遙感應(yīng)用專題報(bào)告

1、遙感應(yīng)用專題植被遙感應(yīng)用學(xué)生姓名：葉應(yīng)輝任課老師：邢立新學(xué)號(hào)：2010622028遙感應(yīng)用專題之植被遙感應(yīng)用植被是生長(zhǎng)于地球表層的各種植物類型的總稱，在地球系統(tǒng)中扮演著重要的角色，它是 地球表層內(nèi)重要的再生資源。植被是全球變化中最活躍、最有價(jià)值的影響要素和指示因子。 植被影響地氣系統(tǒng)的能量平衡，在氣候、水文和生化循環(huán)中起著重要作用，是氣候和人文因 素對(duì)環(huán)境影響的敏感指標(biāo)。因此，地球植被及其變化一直被各國(guó)科學(xué)家和政府所關(guān)注。衛(wèi)星遙感是監(jiān)測(cè)全球植被的 有效手段，衛(wèi)星從太空遙視地球，不受自然和社會(huì)條件的限制，迅速獲取大范圍觀測(cè)資料， 為人類提供了監(jiān)測(cè)、量化和研究人類有序活動(dòng)和氣候變化對(duì)區(qū)域或全球植被

2、變化影響的可能。植被遙感研究的主要內(nèi)容：（1）通過遙感影像從土壤背景中區(qū)分出植被覆蓋區(qū)域，并對(duì)植被類型進(jìn)行劃分，區(qū)分 是森林還是草場(chǎng)或者農(nóng)田，進(jìn)而可以問是什么類型的森林，什么類型的草場(chǎng)，什么樣的農(nóng)作 物，如此等等。（2）能否從遙感數(shù)據(jù)中反演出植被的各種重要參數(shù)，例如葉面積指數(shù)（LAI）、葉子 寬度、平均葉傾角、植被層平均高度、樹冠形狀等等，這一類問題屬于更深層次的遙感數(shù)據(jù) 定量分析方法與反演技術(shù)。（3）能否準(zhǔn)確的估算出與植被光合作用有關(guān)的若干物理量，例如植被表面水分蒸騰量、 光合作用強(qiáng)度（干物資生產(chǎn)率）、葉表面溫度等。一、植物的光譜特征植物的光譜特征可使其在遙感影像上有效地與其他地物相區(qū)別。同

3、時(shí)，不同的植物各有 其自身的波譜特征，從而成為區(qū)分植被類型、長(zhǎng)勢(shì)及估算生物量的依據(jù)。1、健康植物的反射光譜特征健康植物的波譜曲線有明顯的特點(diǎn)（圖1），在可見光的0.55pm附近有一個(gè)反射率為 10%20%的小反射峰。在0.45pm和0.65pm附近有兩個(gè)明顯的吸收谷。在0.70.8pm是一 個(gè)陡坡，反射率急劇增高。在近紅外波段0.81.3pm之間形成一個(gè)高的，反射率可達(dá)40% 或更大的反射峰。在1.45pm，1.95pm和2.62.7pm處有三個(gè)吸收谷。圖1綠色植物有效光譜響應(yīng)特征2、影響植物光譜的因素響植物光譜的因素除了植物本身的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)也受到外界的影響。外界影響主要包 括季節(jié)的變化，

4、植被的健康狀況，植物的含水量的變化，植株?duì)I養(yǎng)物質(zhì)的缺乏與否等等。但 外界的影響總是通過植物本身生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)在有機(jī)體的結(jié)構(gòu)特征反映出來的。從植物的典型波譜曲線來看，控制植物反射率的主要因素有植物葉子的顏色、葉子的細(xì) 胞構(gòu)造和植物的水分等。植物的生長(zhǎng)發(fā)育、植物的不向種類、灌溉、施肥、氣候、土壤、地 形等因素都對(duì)有機(jī)物的光譜特征發(fā)生影響，使其光譜曲線的形態(tài)發(fā)生變化。葉子的多孔薄壁細(xì)胞組織（海綿組織）對(duì)0.8pm1.3pm的近紅外光強(qiáng)烈地反射，形成 光譜曲線上的最高峰區(qū)。其反射率可達(dá)40%，甚至高達(dá)60%，吸收率不到15%。葉子的含水量葉子在1.45pm1.95pm和2.62.7pm處各有一個(gè)吸收谷

