同的倾角类型，如来描述不同的倾角类型，如均匀型均匀型、球面型球面型、倾斜型倾斜型（二）（二）植被冠层光谱特性及影响因素植被冠层光谱特性及影响因素不同生长期苜蓿反射率与生物量、覆盖度的关系红边-研究热点n在近年随着高光谱遥感的兴起而发展起来的

31、光在近年随着高光谱遥感的兴起而发展起来的光谱数据分析技术中，谱数据分析技术中，植被植被“红边红边”位移现象位移现象是是研究最多、成效显著的成果之一。研究最多、成效显著的成果之一。n“红边红边”定义为反射光谱的一阶微分最大值所定义为反射光谱的一阶微分最大值所对应的光谱位置，对应的光谱位置，对应红光区外叶绿素吸收减对应红光区外叶绿素吸收减少部位到近红外高反射肩之间少部位到近红外高反射肩之间，健康植物的光，健康植物的光谱响应陡然增加的（量度增加约谱响应陡然增加的（量度增加约10倍）的这一倍）的这一窄条区。通常位于窄条区。通常位于0.680.75m之之间。间。n当绿色植物叶绿素含量高，生长旺盛时，当

32、绿色植物叶绿素含量高，生长旺盛时，“红红边边”会向波长增加的方向偏移，称会向波长增加的方向偏移，称“红移红移”。n当植物由于受金属元素当植物由于受金属元素“毒害毒害”、感染病虫害、感染病虫害、污染受害或者缺水缺肥等原因而污染受害或者缺水缺肥等原因而“失绿失绿”时，时，则则“红边红边”会向波长短的方向移动，称会向波长短的方向移动，称“蓝蓝移移”。红边-研究热点nCollins （1978）研究作物不同生长期内）研究作物不同生长期内的高光谱扫描数据发现，的高光谱扫描数据发现，作物快成熟时作物快成熟时，其叶绿素吸收边（即红边）向长波方向移其叶绿素吸收边（即红边）向长波方向移动，存在动，存在“红移红

33、移”现象。现象。n各种植物都存在红移现象，但红移量随植各种植物都存在红移现象，但红移量随植物类型存在差异。因此红移现象可以用来物类型存在差异。因此红移现象可以用来评价作物间的差异以及特定作物的成熟期评价作物间的差异以及特定作物的成熟期的开始。的开始。nHorler等（等（1983）研究还认为红边可以作）研究还认为红边可以作为植物受胁迫的光谱指示波段为植物受胁迫的光谱指示波段矿区红杉林反射曲线的蓝移现象 n还可根据还可根据“红边红边”位位移量可以精确地估计移量可以精确地估计叶绿素含量或探测叶叶绿素含量或探测叶片的生化组分。片的生化组分。n二三十年前，研究者二三十年前，研究者就发现生长在富含就发现

34、生长在富含Cu，Mo等重金属等重金属元素土壤上的植物，受金属元素元素土壤上的植物，受金属元素“毒害毒害”影响，其影响，其光谱反射特性会发生一些变化，主要表现就是光谱反射特性会发生一些变化，主要表现就是红边红边和绿峰会向短波区偏移和绿峰会向短波区偏移10nm20nm不等（见图）。不等（见图）。这种矿化带植物光谱异常是植物遥感探矿的有用指这种矿化带植物光谱异常是植物遥感探矿的有用指标。标。红边-研究热点注意n不同植物种类虽有共同的光谱反射特性，不同植物种类虽有共同的光谱反射特性，形成很有特色的光谱反射曲线，但并不是形成很有特色的光谱反射曲线，但并不是千树一面。千树一面。n实际上，不同种属，处于不同

