植被遥感综述 - 图文

植被遥感及其应用综述

一，植被与植被遥感.................................................. 2 二，植被指数........................................................ 2 三，植被遥感和植被指数的发展历史.................................... 2 四，植被光谱特征.................................................... 3 五，植被遥感反射模型................................................ 5 六，植被指数的影响因素.............................................. 6

1 土壤背景 ...................................................... 7

（1）土壤颜色............................... 错误！未定义书签。 （2）土壤亮度............................... 错误！未定义书签。 3 大气 .......................................................... 8 4 传感器影响 .................................................... 9

（1）传感器定标.............................................. 9 （2）传感器光谱影响.......................................... 9 5 双向反射模型 .................................................. 9 七，各种植被指数................................................... 10

（一）, 简单植被指数 ........................................... 10

1，比值植被指数............................................. 10 2，差值植被指数............................................. 11 3，归一化差值植被指数....................................... 13 （二），基于土壤线的植被指数 .................................... 14

垂直植被指数................................................ 14 土壤调节植被指数和修正的土壤调节植被指数.................... 16 （三），减少大气效应的植被指数 .................................. 18

1全球环境监测指数 .......................................... 18 2抗大气植被指数 ............................................ 18 3增强植被指数 .............................................. 19

八，植被指数与植被遥感应用......................................... 21

1 植被指数与分类 ............................................... 21 2 植被指数与典型地物信息提取 ................................... 21 3 植被指数与土地覆盖及植被覆盖情况调查 ......................... 23 4 植被遥感与生态环境监测 ....................................... 24 5 植被指数与农业生产 ........................................... 25 九， 植被指数与生物物理参数........................................ 26

1 植被指数与叶面积指数 ......................................... 26 2 植被指数与植被盖度 ........................................... 27 3 植被指数与生物量 ............................................. 27

（1）植被指数估算草场植被高度与植被盖度............................................................ 28 （2） 植被指数、生物量与作物估产............................ 28 4 植被指数与叶绿素 ............................................. 28 十，植被指数与地表生态环境参数..................................... 29

1 植被指数与气候因子 ........................................... 29 2植被指数与降水、植物蒸发量、土壤水分的关系.................... 30

十一，植被指数的技术进展........................................... 30

一，植被与植被遥感

陆地表面分布着由许多植物组成的各种植物群落，如森林、草原、灌丛、荒漠、草甸、沼泽等，总称为该地区的植被。分为自然植被和人工（栽培）植被。自然植被是出现在一地区的植物长期历史发展的产物。组成植被的单元是植物群落，某一地区植被可以由单一群落或几个群落组成，如长白山植被主要由森林群落组成，而华北植被则由森林、灌丛和草甸群落组成。植被是基因库，保存着多种多样的植物、动物和微生物，并为人类提供各种重要的、可更新的自然资源。 植被遥感正是利用遥感技术范围大、光谱范围广等特点对植被及相关系统进行监测、观测和保护的。陆地植被作为陆地生态系统的重要组成部分和核心环节、对气候变化的调节与反馈作用是人类调节气候、减缓温室效应的重要手段。植被初级生产力作为表征植物活动的关键变量，在地表与大气之间能量、物质与栋梁交换中扮演着重要角色，是陆地生态系统中物质与能量运转研究的重要环节。植被遥感的对象是以一定植被类型为标志的特定陆地生态系统，即包括植被在内的自然综合体。遥感图像的空间结构，反映出植被与环境之间的相互作用、相互联系以及生态系统的功能、富有生态学内涵。植被遥感可以在大范围内经济而又成效地查清植被资源和检测环境动态，从空间以不同尺度来研究地球植被层的空间结构和波动规律以及多种自然灾害和人类活动对生物圈的影响，并把植被遥感信息转换成图像和数据，供决策和管理者参考。

正是由于植被遥感的重要性，人类自1972年发射第一个对地观测卫星，就开始了研究并建立光谱响应与植被覆盖间的近似关系，从而实现对地表植被状况的简单、有效和经验的度量。 二，植被指数

植物专题信息的提取与表达方式，提出多种植被指数，并利用植被指数进行植被宏观监测及生物量估算，因此植被指数在植被遥感中占据重要的地位。

植被指数是指利用卫星不同波段探测数据组合而成的，能反映植物生长状况的指数。植物叶面在可见光红光波段有很强的吸收特性，在近红外波段有很强的反射特性，这是植被遥感监测的物理基础，通过这两个波段测值的不同组合可得到不同的植被指数。现在植被遥感的重点和热点在于研究最大化适应不同地区需要的植被指数并且这些植被指数有比较强的抗噪声能力（包括大气和土地背景的干扰等）。截至目前适应某个地区的某个特定用途的植被指数比较多效果也比较好，但是适用于多地区，多用途的植被指数比较少。用的比较多并且普遍效果比较好的是归一化差值植被指数NDVI。 三，植被遥感和植被指数的发展历史

