第5章植被生態(tài)遙感

1、6.3 植被生態(tài)遙感植被生態(tài)遙感內容提要n1 植被光譜特征n2 植被指數n3 植被生態(tài)遙感的應用1 植物的光譜特征n健康植物的反射光譜特征：n 兩個反射峰、五個吸收谷1） 植物的光譜特征n紅邊位移： 所謂“紅邊”是指紅光區(qū)葉綠素吸收減少部位到近紅外高反射率之間，健康植物的光譜響應陡然增加的一個窄條帶區(qū)。 作物快成熟時，其葉綠素吸收邊向長波方向移動，即紅移。2） 影響植物光譜的因素 q 葉子的顏色q 葉子的組織結構q 葉子的含水量q 植物的覆蓋度葉子的顏色n植物葉子中含有多種色素，如葉青素、葉紅素、植物葉子中含有多種色素，如葉青素、葉紅素、葉黃素、葉綠素等，在可見光范圍內，其反射峰葉黃素、葉綠素

2、等，在可見光范圍內，其反射峰值落在相應的波長范圍內值落在相應的波長范圍內 葉子的組織結構綠色植物綠色植物的葉子是的葉子是由上表皮、由上表皮、葉綠素顆葉綠素顆粒組成的粒組成的柵欄組織柵欄組織和多孔薄和多孔薄壁細胞組壁細胞組織（海綿織（海綿組織）構組織）構成。成。葉子的組織結構葉子的組織結構及光譜特征及光譜特征n葉綠素對紫外線和紫色光葉綠素對紫外線和紫色光的吸收率極高，對藍色光的吸收率極高，對藍色光和紅色光也強烈吸收，以和紅色光也強烈吸收，以進行光合作用。進行光合作用。v 對綠色光部分則部分吸收，部分反射，所以葉子呈綠色，并形對綠色光部分則部分吸收，部分反射，所以葉子呈綠色，并形 成在成在0.55

3、m,0.55m,附近的一個小反射峰值，而在附近的一個小反射峰值，而在0.33m-0.45m0.33m-0.45m及及 0.65m0.65m附近有兩個吸收谷。葉子的多孔薄壁細胞組織（海綿組附近有兩個吸收谷。葉子的多孔薄壁細胞組織（海綿組 織）對織）對0.8m-1.3m0.8m-1.3m的近紅外光強烈地反射，形成光譜曲線上的近紅外光強烈地反射，形成光譜曲線上 的最高峰區(qū)。其反射率可達的最高峰區(qū)。其反射率可達4040，甚至高達，甚至高達60%60%，吸收率不到，吸收率不到1515。 葉子的含水量n葉子在葉子在1.45m-1.95m1.45m-1.95m和和2.6-2.7m2.6-2.7m處各有一個吸

4、收谷，處各有一個吸收谷，這主要由葉子的細胞液、細胞膜及吸收水分所形成。這主要由葉子的細胞液、細胞膜及吸收水分所形成。植物葉子含水量增加將使整個光譜反射率降低，反射植物葉子含水量增加將使整個光譜反射率降低，反射光譜曲線的波狀形態(tài)變得更為明顯，特別是在近紅外光譜曲線的波狀形態(tài)變得更為明顯，特別是在近紅外波段，幾個吸收谷更為突出。波段，幾個吸收谷更為突出。植物的覆蓋度n當植被葉子的密度當植被葉子的密度不大，不能形成對不大，不能形成對地面的全覆蓋時，地面的全覆蓋時，傳感器收到的反射傳感器收到的反射光不僅是植被本身光不僅是植被本身的光譜信息，而且的光譜信息，而且還包含部分下墊面還包含部分下墊面的反射光，

5、是兩者的反射光，是兩者的疊加。的疊加。3）不同植物類型的區(qū)分1、不同植物由于葉子的組織結構和所含色素不同，具有不同的光譜特征。 在近紅外光區(qū)，草本植物的反射高于闊葉樹，闊葉樹高于針葉樹。2、利用植物的物候期差異來區(qū)分植物。3、根據植物的生態(tài)條件區(qū)別植物類型。3）不同植物類型的區(qū)分2.2.植被指數植被指數n遙感圖像上的植被信息，主要通過綠色植物葉子和遙感圖像上的植被信息，主要通過綠色植物葉子和植被冠層的光譜特性及其差異、變化而反映的，不植被冠層的光譜特性及其差異、變化而反映的，不同光譜通道所獲得的植被信息可與植被的不同要素同光譜通道所獲得的植被信息可與植被的不同要素或某種特征狀態(tài)有各種不同的相關

