植被光谱分析与植被指数计算解读

植被光谱分析与植被指数计算

在遥感中，常常结合不同波长范围的反射率来增强植被特征，如植被指数（vegetation indices ——VI）的计算，植被指数（VI）是两个或多个波长范围内的地物反射率组合运算，以增强植被某一特性或者细节。目前，在科学文献中发布了超过150种植被指数模型，这些植被指数中只有极少数是经过系统的实践检验。本文总结现有植被指数，根据对植被波谱特征产生重要影响的主要化学成份：色素（Pigments）、水分（Water）、碳（Carbon）、氮（Nitrogen），总结了7大类实用性较强的植被指数，即：宽带绿度、窄带绿度、光利用率、冠层氮、干旱或碳衰减、叶色素、冠层水分含量。这些植被指数可以简单度量绿色植被的数量和生长状况、叶绿素含量、叶子表面冠层、叶聚丛、冠层结构、植被在光合作用中对入射光的利用效率、测量植被冠层中氮的相对含量、估算纤维素和木质素干燥状态的碳含量、度量植被中与胁

迫性相关的色素、植被冠层中水分含量等。

包括以下内容：

∙∙●植被光谱特征

∙∙●植被指数

∙∙●HJ-1-HSI植被指数计算

1.植被光谱特征

植被跟太阳辐射的相互关系有别于其他物质，如裸土、水体等，比如植被的“红边”现象，即在<700nm附近强吸收，>700nm高反射。很多因素影响植被对太阳辐射的吸收和反射，包括波长、水分含量、色素、养分、碳等。研究植被的波长范围一般为400 nm to 2500 nm，这也是传感器设计选择的波长范围。这个波长范围可范围以下四个部分：

∙∙●可见光（Visible）：400 nm to 700 nm

∙∙●近红外（Near-infrared——NIR）：700 nm to 1300 nm

∙∙●短波红外1（Shortwave infrared 1—— SWIR-1）：1300 nm to 1900 nm

∙∙●短波红外2（Shortwave infrared 2——SWIR-2）：1900 nm to 2500 nm

其中NIR和SWIR-1的过渡区（1400nm附近）是大气水的强吸收范围，卫星或者航空传感器一般不获取这范围的反射值。

SWIR-1 和 SWIR-2的过渡区（1900nm附近）也是大气水的强吸收范围。

植被可分为三个部分组成：

∙∙●植物叶片（Plant Foliage）

∙∙●植被冠层（Plant Canopies）

∙∙●非光合作用植被(Non-Photosynthetic Vegetation)

这三个部分是植被分析的基础，下面对他们详细介绍。

1.1植物叶片（Plant Foliage）

植物叶片包括叶、叶柄以及其他绿色物质，不同种类的叶片具有不同的形状和化学成份。对波谱特征产生重要影响

的主要化学成份包括：色素（Pigments）、水分（Water）、碳（Carbon）、氮（Nitrogen），这也是遥感反演的基础，

如用植被指数来估算叶子的化学成份。

●色素（Pigments）

叶色素主要包括叶绿素、叶黄素和花青素。这些都是植被的健康的指标，比如含高浓度叶绿素的植被一般很健康，相反，叶黄素和花青素常常出现在健康较差的植被，濒临死亡的植被出现红色、黄色或棕色。

叶色素只影响可见光部分（400nm~700nm），图1为几种叶色素在可见光范围的相对光谱吸收特征。

图1 部分叶色素的相对光谱吸收特征

●水分（Water）

叶子的几何特性、冠层结构和对水的需求影响植被的水分含量。水分对植被反射率的影响波段范围在NIR和SWIR

（图2）。在1400nm和1900nm附近有吸收波谷，但是传感器一般会避开这两个波段范围。在970nm和1190nm附近

也有强吸收特征，可利用这两个波段范围监测植被水分。

●碳（Carbon）

植物中的碳是以很多形式存在，包括糖，淀粉，纤维素和木质素等。纤维素和木质素的吸收特征表现在短波光谱范

围内容（图3）。

图2 叶片水和碳（纤维素和木质素）相对光谱吸收特征

●氮（Nitrogen）

叶子中的氮元素一般包含在叶绿素、蛋白质以及其他分子中。植被指数（VI）对包含在叶绿素中的氮元素很敏感（大

约含6％氮）。包含在蛋白质中的氮元素在1500nm~1720 nm范围内对叶片波谱特征影响比较大。

从上可以看出，植被与辐射的相互作用主要体现在叶片的波谱特征，因此，在可见光谱段内，主要太阳辐射的吸收来自叶绿素、叶黄素和花青素，形成450nm和670nm附近的吸收谷；在近红外谱段内，主要太阳辐射的吸收来自水分，形成970nm和1190nm两个水吸收带；在短波红外谱段内，除了水分，各种形式存在的碳和氮也对太阳辐射的吸收有一

定的贡献，形成1400nm和1900nm吸收谷。图3是叶片反射率与透射光谱（Transmittance Spectra）对比例子，木本植

被和草本植被在色素、水分、氮等含量不一样，反射率与透射光谱关系也不一样。

图3木本植物(A)和草本植物(B)的叶片反射率与透射光谱

1.2植被冠层（Plant Canopies）

单片叶子的反射特性对植被冠层光谱特征是重要的，此外，叶子数量和冠层结构对植被冠层的散射、吸收也有重要的影响。比如不同的生态系统中，森林、草原、或农业用地等都具有不同的反射特性，虽然它们单个叶子很类似。有很多植被模型用于描述冠层光谱特征。两个最重要的是叶面积指数（LAI）和叶倾叶角分布（LAD）。LAI指每单位面积地上绿叶面积，这表现了冠层中绿色植被的总数；LAD描述了树叶所有类型的定向，常用平均叶倾角（MLA）近似。

MLA表示冠层中的每个叶片角度与水平方向的差值的平均值。

图4表示LAI和LAD对植被冠层的影响效果，MLA近似LAD。在近红外谱段内，植被强反射太阳辐射，植被冠层在

可见光和SWIR-2是强吸收。使用可见光和SWIR-2的植被指数对上层林冠非常敏感。