35、生长环境，实际上，不同种属，处于不同生长环境，其光谱反射曲线有许多差异：其光谱反射曲线有许多差异：如泡桐、杨树等阔叶树，枝叶繁茂，太阳辐射如泡桐、杨树等阔叶树，枝叶繁茂，太阳辐射经过上下多层的叶面反射，上述绿色植被的光经过上下多层的叶面反射，上述绿色植被的光谱反射特性表现得尤为突出；谱反射特性表现得尤为突出；杉松等针叶树，杉松等针叶树，叶面积指数低，相当比重太阳叶面积指数低，相当比重太阳辐射穿过枝叶空隙直接投射到地面，植被反射辐射穿过枝叶空隙直接投射到地面，植被反射总体降低，绿光区的小反射峰值也趋于平缓；总体降低，绿光区的小反射峰值也趋于平缓；草类则基本上介于两者之间。草类则基本上介于两者之

36、间。n不同植被类型在可见光区的反射率彼此不同植被类型在可见光区的反射率彼此差异小，曲线几乎重叠在一起，进入红差异小，曲线几乎重叠在一起，进入红外区，反射率的差异就扩大了，彼此容外区，反射率的差异就扩大了，彼此容易区分。易区分。n因此因此0.8m、1.7m和和2.3m都是识别都是识别不同植被类型的最佳波段。不同植被类型的最佳波段。注意二、植被分类二、植被分类n植被具有典型的波谱特征，将其余其它典植被具有典型的波谱特征，将其余其它典型地物，如人工建筑、裸土、水域等区分型地物，如人工建筑、裸土、水域等区分容易，但对植被类型划分却有一定难度。容易，但对植被类型划分却有一定难度。n不同植被类型，因组织结

37、构、季相、生态不同植被类型，因组织结构、季相、生态条件等不同而具有不同的光谱特征和冠层条件等不同而具有不同的光谱特征和冠层形态特征。如：形态特征。如：正常针叶林为红到品红，枯萎为暗红色，即正常针叶林为红到品红，枯萎为暗红色，即将枯死时为青色。将枯死时为青色。n故可根据故可根据植被光谱植被光谱、季相季相、生态环境生态环境、冠冠层形态层形态进行植被类型识别。进行植被类型识别。（一）利用植物光谱特征区分植被类型（一）利用植物光谱特征区分植被类型n阔叶林与针叶林阔叶林与针叶林n草与阔叶林草与阔叶林（二）利用物候期差异区分植被类型（二）利用物候期差异区分植被类型n落叶林与常绿林落叶林与常绿林n前提是需要

38、获取典型植被类型的物候季影前提是需要获取典型植被类型的物候季影像像（三）利用生态环境条件区分植被类型（三）利用生态环境条件区分植被类型n不同种类植物有不同的适宜生态条件，如不同种类植物有不同的适宜生态条件，如温度条件、水分条件、土壤条件、地貌条温度条件、水分条件、土壤条件、地貌条件等。件等。n植物在地球表面的分布取决于植物在地球表面的分布取决于热量热量和和水分水分主导环境因子，及植物自身的适应性和变主导环境因子，及植物自身的适应性和变异能力。异能力。n我国森林气候带自北向南为：我国森林气候带自北向南为：寒温带针叶林寒温带针叶林-温带针阔混交林温带针阔混交林-暖温带落叶暖温带落叶林和针叶林林和针

39、叶林-亚热带常绿阔和针椰林亚热带常绿阔和针椰林-热带季热带季雨林和雨林。雨林和雨林。（三）利用生态环境条件区分植被类型（三）利用生态环境条件区分植被类型n我国北方，要求温度变幅小，湿度较大的林木我国北方，要求温度变幅小，湿度较大的林木多长在山地阴坡，对温度和湿度要求低的草地多长在山地阴坡，对温度和湿度要求低的草地多分布在山地阳坡。多分布在山地阳坡。n随海拔变化产生不同温热组合决定了植被分布：随海拔变化产生不同温热组合决定了植被分布：云南保山在海拔云南保山在海拔1300-2500m，气候暖湿为亚热带暖，气候暖湿为亚热带暖性常绿阔叶林和针叶林；性常绿阔叶林和针叶林；海拔海拔2600-3200亚高山