6、性，如葉子光譜或某種特征狀態(tài)有各種不同的相關性，如葉子光譜特性中，可見光譜段受葉子葉綠素含量的控制、近特性中，可見光譜段受葉子葉綠素含量的控制、近紅外譜段受葉內細胞結構的控制、中紅外譜段受葉紅外譜段受葉內細胞結構的控制、中紅外譜段受葉細胞內水分含量的控制。細胞內水分含量的控制。 n再如，可見光中綠光波段再如，可見光中綠光波段0.52m-0.59 m0.52m-0.59 m對區(qū)分植對區(qū)分植物類別敏感；紅光波段物類別敏感；紅光波段0.63m-0.69m0.63m-0.69m對植被覆蓋度、對植被覆蓋度、植物生長狀況敏感等。但是，對于復雜的植被遙感，植物生長狀況敏感等。但是，對于復雜的植被遙感，僅用個

7、別波段或多個單波段數據分析對比來提取植僅用個別波段或多個單波段數據分析對比來提取植被信息是相當局限的。因而往往選用多光譜遙感數被信息是相當局限的。因而往往選用多光譜遙感數據經分析運算（加、減、乘、除等線性或非線性組據經分析運算（加、減、乘、除等線性或非線性組合方式），產生某些對植被長勢、生物量等有一定合方式），產生某些對植被長勢、生物量等有一定指示意義的數值指示意義的數值即所謂的即所謂的“植被指數植被指數”。它用。它用一種簡單有效的形式來實現對植物狀態(tài)信息的表達，一種簡單有效的形式來實現對植物狀態(tài)信息的表達，以定性和定量地評價植被覆蓋、生長活力及生物量以定性和定量地評價植被覆蓋、生長活力及生物

8、量等。等。植被指數：植被指數：是由遙感圖像的多光譜數據，經線是由遙感圖像的多光譜數據，經線性和非線性組合構成的對植被有一定指示意性和非線性組合構成的對植被有一定指示意義的各種數值。義的各種數值。在植被指數中，通常選用對綠色植物強吸收的在植被指數中，通常選用對綠色植物強吸收的可見光紅波段和對綠色植物高反射和高透射可見光紅波段和對綠色植物高反射和高透射的近紅外波段。的近紅外波段。植被指數的種類植被指數的種類在植被指數中，通常選用對綠色植物強吸收的可見光紅波段在植被指數中，通常選用對綠色植物強吸收的可見光紅波段和對綠色植物高反射和高透射的近紅外波段。和對綠色植物高反射和高透射的近紅外波段。（1）比值

9、植被指數）比值植被指數 由于可見光紅光波段與近紅外波段對綠色植物的光譜響應十分由于可見光紅光波段與近紅外波段對綠色植物的光譜響應十分不同，兩者簡單的數值比能充分表示兩反射率之間的差異，為比值不同，兩者簡單的數值比能充分表示兩反射率之間的差異，為比值植被指數。植被指數。RNIRDNDNRVI （2）歸一化植被指數）歸一化植被指數歸一化植被指數為近紅外波段與可見光紅波段數值之差和這兩個波歸一化植被指數為近紅外波段與可見光紅波段數值之差和這兩個波段數值之和的比值。段數值之和的比值。RNIRRNIRDNDNDNDNNDVI在植被遙感中，在植被遙感中，NDVI應用廣泛的原因：應用廣泛的原因：（1）NDV

10、I是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。（2）NDVI經比值處理，可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云和經比值處理，可以部分消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云和大氣條件有關的輻照度條件變化等的影響。大氣條件有關的輻照度條件變化等的影響。（3）對于陸地表面主要覆蓋而言，云、水、雪在可見光波段比近紅外波段有較）對于陸地表面主要覆蓋而言，云、水、雪在可見光波段比近紅外波段有較高的反射作用，因而其值為負值。高的反射作用，因而其值為負值。（4）NDVI增強了近紅外與紅色通道反射率的對比度，其結果增強了低值部分，增強了近紅外與紅色通道反射率的對比