自从遥感技术诞生之日起，人们就发现了利用他研究植被和生态环境的好处。 1969 年Jordan 提出最早的一种植被指数———比值植被指数(RVI)

RVI =ρn/ρr (1)

后来有人提出了差值植被指数DVI , DV I =ρn -ρr (2)

Deering ( 1978 年) 提出归一化差值植被指数NDVI ,将比值限定在( - 1 ,1) 范围内, NDV I =?n -?r

?n +?r由于NDV I 可以消除大部分与仪器定标、太阳角、地形、云阴影和大气条件有关辐照度的变化, 增强了对植被的响应能力,是目前已有的40 多种植被指数中应用最广的一种。尽管NDV I 得到广泛的应用,但许多研究也表明, NDVI也受到定标和仪器特性、云和云影、大气、双向反射率、土壤及叶冠背景、高生物量区饱和等因素影响,使其应用受到限制。植被指数的全球应用要求不仅计算方式一致, 其结果也需具有空间和时间的可比性。为了减少大气对NDVI的影响,

Kanfman 和Tanre发展了抗大气植被指数(ARVI) ,根据大气对红光通道的影响比近红外通道大得多的特点,在定义NDVI时通过蓝光和红光通道的辐射差别修正红光通道的辐射值,以有效减少植被指数对大气的依赖,研究表明, ARVI 对大气的敏感性比NDVI约减小4 倍。由于γ是决定A RV I对大气调节程度的关键参数,并取决于气溶胶的类型,Kanfman 推荐的γ为常数1 仅能消除某些尺寸气溶胶的影响,有很大的局限性;且A RV I 要先通过辐射传输方程的预处理来消除分子和臭氧的作用,进行预处理时需要输入的大气实况参数往往是难以得到的,给具体应用带来困难。为此张仁华等在ARVI的基础上,运用大气下向光谱的同步观测实例值以及大气辐射传输方程, 得到纠正NDVI的关键参数γ,改进了ARVI 的γ始终等于1 的计算方法;同时也不必采用辐射传输模型进行预处理, 得到新的抗大气影响植被指数(IAVI) 。

许多观测显示NDVI对植被冠层的背景亮度非常敏感,叶冠背景因雨、雪、落叶、粗糙度、有机成分和土壤矿物质等因素影响使反射率呈现时空变化。当背景亮度增加时, NDVI 也系统性地增加。在中等程度的植被,如潮湿或次潮湿土地覆盖类型,NDVI 对背景的敏感最大。为了减少土壤和植被冠层背景的干扰,Huete (1988 年)提出了土壤调节植被指数( SAVI ) , 之后又提出修正的土壤调节植被指数(MSAVI)。 四，植被光谱特征

植被光谱特征是区别植被与非植被、植被种类，监测植被生长情况等的重要基础。

色素吸收决定着可见光波段的光谱反射率，细胞结构决定近红外波段的光谱反射率，而水汽吸收决定了短波红外的光谱反射率特性。一般情况下，植被在350 - 2500nm范围内具有如下典型反射光谱特征:

(1)3 50一490nm谱段:由于400一450nm谱段为叶绿素的强吸收带，425一490nm谱段为类胡罗卜素的强吸收带，380nm波长附近还有大气的弱吸收带，故350一490nm谱段的平均反射率很低，一般不超过10%，反射光谱曲线的形状也很平缓;

(2) 4 90一600mn谱段:由于550nm波长附近是叶绿素的强反射峰区，故植被

在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和中等的反射率数值(约在8-28%之间);

(3) 6 00一700nm谱段:650一700nm谱段是叶绿素的强吸收带，610、660nm谱段是藻胆素中藻蓝蛋白的主要吸收带，故植被在600一700nm的反射光谱曲线具有波谷的形态和很低的反射率数值(除处于落叶期的植物群落外，通常不超过10%);

(4) 7 00一750nm谱段:植被的反射光谱曲线在此谱段急剧上升，具有陡而近于直线的形态。其斜率与植物单位面积叶绿素(a+b)的含量有关，但含量超过4一5mg.cm'2后则趋于稳定;

