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植被光谱特性分析1.0

       植被是遥感的重要应用领域,遥感在植被分析中的应用主要是以确定植被的分布、类型、长势等内容为主。不同的植物由于结构和叶绿素含量不同,具有不同的光谱特征,特别是近红外波段有较大的差别。利用植物的物候差异下的光谱成像也可区分植物类型,如冬季落叶树和常绿树很好区别。植被生长不同状态下,例如病害侵扰下结构和叶绿素含量发生很大的变化,尤其是近红外波段与健康植物区别最为明显。另外,通过对植被的分析还可用来建立农作物的估产模型。

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植被的光谱反射与吸收曲线

       传统波段的研究仅限于判断红光的吸收,近红外的反射,中红外的水体吸收带。植被自身生长状态及其环境变化将导致植被的组分含量的变化,进而影响植被的光谱。

1. 在可见光的0.55μm附近有一个反射率为10%~20%的小反射峰,在0.45μm和0.65μm附近有两个明显的吸收谷。

2.  在近红外波段,从0.7~0.8μm处反射率急剧增高,形成一个爬升的“陡坡”,至1.1um附近有一个峰值,反射率最大可达50%,在近红外波段0.8~1.3μm之间形成一个高的,形成植被称为“红边效应”的独有特征。植被近红外(800-1000nm)反射光谱差异来源于植被细胞散射,出现“红边效应”现象,以及区别不同种类的植物单片叶子或多片叶子。

3. 由于水分的吸收作用,在1.4μm,1.9μm和2.6~2.7μm附近有三个吸收谷,主要由植物细胞内水体吸收能量函数决定,因子是叶子厚度和水分含量。

      为了实现从高光谱影像上提取农作物信息,提高对遥感影像植被分类识别的效果,人们提出了一系列描述植被生化参量与光谱之间关系的植被光谱特征参数,主要包括红边(RE)、归一化差值植被指数(NDVI)、植被叶面积指数(LAl)和叶面叶绿素指数(LCI)等。

(一) 植物光谱的特征参数

      针对植被的光谱特征研究,人们开展的较早,提出了上述内容结尾的一系列参数。这些参数涉及植被生化组分与光谱之间的关系,能提高植被的分类识别精度,有利于估算植被生物化学参数,与诊断光谱分析相结合有助于提高对遥感影像植被的分类识别效果。

为了对植被分类计算方法进行有益的探索,现将这些光谱特征参数归纳整理,并给出相应的数学模型。常用的植被光谱特征参数如下:

红边(RE):指植被在670~740nm之间反射率增高最快的点,也是一阶导数光谱在该区间的拐点,是绿色植被最显著的标志。

蓝边(BE):指蓝色光在490~530mm之问反射率一阶导数的最大值位置。

黄边(YE):指黄色光在550~582nm之间反射率一阶导数的最小值位置。

归一化差异植被指数(NDVI)

指两个不同波段地物光谱反射率差值与其和值之间的比值,或者是多个波段上的光谱反射率的加权差值与加权累积之间的比值。

植被叶面积指数(LAl)

指单位面积内植被所有叶面积的总和除以单位面积。叶面积指数是植被冠层结构的一个重要指数,它反映植被的许多生物物理过程。遥感方法计算叶面积的指数的方法,通常是利用植被在近红外波段有较高的反射率,间接计算叶面积指数。

红边一阶导数最大值(DRE)

对植被的植物量(叶面指数LAI)反映极为敏感,其他如一阶导数积分、二阶导数积分与绿色植被的覆盖度有非常紧密的线性关系。

叶面叶绿素指数(LCl)

对叶绿素很敏感,但是对叶面散射和叶面内部结构变化不敏感,LCI最适用于高叶绿素的区域。

叶面水含量指数(WI)

是比较970nm水吸收波段和900nm的反射率相对而定的参数。

归一化差异水体指数(NDWI)

是反映植被叶面水含量的参数是根据1240nm水吸收波段和860nm的反射率相对而定的参数,它随着植被叶面水含量的增加而增加。

 

(二)植被种类对光谱的影响

       影响植被波谱特征的主要因素包括植物类型、植物生长季节、病虫害影响等,植被波谱特征大同小异,绝大部分植被表现出类似的光谱曲线,但不同种类的植被因为生化组分、冠层结构的不同在光谱中仍表现出细微的差别,根据这些差异可以区分植被类型、生长状态等。如下图所示为四种植被的反射率曲线,他们的曲线形状十分相似,但仍能通过诊断光谱分析识别他们之间的细小差异,从而实现植被种类的精细分类。

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部分植被波谱曲线



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