40、区气候温凉，为温带寒带高山亚高山区气候温凉，为温带寒带高山暗针叶林暗针叶林海拔海拔3200m以上亚高山和高山，气候多变，多为雪以上亚高山和高山，气候多变，多为雪线，生长高山寒温带苔藓，还有部分高山灌丛矮林线，生长高山寒温带苔藓，还有部分高山灌丛矮林和草地。和草地。（四）利用冠层形态特征区分植被类型（四）利用冠层形态特征区分植被类型n草本植物表现为大片均匀的色调，因其低草本植物表现为大片均匀的色调，因其低矮无阴影；矮无阴影；n灌木呈不均匀细颗粒结构，灌木一般不高，灌木呈不均匀细颗粒结构，灌木一般不高，阴影不明显；阴影不明显；三、植被生态参数估算三、植被生态参数估算n植植被指数被指数是遥感领域中

41、用来表征地表植是遥感领域中用来表征地表植被覆盖，生长状况的一个简单，有效的度被覆盖，生长状况的一个简单，有效的度量参数。量参数。n随着遥感技术的发展，植被指数在环境、随着遥感技术的发展，植被指数在环境、生态、农业等领域有了广泛的应用。生态、农业等领域有了广泛的应用。环境环境领域，通过植被指数来反演土地利用和领域，通过植被指数来反演土地利用和土地覆盖变化，逐渐成为实现对全球环境变土地覆盖变化，逐渐成为实现对全球环境变化的研究重要手段；化的研究重要手段；生态生态领域，随着斑块水平的生态系统研究成领域，随着斑块水平的生态系统研究成果拓展到果拓展到区域乃至全球的空间尺度上，植被区域乃至全球的空间尺

42、度上，植被指数成了空间尺度拓展的连接点；指数成了空间尺度拓展的连接点；三、植被生态参数估算三、植被生态参数估算农业农业领域，植被指数广泛应用在农作物分布及长领域，植被指数广泛应用在农作物分布及长势监测、产量估算、农田灾害监测及预警、区势监测、产量估算、农田灾害监测及预警、区域域环境评价以及各种生物参数的提取。环境评价以及各种生物参数的提取。n总之，随着人们对于全球变化研究的深总之，随着人们对于全球变化研究的深入，以遥感信息推算区域尺度乃至全球入，以遥感信息推算区域尺度乃至全球尺度的植被指数日益成为令人关注的问尺度的植被指数日益成为令人关注的问题。题。本节内容n植被指数概念植被指数概念n植被指

43、数类型植被指数类型n植被指数与叶面积指数关系植被指数与叶面积指数关系n植被指数与叶绿素含量关系植被指数与叶绿素含量关系n植被指数与植被覆盖度关系植被指数与植被覆盖度关系n植被指数与生物量关系植被指数与生物量关系n植被指数与气候参数关系植被指数与气候参数关系（一）植被指数概念n遥感图像上的植被信息，主要通过遥感图像上的植被信息，主要通过绿色绿色植物叶子植物叶子和和植被冠层植被冠层的光谱特性及其差的光谱特性及其差异、变化而反映的，不同光谱通道所获异、变化而反映的，不同光谱通道所获得的植被信息可与植被的不同要素或某得的植被信息可与植被的不同要素或某种特征状态有各种不同的相关性，种特征状态有各种不同的

44、相关性，如叶子光谱特性中，可见光谱段受叶子叶如叶子光谱特性中，可见光谱段受叶子叶绿素含量的控制绿素含量的控制近红外谱段受叶内细胞结构的控制近红外谱段受叶内细胞结构的控制中红外谱段受叶细胞内水分含量的控制中红外谱段受叶细胞内水分含量的控制n再如，可见光中绿光波段再如，可见光中绿光波段0.52m0.59 m0.52m0.59 m对区分对区分植物类别敏感；植物类别敏感；n红光波段红光波段0.63m0.69m0.63m0.69m对植被覆盖度、植物生对植被覆盖度、植物生长状况敏感等。长状况敏感等。n但是，对于复杂的植被遥感，仅用个别波段或多但是，对于复杂的植被遥感，仅用个别波段或多个单波段数据分析对比来