5、，這主要由葉子 的細(xì)胞液、細(xì)胞膜及吸收水分所形成。植物葉子含水量的增加，將使整個(gè)光譜反射率降低（圖2），反射光譜曲線的波狀形態(tài) 變得更為明顯，特別足在近紅外波段，幾個(gè)吸收谷更為突出。圖2水分含量對(duì)玉米葉子反射率的影響含水S 圖2水分含量對(duì)玉米葉子反射率的影響含水S 40%含術(shù)量40蓉54努含水筮66%二、植被生態(tài)參數(shù)的估算植被指數(shù)是遙感領(lǐng)域中用來表征地表植被覆蓋，生長(zhǎng)狀況的一個(gè)簡(jiǎn)單，有效的度量參數(shù)。 隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，植被指數(shù)在環(huán)境、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。在環(huán)境領(lǐng)域， 通過植被指數(shù)來反演土地利用和土地覆蓋的變化，逐漸成為實(shí)現(xiàn)對(duì)全球環(huán)境變化的研究重要 手段；生態(tài)領(lǐng)域，隨著斑塊水平的生

6、態(tài)系統(tǒng)研究成果拓展到區(qū)域乃至全球的空間尺度上，植 被指數(shù)成了空間尺度拓展的連接點(diǎn)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，植被指數(shù)廣泛應(yīng)用在農(nóng)作物分布及長(zhǎng)勢(shì)監(jiān) 測(cè)、產(chǎn)量估算、農(nóng)田災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警、區(qū)域環(huán)境評(píng)價(jià)以及各種生物參數(shù)的提取。總之，隨著 人們對(duì)于全球變化研究的深入，以遙感信息推算區(qū)域尺度乃至全球尺度的植被指數(shù)日益 成為令人關(guān)注的問題。1、植被指數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系植被覆蓋度指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比。即植/ 土比。傳感器所測(cè)得 的反射輻射R可表示為：反=礦。+跖1-號(hào)其中，RV為植被的總反射輻射，RS為土壤的總反射輻射，C為植被覆蓋度，則：式中，p為植被與土壤混合光譜反射率；pV、Ps分別為純植被和純土

7、壤寬波段反射率。據(jù)理論推導(dǎo)，RVI、NDVI與植土比分別呈指數(shù)和幕函數(shù)關(guān)系，當(dāng)LAI較小時(shí)，它們與 植土比的變化反應(yīng)不敏感。PVI與植土比呈直線相關(guān)，其對(duì)植土比的感應(yīng)能力也隨LAI減小 而降低。就估測(cè)作物而言，PVI較為優(yōu)越，但應(yīng)選LAI較大的時(shí)期。實(shí)際上，植土比和葉面積指數(shù)同時(shí)隨空間而變化，因此，需綜合考慮植被指數(shù)與兩者的 關(guān)系。對(duì)同一地區(qū)來說，作物品種特性差異較小，作物長(zhǎng)勢(shì)越好，葉面積指數(shù)越大作物產(chǎn)量就 越高。也就是說，作物（主指冬小麥）的理論產(chǎn)量與抽穗期葉面積指數(shù)呈很好的直線相關(guān)關(guān) 系。因此，可以將一個(gè)地區(qū)的平均葉面積指數(shù)（LAI）與該地區(qū)植土比（KW）的乘積（LK） 作為該地區(qū)作物總產(chǎn)

8、的線性相關(guān)因子。2、植被指數(shù)與生物量的關(guān)系生物量指的是植物組織的重量。它是由植物光合作用的干物質(zhì)積累所致。顯然，葉面積 指數(shù)LAI與植被覆蓋度均是生物量的重要指標(biāo)，它們都與植被指數(shù)相關(guān)。關(guān)于植被指數(shù)與 生物理的定量關(guān)系，將在下面的“作物估產(chǎn)”部分作詳細(xì)論述。這里僅討論植被條件指數(shù)與 植被覆蓋度、生物量的關(guān)系。由NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)獲得的植被條件指數(shù)VCI被定義為：g二伊皿-g/gf -跪疆典）式中，NDVI、NDVImax、NDVImed、NDVImin分別為平滑化后每周（7天）的NDVI以 及它的多年最大值、中值、最小值（以象元為計(jì)算單元）。Anatoly等（1990）曾對(duì)干濕兩種氣候條

