遥感地学分析—植被遥感原理

（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱的影响因素 ❖ 1）叶片生化组分
❖ 叶绿素a、b，导致0.45μm与0.67μm为中心形 成两个强烈的吸收带；
❖ 胡萝卜素、叶黄素导致0.43μm-0.48μm范围内 形成强烈的吸收带。
❖ 两吸收谷间（0.54μm附近）吸收相对较少， 形成绿色反射峰（10%-20%）。
✓ 等面叶的组织分化不明显。
（一）单张叶片光谱 特性及影响因素
❖ 1、植物叶片结构
✓ 叶片一般具有三部分：表皮、叶肉和叶脉 ✓ 表皮：包围整个叶片，由一层或多层组成。表
皮细胞扁平，排列紧密，通常不含叶绿体，外 表常有一层角质层。
（一）单张叶片光谱
特性及影响因素
❖ 1、植物叶片结构
✓ 叶肉：为表皮内的同化薄壁组织，有两种： （1）栅栏组织：紧靠上表皮下方，呈圆柱状，
叶方位角：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。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
各参数的描述，如：
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 分，对每一部分进行测量。
一个冠层内叶倾角的分布模式可以从0 ° （水平叶 ）到90 ° （垂直叶），一般用间隔为10°作出的叶 倾角分布频率图来表示。
植被遥感研究的主要内容：
• （1）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，什么样的农作物，如此等等。
• （2）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（LAI）、叶子宽度、平均叶 倾角、植被层平均高度、树冠形状等等，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。
结构紧凑
双子叶植物反射率高于单子叶植物反射率
阔叶林与针叶林
落叶树（阔叶） 叶片结构比较稀 疏；
针叶树（针叶） 叶片结构比较紧 凑；
不同成熟期的叶片
由于年轻，不成熟 稀疏结构叶片相较 于年长树叶叶绿素 含量较低、空隙率 较少，它们反映了 更多的可见光辐射 和较少的红外辐射
榕树病害的反射光谱曲线对 比
❖ 植被遥感不仅依赖于对单张植物叶片的光 谱特性，还需进一步认识植被冠层的光谱 特性。
（一）单张叶片光谱 特性及影响因素
❖ 1、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 感器所接收到的植被信号的主要贡献者。分为 异面叶和等面叶两种。
✓ 异面叶的叶肉组织有较大分化，形成栅栏组织 和海绵组织，故叶片上下面的受光情况不同， 上呈深绿色，下呈淡绿色。
50%-90%。 4）从0.69um始，叶片对近红外 辐射的吸收迅速减小，在0.76和 1.2um间有最小吸收率，5-25%
，故反射和透射最大。
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 2、单张叶片的反射、吸收和透射特性
5）超过1.2um，又以吸收为主，且在1.4、1.9和 2.7um出现液态水吸收带，吸收作用增强，达到70-
• 植被影响地气系统的能量平衡,在气候、水文 和生化循环中起着重要作用,是气候和人文因 素对环境影响的敏感指标。
植被
• 因此,地球植被及其变化一直被各国科学家 和政府所关注。
• 卫星遥感是监测全球植被的有效手段,为人 类提供了监测、量化和研究人类有序活动 和气候变化对区域或全球植被变化影响的 可能。
垂直于表皮细胞，并紧密排列呈栅状，内含较 多叶绿体。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 一些水生及阴生植物的叶是完全没有栅栏组织 的。 （2）海绵组织：细胞形状多不规则，内含较少 叶绿体，位于栅栏组织下方，层次不清，排列 疏松，状如海绵。
（一）单张叶片光谱 特性及影响因素
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
各参数的描述，如：
冠层高度：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 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。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
各参数的描述，如：
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
从植被遥感-植物与光的相互作用出发，植 被结构主要指叶子形状（用叶倾角分布LAD 表示），大小（叶面积指数LAI表示），植 被冠层形状、大小及几何与外观结构，同 时也包括植被的成层现象（与多次散射有 关）、覆盖度（涉及间隙率、阴影）等。
❖ 1、植物叶片结构
✓ 叶脉：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。 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。
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 2、单张叶片的反射、吸收和透射特性
反射辐射
入射辐射-散射辐射=吸收辐射，用于增加植物体温和光合作用
95%。
6）1.3um的短波红外，入射能基本均被吸 收或反射，透射极少。
植物叶片的反射、透射和吸 收特性随种类、生长期、病 害及入射波长不同而变化， 故可依据此识别植被、诊断
病害及估产。
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱的影响因素 ❖ 1）叶片生化组分
❖ 叶片生化组分包括水、叶绿 素、胡萝卜素、纤维素和蛋 白质等，它们决定了叶片的 吸收特性。
本节内容植被指数概念植被指数类型植被指数与叶面积指数关系植被指数与叶绿素含量关系植被指数与植被覆盖度关系植被指数与生物量关系植被指数与气候参数关系一植被指数概念遥感图像上的植被信息主要通过绿色植物叶子和植被冠层的光谱特性及其差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种特征状态有各种不同的相关性如叶子光谱特性中可见光谱段受叶子叶绿素含量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一植被指数概念再如可见光中绿光波段052m059m对区分植物类别敏感
组分吸收
不同色素影响反射率
• 植物叶子中含有多种色素，如叶青素、 叶红素、叶黄素、叶绿素等，在可见光 范围内，其反射峰值落在相应波长范围 内。
不同颜色叶子的反射光谱
不同橡树叶子的反射特性
1 a
3 2
a. b.