11、度，其結果增強了低值部分，抑制了高值部分。抑制了高值部分。（5）NDVI對土壤背景的變化較為敏感。對土壤背景的變化較為敏感。（3）差值植被指數）差值植被指數差值植被指數為近紅外波段與可見光紅波段數值之差。差值植被指數為近紅外波段與可見光紅波段數值之差。RNIRDNDNDVI3.3.植被生態(tài)遙感的應用植被生態(tài)遙感的應用n植被生態(tài)健康狀況的解譯植被生態(tài)健康狀況的解譯n植被及其動態(tài)變化制圖植被及其動態(tài)變化制圖n城市綠化調查城市綠化調查n草場資源調查草場資源調查n林業(yè)資源調查林業(yè)資源調查植物生長狀況的解譯n健康的綠色植物健康的綠色植物具有典型的光譜具有典型的光譜特征。遭受病蟲特征。遭受病蟲害的植物其反

12、射害的植物其反射光譜曲線的波狀光譜曲線的波狀特征被拉平。特征被拉平。植被及其動態(tài)變化制圖植被及其動態(tài)變化制圖n應用遙感影像進行植被分類制圖，尤其是大范圍的應用遙感影像進行植被分類制圖，尤其是大范圍的植被制圖，是一種非常有效而且節(jié)約人力物力的工植被制圖，是一種非常有效而且節(jié)約人力物力的工作。作。n隨著全球生態(tài)環(huán)境的變化，植被生態(tài)遙感從主要了隨著全球生態(tài)環(huán)境的變化，植被生態(tài)遙感從主要了解局地植被狀況和類型，發(fā)展到圍繞全球生態(tài)環(huán)境解局地植被狀況和類型，發(fā)展到圍繞全球生態(tài)環(huán)境而進行大尺度（全球、洲際、國家）植被的動態(tài)監(jiān)而進行大尺度（全球、洲際、國家）植被的動態(tài)監(jiān)測及植被與氣候環(huán)境的關系的研究上。測及植

13、被與氣候環(huán)境的關系的研究上。呼倫貝爾市草地類型分布圖 植被凈初級生產力模型植被凈初級生產力模型RGPPNPP其中NPP、GPP 和R 分別表示凈第一性生產力、總第一性生產力和呼吸作用消耗，單位為 gC hm-2 year-1。PARFPARGPPg草地凈初級生產力計算結果草地凈初級生產力計算結果 ：2006年呼倫貝爾市草地GPP空間分布圖 NPP計算結果計算結果:2006年呼倫貝爾市草地NPP空間分布圖 模擬NPP與實測NPP關系城市綠化調查城市綠化調查n改善城市的生態(tài)環(huán)境，提高城市綠化水平，改善城市的生態(tài)環(huán)境，提高城市綠化水平，是城市生態(tài)建設的重要問題。是城市生態(tài)建設的重要問題。n三維綠化指

14、數（綠量）三維綠化指數（綠量）草場資源調查草場資源調查 n草場上牧草的長勢好壞與牧草的產量直接相關，而產草量是載草場上牧草的長勢好壞與牧草的產量直接相關，而產草量是載畜量（單位面積草場可養(yǎng)牲畜的頭數）的決定因素。在應用遙畜量（單位面積草場可養(yǎng)牲畜的頭數）的決定因素。在應用遙感技術確定草場類型，進行草場質量評價的基礎上，結合地面感技術確定草場類型，進行草場質量評價的基礎上，結合地面樣點光譜測量數據，找出某類植被指數與產草量的關系即可進樣點光譜測量數據，找出某類植被指數與產草量的關系即可進行草場資源調查行草場資源調查 n此外還可將產草量指標與實際載畜量進行比較，以確定哪些草此外還可將產草量指標與實

