作物生物量遥感估算研究进展_杜鑫

随着３Ｓ技术的发 展，遥 感 数 据 为 生 物 量 的 测 定 提 供 一 种有效的手段，使其估算过程 更 加 简 化，通 过 遥 感 获 取 地 表 植被信息及相关参数，已成为实时的大范 围 反 演 地 表 生 物 量 的一种重要工具和手段。
本文就当前基于遥感信息构建的作物生物量估测模型的 思路方法以及模型精度检验等方面的研 究 现 状 进 行 总 结 ，并 展望发展趋势。
Ｐｒａｓａｄ等基于地 面 观 测 的 光 谱 数 据 研 究 了 不 同 作 物 生 物量的敏感波段 和 敏 感 植 被 指 数 ，结 果 发 现 ６５０～７００ｎｍ， ５００～５５０ｎｍ 及９００～９４０ｎｍ 三个范围的波段与作 物 生 物 量 的关系最好［８］。Ｈａｎｓｅｎａ等 利 用 反 射 率 高 光 谱 数 据 在 ４３８～ ８８４ｎｍ（光谱波段间 隔 １ｎｍ）范 围 内 穷 尽 了 所 有 两 波 段 间 的 相关关系，并且由此构建了多种归一化光 谱 指 数 估 算 小 麦 地 上鲜生物量［９］。王秀珍等在水稻 上 的 研 究 表 明 ，一 阶 微 分 高 光谱参数（如红边波长、红边振幅、绿峰最大反射率、红谷 最 小反射率及其组合等）与 地 上 生 物 量 显 著 相 关，提 出 以 蓝 边 内一阶微分总和（４９０～５３０ｎｍ）与 红 边 内 一 阶 微 分 总 和 （６８０ ～７８０ｎｍ）构成的比值植被指 数 为 高 光 谱 估 算 水 稻 地 上 鲜 生 物 量 最 佳 光 谱 变 量［１０］。宋 开 山 等 采 用 单 变 量 非 线 性 拟 合 模 型和线性逐步回归以及神经网络技术，建 立 了 玉 米 地 上 鲜 生 物量高光谱遥感估算模型。对 估 算 结 果 进 行 分 析，发 现 绿 光 波段反射峰区、红光波段以及红边区的单 波 段 反 射 率 与 作 物 的地上鲜生物量相关性较大，而其他波段 与 作 物 的 鲜 生 物 量 相 关 性 相 对 较 差［１１］。宋 开 山 等 还 建 立 了 以 近 红 外 与 可 见 光 波段的冠层光谱反射率的比值植被指 数 （ＲＶＩ）为 变 量 的 大 豆 地上鲜生物量遥感估算模 型，并 指 出 在 ３５０～６８０ｎｍ 和 ７６０ ～１ ０５０ｎｍ 波谱区的冠层光谱反射率，红 边 区 ６８０～７６０ｎｍ 的 导 数 光 谱 与 大 豆 地 上 鲜 生 物 量 相 关 程 度 高［１２］。柏 军 华 等 分析棉花地上鲜生物量冠层高光谱反射 率 变 异 系 数，反 射 率 光谱、一阶微分光谱 与 地 上 鲜 生 物 量 相 关 关 系 的 结 果 表 明： 棉花地上鲜生物量与反射率光谱相关系数最大值在可见光波 段出现在５８９～７００ｎｍ，在 近 红 外 波 段 出 现 在 ８６５～９１９ｎｍ 波段，地上鲜生物量与一阶微分光谱相关 系 数 在 可 见 光 波 段 出现５２４～５２８ｎｍ，５５２～５８８ｎｍ，７１０～７５５ｎｍ 三 个 高 值 区。并建立了棉花地上鲜生物 量 高 光 谱 遥 感 监 测 模 型 ，经 检 验，单波段估算模型准确度为８３．９％，组合参 数 估 算 模 型 准 确 度 达 ８４．０％ 。 ［１３］
估算。
Ｍａｃｅｌｌｏｎｉ等研究结果表明对于 大 叶 片 作 物，Ｃ 波 段，尤
其是 Ｌ 波段，后向散射随着生物量 的 增 加 而 增 加，这 主 要 是
由于信号在传播过程中散射占据了主导 作 用；对 于 小 叶 片 作
物，由于传播过程中吸收更加 明 显，后 向 散 射 随 着 生 物 量 的
增加，其趋势是平的或者下降的［１４］。Ｍａｔｔｉａ等的研 究 结 果 表
明入射 角 ２３°和 ＶＶ 极 化 模 式 下，Ｃ 波 段 雷 达 数 据 对 小 麦 地
上生物量最为敏感（尤其是抽穗之前），但 由 于 会 受 到 土 壤 湿
度变化的影响，不适合直接建 立 生 物 量 反 演 方 法；并 发 现 入