45、提取植被信息是相当局个单波段数据分析对比来提取植被信息是相当局限的。因而往往选用限的。因而往往选用多光谱遥感数据经分析运算多光谱遥感数据经分析运算（加、减、乘、除等线性或非线性组合方式），（加、减、乘、除等线性或非线性组合方式），产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义产生某些对植被长势、生物量等有一定指示意义的数值的数值即所谓的即所谓的“植被指数植被指数”。n它用一种简单有效的形式来实现对植物状态信息它用一种简单有效的形式来实现对植物状态信息的表达，以定性和定量地评价植被覆盖、生长活的表达，以定性和定量地评价植被覆盖、生长活力及生物量等。力及生物量等。（一）植被指数概念n植被指数举例以美国

46、陆地卫星Landsat TM传感器获取的遥感数据为例，植被指数就是由第三波段的红光波段（Red）和第四波段的近红外波段进行运算而得到可以表征植被状况的植被指数。（一）植被指数概念(二)植被指数类型n由于植被光谱受到植被本身、土壤背景、由于植被光谱受到植被本身、土壤背景、环境条件、大气状况、仪器定标等内外因环境条件、大气状况、仪器定标等内外因素的影响，因此植被指数往往具有明显的素的影响，因此植被指数往往具有明显的地域性和时效性。地域性和时效性。n20多年来，国内外学者已研究发展了几十多年来，国内外学者已研究发展了几十种不同的植被指数模型见表种不同的植被指数模型见表7-1。主要植被指数表达式一览表

47、主要植被指数表达式一览表（续）植被指数模型植被指数模型-类型类型n比值植被指数：比值植被指数：两个或以上波段反射率或DN值的比值。n差值植被指数：差值植被指数：两个波段反射率或DN值的差值；n角度植被指数：角度植被指数：通过计算波段之间的夹角参数；植被指数模型植被指数模型-目标目标n反映植被的生长状况，同样的植被具有相似或反映植被的生长状况，同样的植被具有相似或相同的植被指数；相同的植被指数；n同一区域不同生长阶段植被的变化；同一区域不同生长阶段植被的变化；n减弱大气对遥感信号的影响，即大气辐射纠正减弱大气对遥感信号的影响，即大气辐射纠正问题；问题；n削弱土壤背景的影响；削弱土壤背景的影响；n

48、减小不同传感器之间的差别；减小不同传感器之间的差别；n增强不同时间之间的稳定性；增强不同时间之间的稳定性；。植被指数模型植被指数模型-介绍介绍n比值植被指数（比值植被指数（RVI）n归一化植被指数（归一化植被指数（NDVI）n土壤修正植被指数（土壤修正植被指数（SAVI）n转换土壤调整植被指数（转换土壤调整植被指数（TSAVI）n修改型二次土壤调节植被指数修改型二次土壤调节植被指数（MSAVI）n差值植被指数（差值植被指数（DVI）n绿度植被指数（绿度植被指数（GVI） n垂直植被指数（垂直植被指数（PVI）1、比值植被指数RVIn可见光红波段（可见光红波段（R）与近红外波段（）与近红外波段

49、（NIR）对）对绿色植物的光谱响应十分不同，且具倒转关系。绿色植物的光谱响应十分不同，且具倒转关系。两者简单的数值比能充分表达两反射率之间的两者简单的数值比能充分表达两反射率之间的差异。比值植被指数可表达为：差异。比值植被指数可表达为：式中DN为近红外/红外段计数值（灰度值），地表反照率n对于绿色植物叶绿素引起的红光吸收和叶肉组对于绿色植物叶绿素引起的红光吸收和叶肉组织引起的近红外强反射，织引起的近红外强反射，RVI值高（一般大于值高（一般大于2）。而对于无植被的地面包括裸土、人工特）。而对于无植被的地面包括裸土、人工特征物、水体以及征物、水体以及枯死或受胁迫植被枯死或受胁迫植被，因不显示，因