9、件和不同生態(tài)區(qū)（高程與NDVI值不同），運(yùn) 用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)獲得的植被條件指數(shù)VCI來估算植被覆蓋度以及草場(chǎng)與作物生產(chǎn)力， 并通過大量地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證遙感估算的結(jié)果。研究結(jié)果表明，用植被條件指數(shù)VCI對(duì)植被覆蓋度的估算誤差16%，低覆蓋區(qū)誤差 更?。磺襐CI與實(shí)測(cè)的植被覆蓋度相關(guān)性較高（相關(guān)系數(shù)約0.76）。因此，用遙感衛(wèi)星數(shù) 據(jù)所獲得的植被條件指數(shù)VCI方法，來定量估算大面積植被覆蓋度和生物量是有效的。3、植被指數(shù)與地表生態(tài)環(huán)境參數(shù)的關(guān)系植被指數(shù)如NDVI常被認(rèn)為是氣候、地形、植被/生態(tài)系統(tǒng)和土壤/水文變量的函數(shù)。從 概念上講，可以用這些環(huán)境因子建立NDVI模型：NDFJ W礦

10、+ E式中，C為氣候子模型，V為植被/生態(tài)子模型，P為地形子模型，S為土壤/水文子模 型。這些子模型又可表示為各自主因子的數(shù)：珂:降水、氣溫、日照）15牲態(tài)系統(tǒng)類型、植被建沖力F = 程，坡度、墟向）十占3 =網(wǎng)（土壕持水性、肥料，酬性，地表水、地下暗十聊上述的E1、E2、E3、E4為由未考慮的環(huán)境變量或潛在的測(cè)量誤差引起的模型誤差。 可以看出上述模型涉及的因子很多，許多因子也難以具體化。但是由于其中一些環(huán)境變量并 非完全獨(dú)立，具有相關(guān)性，如日照與氣溫常高度相關(guān)、土壤持水性與透水性呈負(fù)相關(guān)。因此， 模型可以被簡(jiǎn)化，有些變量可以由其它變量描述，則用有限的環(huán)境變量建立NDVI模型是可 能的。很顯然

11、，描述NDVI的這些環(huán)境變量均隨時(shí)間/空間變化，則可以認(rèn)為NDVI是個(gè)三維 變量。但是對(duì)于一個(gè)特定的地理位置和一定時(shí)間尺度（如年或10年），地形子模型可認(rèn)為 是常量，植被/生態(tài)系統(tǒng)子模型及土壤/水文子模型也變化不大或基本傾向于常量。那么，應(yīng) 該說變化較大的是氣候子模型，或者說，對(duì)一個(gè)具體時(shí)間（t），一個(gè)具體地點(diǎn)的NDVI主 要成為相關(guān)氣候變量的函數(shù)：枷町=咒氣候變量）+E3、植被指數(shù)與植物蒸發(fā)量、土壤水分的關(guān)系一般說來，NDVI能反映植被狀況，而植被狀況與植被蒸發(fā)量、土壤水分有關(guān)的。對(duì)某 一站點(diǎn)的綠色植被連續(xù)測(cè)定表明，累計(jì)的蒸發(fā)量與累計(jì)的植被指數(shù)間高度相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，不同的植被/土壤組合顯示不

12、同的NDVI變化軌跡，它與潛在的蒸發(fā)量（PE） 曲線的趨勢(shì)密切相關(guān)。實(shí)際蒸發(fā)量（AE）與相應(yīng)的NDVI間相關(guān)系數(shù)為0.77； NDVI與前 15天的潛在蒸發(fā)量間相關(guān)系數(shù)為0.86；整個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)的累計(jì)NDVI與累計(jì)蒸發(fā)量高度相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96。研究表明，用NDVI和潛在蒸發(fā)量（PE）可以估算15天為周期的實(shí)際蒸發(fā)量（AE）, 估算誤差約1015%。這個(gè)結(jié)果說明NDVI的變化軌跡可提供植物季相變化的重要信息， 并能較好的估算實(shí)際蒸發(fā)量（AE）。不少學(xué)者研究了不同的干旱一半干旱地區(qū)植被指數(shù)與土壤水分的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)與 各種測(cè)量所得的土壤水分有效性（availability）之間有密切的經(jīng)