(5) 7 50一1300nm谱段:植被在此波段具有强烈反射的特性(可理解为植物防灼伤的自卫本能)，故具有高反射率的数值。此波段室内测定的平均反射率多在35一78%之间，而野外测试的则多在25一65%之间。由于760nm, 850nm, 910nm,960nm和1120nm等波长点附近有水或氧的窄吸收带，因此，750.1300nm谱段的植被反射光谱曲线还具有波状起伏的特点;

(6) 1300一1600nm谱段:与1360一1470nm谱段是水和二氧化碳的强吸收带有关，植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和较低的反射率数值(大多在12一18%之间):

(7) 1600一1830nm谱段:与植物及其所含水分的波谱特性有关，植被在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和较高的反射率数值(大多在20一39%之间); (8) 1830一2080mn 谱段:此谱段是植物所含水分和二氧化碳的强吸收带，故植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和很低的反射率数值(大多在6一10%之间);

(9) 2080一2350nm谱段:与植物及其所含水分的波谱特性有关，植被在此波段的反射光谱曲线具有波峰的形态和中等的反射率数值(大多在10一23%之间): (10) 2350一2500mn谱段:此谱段是植物所含水分和二氧化碳的强吸收带，故植被在此谱段的反射光谱曲线具有波谷的形态和较低的反射率数值(大多在8一12%之间)。

植被波谱反射式植被遥感的基础，绿色植被无波谱特征主要取决于它的叶子。图中显示了绿色植物叶片的主要光谱响应特征。绿色植物的叶片的反射光谱曲线在450nm为中心的蓝波段和670nm为中心的红波段。叶绿素强烈吸收辐射能量（>90%）而形成吸收股，后者为光合作用的能量基础，而在这两个吸收谷之间（540nm波长附近）吸收相对减少，形成绿色反射峰区（10%～20%），它也是绿色植物成绿色的光学原理（赵英时，2003）。随波长变化，从740nm附近绿色植物的反射率急剧上升，形成陡而突出的峰值。这主要是由于植物叶肉内海绵组织的结构内有许多空腔，具有很大的反射表面，而且细胞内的叶绿素呈水溶胶态，具有强烈的红外反射。此外，在红外谱段内，植物光谱往往表现出以960nm、1100nm出的两个弱水分吸收带。在短波红外谱段内（1300nm以外），植物的反射光谱特性收到以1400nm、1900nm、2700nm为中心的谁吸收带的控制，而呈跌落状态的衰减曲线。作为绿色植物的背景的土壤的反射光谱曲线的“峰——谷”变化比较弱，对电磁波的作用主要表现为吸收和反射，透射少。因此利用植被近红外高反射和红波段强吸收的差异，极大突出植被信息，区分绿色植物与土壤水体，强化了植被与环境的差异。

图 绿色植物光谱响应特征曲线

除植物内部所含色素、水分以及它的结构等控制着植物特殊的光谱响应特征外，植物在生长周期中，从发芽生长、开花结果到衰老死亡，它的生理、外形、结构上均会发生变化，如叶片结构变化即叶肉细胞间隙的增大或减少，叶绿素等色素的累积、衰退、消失，叶片内部水分含量的变化，枝叶的发芽生长或老化脱落以及植株对地面覆盖率的变化等。这种植物的周期性变化是以季节为循环周期的，它的化学、物理、生物性质也出现季节性变化—季相节律，植物的季相节律从植物细胞的微观结构到植物群体的宏观结构上均有反映，这种反映也就必然导致单个植物或植物群体物理光学特征的周期性变化，其光谱特征也随之发生相应变化。由于植被光谱反射率与植被类型、种类组成、植被盖度、叶绿素含量、含水量、土壤物理特征、大气状况等多种因素有关，不同植物类型影像特征不同，而且即使是同一种植物，在不同的生长发育阶段，其反射率波谱率也有细微差别，因此可以根据植被反射率变化规律来监测作物长势、物候期以及作物类型识别。由此可见研究植被参数实际上就是为深入研究植被遥感、农业遥感打下良好的基础。

五，植被遥感反射模型

描述一个表面的镜向反射特性．人们常以菲涅耳定律来表示，对于完全漫反射体．则采用朗伯定律表示。然而绝大部分物体表面反射既非镜面反射，亦非朗伯反射。其方向反射系数随入射辐射方向及探测反射方向的变化而发生变化．这种反射通常采用双向反射概念来表示。 它代表了物体表面反射的普遍情况。双向反射中最基本的参量为双向反射系数分布函数(Bidirectional Reflectance Distribution Function简称BRDF)，它定义为

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