50、不显示这种特殊的光谱响应，则这种特殊的光谱响应，则RVI值低（一般等于值低（一般等于1）。因此，比值植被指数能增强植被与土壤）。因此，比值植被指数能增强植被与土壤背景之间的辐射差异。背景之间的辐射差异。或或比值植被指数可提供植被反射的重要信息，是植被比值植被指数可提供植被反射的重要信息，是植被长势、丰度的度量方法之一长势、丰度的度量方法之一同理，可见光绿波段（叶绿素引起的反射）与红波同理，可见光绿波段（叶绿素引起的反射）与红波段之比段之比G/R，也是有效的。，也是有效的。比值植被指数可从多种遥感系统中得到。比值植被指数可从多种遥感系统中得到。但主要用于但主要用于Landsat的的MSS、T

51、M和气象卫星的和气象卫星的AVHRR。 1、比值植被指数RVIRVIRVI是绿色植物的一个灵敏指示参数是绿色植物的一个灵敏指示参数n它与叶面积指数（它与叶面积指数（LAILAI）、叶干生物量（）、叶干生物量（DMDM）、叶绿素含）、叶绿素含量相关性高，被广泛用于估算和监测绿色植物生物量。量相关性高，被广泛用于估算和监测绿色植物生物量。n在植被在植被高密度覆盖情况高密度覆盖情况下，它对植被十分敏感，与生物量下，它对植被十分敏感，与生物量的相关性最好。但的相关性最好。但当植被覆盖度小于当植被覆盖度小于 50%50% 时，它的分辨时，它的分辨能力显著下降。能力显著下降。nRVI RVI 对大气状况很

52、敏感对大气状况很敏感，大气效应大大地降低了它对植被，大气效应大大地降低了它对植被检测的灵敏度，尤其是当检测的灵敏度，尤其是当 RVIRVI值值高时。因此，最好运用高时。因此，最好运用经大气纠正的数据，或将两波段的灰度值（经大气纠正的数据，或将两波段的灰度值（DNDN）转换成反）转换成反射率（射率（）后再计算）后再计算 RVIRVI，以消除大气对两波段不同非线，以消除大气对两波段不同非线性衰减的影响。性衰减的影响。1、比值植被指数RVInDN转换为反射率P公式n在在Landsat 7快速格式产品的头文件辐射记录段中含有与辐射校正有关快速格式产品的头文件辐射记录段中含有与辐射校正有关的参数，用

53、户可利用这些参数将图象象元的亮度值转换成地物的辐射值的参数，用户可利用这些参数将图象象元的亮度值转换成地物的辐射值或反射率。或反射率。n辐射记录段以辐射记录段以“gains and biases in ascending band number order”开始，逐行、按波段顺序记录了辐射校正有关的参数，每行中按开始，逐行、按波段顺序记录了辐射校正有关的参数，每行中按bias、gain的顺序排列，其中的顺序排列，其中bias的单位是的单位是W/m2 . ster .m，gain的单位是的单位是(W/m2 . ster .m)/DN。1、比值植被指数RVI*式中，L辐射量度值，DN样本灰度值，g

54、ain图像的增益，bias图像的偏置PPi*L*ds * ds （E0 * cosQ）式中，P反射率，Pi圆周率，L辐射能量值，ds日地天文单位距离，取1，E0大气顶部的太阳副照度，Q成像时太阳天顶角，即太阳高度角的余角LDNgainbias2、归一化植被指数NDVI对浓密植被，因红光反射很小，则对浓密植被，因红光反射很小，则RVIRVI值将无界增长；值将无界增长； NDVI NDVI 是简单比值植被指数是简单比值植被指数RVIRVI，经非线性的归一化处理后，使所得，经非线性的归一化处理后，使所得的比值，限定在的比值，限定在 -1-1，1 1 范围内。范围内。归一化植被指数归一化植被指数( (

55、Normalized vegetation indexNormalized vegetation index) )NDVINDVI介于介于-1-1和和1 1之间，之间，负值表示地面覆盖为云、负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；水、雪等，对可见光高反射；0 0表示岩石或裸土表示岩石或裸土等，等，NIRNIR和和R R近似相等；近似相等；正值表示有植被覆盖正值表示有植被覆盖，且随覆，且随覆盖度增大而增大盖度增大而增大几种典型的地面覆盖类型在大尺度几种典型的地面覆盖类型在大尺度NDVINDVI图象上区图象上区分鲜明，植被得到有效的突出。因此，分鲜明，植被得到有效的突出。因此，NDVI N