13、驗(yàn)關(guān)系。Singh等（1988） 的研究發(fā)現(xiàn)，植被指數(shù)與土壤水分受脅迫（Stress）的關(guān)系，依賴于植被的類型，許多研究 表明，NDVI可以作為一種有用的土壤含水量指標(biāo)。三、災(zāi)害監(jiān)測(cè)1、病蟲害監(jiān)測(cè)遙感病蟲害調(diào)查已有一些成功的例子。許多經(jīng)驗(yàn)告訴我們，用近紅外光譜段的彩紅外片 或熱探測(cè)，調(diào)查病蟲害的危害效果較好。其道理，一種可能的解釋是：健康葉片海綿狀的葉肉組織，在其全部空間都充滿了水分 而膨脹時(shí)，對(duì)任何輻射能都是一種良好的反射體，對(duì)近紅外波段的輻射能力也如此，間插在 其間的柵狀柔軟網(wǎng)胞組織。吸收可見光中的藍(lán)光和紅光，反射綠光；當(dāng)水分代謝受到妨礙， 植物開始衰蔽時(shí)，葉內(nèi)就逐漸毀壞，接著植物逐漸枯死

14、，從而導(dǎo)致葉片對(duì)近紅外輻射的反射 能力減小。這種變化，在可見光部分的反射率發(fā)生改變之前的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了。 這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，在柵狀柔軟網(wǎng)胞組織中，葉綠素的數(shù)量或質(zhì)量還沒有發(fā)生改變。紅 外波段的像片上，可以早于人的肉眼觀測(cè)到病蟲的危害，這對(duì)于病蟲害調(diào)查和測(cè)報(bào)極其重要。 此外，樹和人一樣，有病的樹溫度升高，有時(shí)比正常溫度高2.2C。病越重的樹，紅外輻射 越多。美國(guó)林業(yè)局有個(gè)林場(chǎng)試驗(yàn)站，在直升飛機(jī)上用紅外探測(cè)裝置根據(jù)樹溫探測(cè)病樹，還研 究利用這種技術(shù)在人造衛(wèi)星上進(jìn)行探測(cè)的可能性。試驗(yàn)表明：在凌晨，用814pm波段的紅 外探測(cè)裝置能發(fā)現(xiàn)病樹和健康樹之間的顯著溫度差別。紅外探測(cè)器把紅外輻射

15、送入數(shù)字計(jì)數(shù) 器，后者與電視攝像機(jī)及錄像帶連在一起，可在電視屏幕上顯示樹頂?shù)膱D像和樹的溫度。錄 像帶可用于研究。作物長(zhǎng)勢(shì)差的區(qū)域從遙感圖像上能夠識(shí)別出來。果園中，絕大部分果樹都有大小一致的 冠幅，如果其中一片的冠幅從周圍向中心逐漸變小、肯定就有某種病害發(fā)生了。造成近紅外 波段反射減少的危害因子很多，有病蟲害、日灼、凍害、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)缺乏、毒害、早、澇等。 判讀像片時(shí)，要結(jié)合地面情況校核。2森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?nèi)找骊P(guān)注森林、草場(chǎng)火災(zāi)及季節(jié)性燃燒對(duì)氣候和經(jīng)濟(jì)的影響，迫 切需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。1998年，全球火災(zāi)監(jiān)測(cè)中心(Global Fire Monitoring Center，簡(jiǎn)稱GFM

16、C) 成立，其主要目的是讓世界各國(guó)通過Internet分享其火災(zāi)監(jiān)測(cè)的成果，發(fā)展和規(guī)范全球火災(zāi) 監(jiān)測(cè)的方法，并為其它科學(xué)組織提供各種火災(zāi)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。采用航空監(jiān)測(cè)火災(zāi)的手段是不經(jīng)濟(jì)的，而且也難以覆蓋所有地區(qū)。自有了對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星， 這種大范圍乃至全球的火災(zāi)監(jiān)測(cè)成為可能。星載掃描幅寬、每天覆蓋全球的高溫傳感器，是 提供大面積火情監(jiān)測(cè)高效、經(jīng)濟(jì)的主要手段。當(dāng)林火火焰溫度達(dá)到1300K左右時(shí)，其輻射峰值2.2335pm正處在TM7(2.082.35pm) 的光譜響應(yīng)范圍，故TM影像能監(jiān)測(cè)林火溫度很高的特大林火災(zāi)害，TM6(9.812.6pm)在 夜間能提供熱圖像，對(duì)暗火、殘火有一定的探測(cè)作用。另外，TM資