15、際載畜量進行比較，以確定哪些草場還有潛力，哪些草場屬于超載，從而為畜牧業(yè)的發(fā)展提供科場還有潛力，哪些草場屬于超載，從而為畜牧業(yè)的發(fā)展提供科學的依據。在具體工作中還可劃分出不同草場類型，不同產草學的依據。在具體工作中還可劃分出不同草場類型，不同產草量等級，分別確定合理的載畜量。量等級，分別確定合理的載畜量。林業(yè)資源調查林業(yè)資源調查n林業(yè)部門是采用遙感技術進行資源調查最早的部門之林業(yè)部門是采用遙感技術進行資源調查最早的部門之一，在我國的各大林區(qū)都應用過遙感影像制作森林分一，在我國的各大林區(qū)都應用過遙感影像制作森林分布圖、宜林地分布圖等，并對林地的面積變化進行動布圖、宜林地分布圖等，并對林地的面積變

16、化進行動態(tài)監(jiān)測。尤其是態(tài)監(jiān)測。尤其是1987-19901987-1990年之間全面開展的年之間全面開展的“三北三北”防護林遙感綜合調查的重點科技攻關項目，對橫貫我防護林遙感綜合調查的重點科技攻關項目，對橫貫我國的東北、華北和西北已建的防護林網的分布、面積、國的東北、華北和西北已建的防護林網的分布、面積、保存率和有效性進行評估。保存率和有效性進行評估。遙感在土地利用/土地覆蓋中的應用土地利用和土地覆蓋 n土地利用是人類在生產活動中為達到一定的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益，對土地資源的開發(fā)、經營、使用方式的總稱。n土地覆蓋的定義有：n1)“國際地圈與生物圈計劃”（IGBP）和“全球環(huán)境變化人文計劃

17、”（HDP）：地球陸地表層和近地面層的自然狀態(tài)，是自然過程和人類活動共同作用的結果。n2)美國“全球環(huán)境變化委員會”（USSGCR）： 覆蓋著地球表面的植被及其它特質。n從兩者的定義可以看出，土地利用和土地覆蓋既有一定的聯系又有差別。土地利用重點是表示與土地相結合的人類活動而產生的不同利用方式。土地覆蓋主要是表示地球表面存在的不同類型的覆蓋特征，強調的是土地的表面形狀 。n我國土地利用分類的目的是查清各縣各種土地分類的面積、分布和利用狀況，為國家制定國民經濟計劃，農業(yè)區(qū)劃和規(guī)劃，指導農業(yè)生產和服務與土地統計登記制度等管理工作。因此土地利用分類的主要依據是土地用途、土地經營方式、土地利用方式和土

18、地覆蓋特征等。土地覆蓋只是土地利用分類的一個依據，但遙感圖像最能夠直接反映的是土地覆蓋。n大多數遙感土地應用使用土地覆蓋/利用的概念。 分類標準n全國土地遙感動態(tài)監(jiān)測的分類標準。該標準基本遵循了全國農業(yè)區(qū)劃委員會1984年頒發(fā)的土地利用現狀調查規(guī)程的分類體系，并考慮遙感圖像自身的特點。土地覆蓋/利用類別分類定為以下8大類49二級類別（表）。編碼在矢量圖形中為多邊形的屬性碼，在柵格圖像上為柵格值。 分類標準（續(xù)）示例福建土地利用動態(tài)監(jiān)測數 據n福州市n遙感影像：1990年，1996年，4景LANDSAT-TMn土地利用圖：長樂縣1993年，1：10萬n1：10萬，1：5萬地形圖n農歷、耕作、農事等文字資料光譜分析福州市主要地物光譜曲線050100150200250123457波段灰度城市村莊建設中耕地（有作物）耕地（無作物）園林地荒地河流淺海深海 配 準 時相 TM 影像 地理輔助數據 時相 TM 影像 波段分析 假彩色合成 訓練區(qū)選擇 樣本分析與校正 最大似然方法 分類結果（90和97） 行政界線清繪 掃描或數字化 矢量圖形屬性 投影變換 高斯克呂格 投影 矢量數據（V） 地圖代數計算動態(tài)變化圖象（dI） dI 和 V 配準 迭 加 初始動態(tài)圖 統計數據 人機交互目視糾正 變化信息提取（續(xù)）時相遙感影像時相遙感影像配準裁剪和高克投影配準主成分分析法分析圖像特征選擇反映變