4 c.
Percent Reflectance
45 40 35 30 25 20 15 10
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构 植被结构指植物体表面的空间分布结构。 植被结构是随着植被种类、生长阶段、分布方式
的不同而变化，详细描述很复杂。 根据遥感研究需要，采用简化的结构特征，分为
：水平均匀植被（连续植被）和离散植被两种。 草地、幼林、生长茂盛农作物等为连续植被 疏林地、果园、灌丛等为离散植被
不同生长状 态橡树叶子 反射特性
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱的影响因素 ❖ 1）叶片生化组分
❖ 蛋白质、纤维素+木质素的吸收在波长大于 1.9um后有增加趋势，即该类化学成分在可见 光-近红外区对植物反射率影响很小，但在短 波红外影响增大。
❖ 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。
用分布函数LAD来描述不同的倾角类型，如均匀型 、球面型、倾斜型
不同生长期苜蓿反射率与生 物量、覆盖度的关系
植被遥感研究的主要内容：
• （3）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、光合作用 强度（干物资生产率）、叶表面温度等。
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要研究的 问题，虽已取得了相当的进展，但到成熟仍需时 日。
一、植被遥感原理
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 总体来看，健康绿色植被叶片的光谱特性表 现为相似的峰-谷相间的谱带特征。 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，其光 谱响应曲线存在着差异，这种变化和差异正 是可以用来鉴别和监测植物的依据。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
1、绿色植被冠层的反射 植被冠层由叶、花、茎、果实等共同构成。
5 d. 0
Blue (0.45 - 0.52mm)
Green leaf Yellow Red/orange Brown
Green
Red
(0.52 - 0.60mm) (0.63 - 0.69mm)
1 2 3 4
Near-Infrared (0.70 - 0.9m2m)
不同色素影响反射率
随着植物生长， 叶绿素减少、 其它色素增加、 红光附近反射率 上升
短波红外吸收特征
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱影响因素
❖ 2）叶片内部结构：
在0.7μm - 1.3μm近红外谱段，植物光谱特性主 要取决于叶片内部的细胞结构，叶片反射与透 射能各占45~50%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 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。
（二）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 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。
冠层阴影所占比例受光照角度，叶的形状、大 小、倾角等的影响。
阴影一般会导致冠层的反射低于单叶的实验室 测定反射值。
但在近红外谱段冠层的反射率高于单叶片，这 是由多层叶子的多次透射—反射导致，且冠层 反射随层数增加而增加，大致8层叶片的冠层结 构其反射率达到最大值；
遥感地学分析
第一章 植被遥感
主要内容
一、植被遥感原理 二、植被分类 三、植被生态参数的估算 四、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
研究
植被
• 植被是生长于地球表层的各种植物类型的总 称，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。
• 植被是全球变化中最活跃、最有价值的影响 要素和指示因子（找水、矿）。
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱影响因素 ❖ 3）叶片表面特征
❖ 叶片表面发丝状物和蜡状物也是影响叶片反射 率的重要因素。
❖ 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。
❖ 叶片表面蜡状物改变叶面粗糙度，影响反射率 。
❖ 叶片蜡状物对紫外和蓝光的反射增强，因其直
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 2、单张叶片的非常相似；
2）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90%），且蓝-紫光 （0.38-0.47um）和橙-红光（0.62-0.68um）的光合有 效辐射吸收最大，约90%，绿光吸收最少，吸收率为
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。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
1、绿色植被冠层的反射
传感器接收到的植被冠层辐射是： 1）从植被组分上直接反射的光（冠层一次散 射）；
2）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）； 3）从地面一次反射直接到达传感器的 光（地表一次散射）
其测量单位为每立方米群从容积中的平方米叶面积 ，即m-1.
间隙率：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。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
各参数的描述，如：
植被覆盖度：植被冠层的垂直投影面积与土壤 总面积之比，即植土比。
叶倾角：叶子向上半面某一点上的法线方向与Z 轴（垂直于水平面指向天空）的交角，称为叶 子在该点的倾角。
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 多，用近红外谱段进行植物类型区分。
不同类型植物光谱曲线的差异
植被（近红外波段的变化）
双子叶与单子叶植物
(典型双子叶植物 )
苹果、棉花、向日葵
结构疏松，孔隙多 ，多次反射增加
(典型单子叶植物 )
小麦、水稻、竹子
不同水分含量玉米叶子反射曲线
❖植物的光谱特性受叶子总含水量的控制，反射率与 总含水量呈相关关系。
（一）单张叶片光谱特性及影响因素
❖ 3、叶片反射波谱的影响因素 ❖ 1）叶片生化组分
❖ 在可见光谱段内，植物光谱特性主要受叶内各 种色素（叶绿素和胡萝卜素等）的支配，其中 叶绿素起最主要的作用。
❖ 因色素强烈吸收，叶片的反射和透射都很低。
叶面积指数LAI：单位土地面积上的柱体内全部 植物叶子面积（仅叶片向上半面）之和。
LAI无量纲，用每平方米地表面积上的平方米叶面积 表示。
单位地表面积上叶面积的多少对光线透过、截获等 至关重要。
（二）植被冠层光谱特性及影响因素
❖ 2、植被冠层影响因素-植被结构
各参数的描述，如：
叶面积体密度FAVD：某一高度上的单位体积内 的叶面积的总和。