17、料有豐富的植物長(zhǎng)勢(shì)信 息和其它地物信息，對(duì)林火災(zāi)害后評(píng)估有很好的作用。氣象衛(wèi)星用于林火監(jiān)測(cè)覆蓋面積大，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)及時(shí)，而且能積累火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的整個(gè) 過程，具有敏感度高、時(shí)效好、快速、成本低的優(yōu)點(diǎn)。其中可見光通道(CH1： 0. 580.65pm) 圖像清晰反映林火煙塵信息；近紅外通道(CH2： 0.7251.1pm)反映過火林地信息，也能 反映煙塵信息；CH1和CH2圖像組合可用于火區(qū)和周邊林地，以及林火前后比較分析；中 紅外通道(CH3: 3.553.95pm)圖像反映林火高溫區(qū)的分布；熱紅外通道( CH4: 9. 311.3pm； CH5： 11.512.5pm)圖像反映地表常溫范圍的溫度

18、，因此能反映林火燃燒區(qū)和 過火區(qū)。中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心于1985年開始利用NOAA/AVHRR資料開展森林草場(chǎng)火 災(zāi)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)研究工作，并于1986年4月13日首次監(jiān)測(cè)到內(nèi)蒙古草原火災(zāi)。同年開始向有關(guān) 部門進(jìn)行監(jiān)測(cè)服務(wù)。經(jīng)過有關(guān)科技人員的不懈努力，邊服務(wù)邊研究，火災(zāi)監(jiān)測(cè)水平不斷提高。 先后開發(fā)了多通道火情監(jiān)測(cè)彩圖色合成圖，火點(diǎn)精確定位，火點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別，子像元火點(diǎn)面積 估算，過火面積計(jì)算等技術(shù)，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)，對(duì)火點(diǎn)性質(zhì)(林區(qū)火、草原火或農(nóng)田火)和所處行政區(qū)劃進(jìn)行自動(dòng)判識(shí)。目前，對(duì)火災(zāi)監(jiān)測(cè)專題圖像和報(bào)告的制作在衛(wèi)星資料接受后 半小時(shí)內(nèi)即可完成，并及時(shí)發(fā)往有關(guān)部門，為撲滅大火贏得時(shí)間。自開展

19、森林草場(chǎng)火災(zāi)監(jiān)測(cè) 業(yè)務(wù)以來，每年向森林、草場(chǎng)防火部門提供2000多個(gè)火點(diǎn)信息，每次重大火情都得到實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)。讓人們記憶猶新是1987年5月發(fā)生在東北大興安嶺的特大森林大火，在大火燃燒的 26天中，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的火災(zāi)信息為撲滅大火起到了極其重要的作用。四、資源遙感調(diào)查1、草場(chǎng)資源調(diào)查草場(chǎng)上牧草的長(zhǎng)勢(shì)好壞與牧草的產(chǎn)量直接相關(guān)，而產(chǎn)草量是載畜量（單位面積草場(chǎng)可養(yǎng) 牲畜的頭數(shù)）的決定因素。我國(guó)在內(nèi)蒙古草場(chǎng)遙感綜合調(diào)查、天山北坡草場(chǎng)調(diào)查、湖北西南 山區(qū)草場(chǎng)調(diào)查、西藏北部草場(chǎng)調(diào)查中，在應(yīng)用遙感技術(shù)確定草場(chǎng)類型，進(jìn)行草場(chǎng)質(zhì)量評(píng)價(jià)的 基礎(chǔ)上，內(nèi)蒙古草場(chǎng)資源遙感結(jié)合地面樣點(diǎn)光譜測(cè)量數(shù)據(jù)，指出比值植被指數(shù)RVI=NIR/R 與產(chǎn)草量W有良好的關(guān)系：W=-86.9+162.65RVI （相關(guān)系數(shù) r=0.966）根據(jù)這一方程