56、DVI 特别特别适用于全球或各大陆等大尺度的植被动态监测。适用于全球或各大陆等大尺度的植被动态监测。RNIRRNIRRNIRRNIRDDDDNDVINDVI或式中DN为近红外/红外段计数值（灰度值），地表反照率植被遥感中植被遥感中NDVI应用最广泛应用最广泛n 是是植被生长状态及植被覆盖度植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子。的最佳指示因子。研究表明：研究表明：NDVI NDVI 与与 LAILAI、绿色生物量、植被覆盖度、光合作用、绿色生物量、植被覆盖度、光合作用等植被参数有关。如等植被参数有关。如 NDVINDVI与与FAPARFAPAR（吸收光合有效辐射比）吸收光合有效辐射比）近近线

57、性关系，而与线性关系，而与 LAI LAI 呈非线性相关；呈非线性相关；NDVINDVI的时间变化曲线可反的时间变化曲线可反映季节和人为活动变化；甚至整个生长期的映季节和人为活动变化；甚至整个生长期的NDVINDVI对半干旱区对半干旱区降降雨量雨量、对大气、对大气CO2CO2浓度浓度随季节和纬度变化均敏感。因此，随季节和纬度变化均敏感。因此，NDVI NDVI 被认为是监测地区或全球植被和生态环境变化的有效指标。被认为是监测地区或全球植被和生态环境变化的有效指标。n NDVINDVI经比值处理，可部分消除与太阳高度角、卫星观测角、经比值处理，可部分消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、大气程辐射

58、（云地形、大气程辐射（云 / / 阴影和大气条件有关的辐照度条件变阴影和大气条件有关的辐照度条件变化）等的影响。同时，化）等的影响。同时，NDVINDVI的归一化处理，使因传感器标定衰的归一化处理，使因传感器标定衰退的影响降低（对单波段从退的影响降低（对单波段从10-30%10-30%降到对降到对NDVINDVI的的0-6%0-6%），并使），并使由地表二向反射和大气效应造成的由地表二向反射和大气效应造成的角度影响减小角度影响减小。因此，。因此，NDVI NDVI 增强了对植被的响应能力。增强了对植被的响应能力。NDVI的局限的局限nNDVI NDVI 对土壤背景的变化较为敏感。对土壤背景的变

59、化较为敏感。实验证明：实验证明：低植被覆盖度时（低植被覆盖度时（15%15%），植被），植被NDVINDVI值高于裸土值高于裸土NDVINDVI值，植被可被检测出来，但因植被覆盖度很低（如干旱、值，植被可被检测出来，但因植被覆盖度很低（如干旱、半干旱地区），其半干旱地区），其 NDVINDVI很难指示区域生物量；很难指示区域生物量；中植被覆盖度时（中植被覆盖度时（252580%80%），）， NDVINDVI值值随生物量的增随生物量的增加呈线性迅速增加；加呈线性迅速增加；高植被覆盖度时（高植被覆盖度时（80%80%），）， NDVINDVI值值增加延缓而呈现增加延缓而呈现饱和状态，

60、对植被检测灵敏度下降。饱和状态，对植被检测灵敏度下降。n实验表明，作物生长初期实验表明，作物生长初期NDVI将过高估计植被覆盖将过高估计植被覆盖度，而作物生长结束季节，度，而作物生长结束季节，NDVI值偏低。值偏低。nNDVI NDVI 更适用于植被发育中期或中等覆盖度植被检测。更适用于植被发育中期或中等覆盖度植被检测。3、土壤修正植被指数、土壤修正植被指数nSAVISAVI（Soil-Adjusted vegetation indexSoil-Adjusted vegetation index）- -修正修正NDVINDVI对土壤背对土壤背景敏感景敏感L L是一个土壤调节系数，是由实际区域条