傅 玮 东、黄 敬 峰 等 基 于 农 业 气 象 试 验 站 观 测 农 学 资 料 、 光谱资料以及同 步 接 收 的 ＮＯＡＡ／ＡＶＨＲＲ 资 料，计 算 了 冬 小麦生物量 与 比 值 植 被 指 数 （ＲＶＩ）和 归 一 化 差 值 植 被 指 数 （ＮＤＶＩ）的相关系数（０．９２３ ３ 和 ０．９７８ ４），均 达 到 了 极 显 著 水平，并建立了冬小麦生物量的光谱监测 模 型 和 气 象 卫 星 遥 感 监 测 模 型［４，５］。张 霞 等 以 ＭＯＤＩＳ为 数 据 源 ，构 建 了 归 一 化 差异光谱指数（ＮＤＳＩ）和 再 次 归 一 化 光 谱 指 数 （ＲＤＳＩ），并 对 两种植 被 指 数 与 小 麦 生 物 量 的 关 系 进 行 了 分 析，并 发 现 （ｂ１９，ｂ２），（ｂ１９，ｂ１７）和（ｂ１９，ｂ１６）这 ３ 个 波 段 组 合 所 构 建 的指数对小麦生物量高度敏感，达到了９９％显 著 相 关，而 且 明 显 优 于 ＭＯＤＩＳ 自 身 的 植 被 指 数 产 品 ＭＯＤＩＳ－ＮＤＶＩ 和
＊ 通 讯 联 系 人 ｅ－ｍａｉｌ：ｍｅｎｇｊｈ＠ｉｒｓａ．ａｃ．ｃｎ
第 １１ 期 光 谱ＩＳ－ＥＶＩ［６］。 这种统计模型在形式上简单易用，但 此 方 法 需 要 大 量 的
样点观测数据，模型 不 具 备 作 物 生 长 发 育 过 程 的 理 论 基 础， 同时模型只能在建模区域内应用，很难推 广 到 其 他 区 域 或 其 他作物使用。 １．２ 基 于 高 光 谱 数 据 的 估 算 方 法
近年来，随着高光谱分辨率 遥 感 的 广 泛 发 展，对 于 作 物 的遥感监测能够在光谱维展开，使得地表 作 物 的 微 弱 光 谱 差 异的定量分析成为可能［７］。基于高光谱的 作 物 生 物 量 估 算 方 法正是基于高光谱分辨率遥感在这方面 的 巨 大 优 势，结 合 作 物的生长发育规律，对其冠层 高 光 谱 反 射 率 进 行 测 定，并 利 用敏感波段来构建植被指数以及采用微分等技术确定关键波 段 的 特 定 参 数 （红 边 参 数 等 ）来 对 作 物 的 生 物 量 进 行 估 测 。
基于高光谱的作物生物量估算方法，充 分 发 挥 了 遥 感 数 据在光谱维的优势，并考虑作物生长发育 过 程 中 其 冠 层 反 射 率的不同响 应，模 型 建 立 相 对 简 单，和 简 单 统 计 分 析 法 相 似，这种方法也需要 大 量 的 观 测 数 据 的 支 持，并 且，由 于 没 有充分考虑 作 物 的 生 长 发 育 过 程 ，难 以 同 时 适 用 于 不 同 作 物，在区域外推上也有很大的 局 限 性。但 将 来 随 着 更 多 的 考 虑作物生理生态机制，以及计 算 机 处 理 能 力 的 增 强，高 光 谱
第３０卷 ，第１１期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 ２ ０ １ ０ 年 １ １ 月 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１１，ｐｐ３０９８－３１０２ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２０１０
作物生物量遥感估算研究进展
杜 鑫，蒙继华＊ ，吴炳方
中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 ，北 京 １００１０１
摘 要 作物生物量是作物长势监测以及产量估算中的一个关键指标。随 着 ３Ｓ技 术 的 发 展，遥 感 数 据 可 以 为作物生物量的估算提供有力的支撑，充分发 挥 遥 感 信 息 的 宏 观 及 实 时 动 态 性 ，使 在 大 的 时 间 和 空 间 尺 度 上进行作物的生物量估算成为可能。文章通过 总 结 作 物 生 物 量 遥 感 估 算 的 研 究 现 状 ，根 据 采 用 的 数 据 源 不 同以及基于的模型基础不同将现有作物生物量遥感 估 算 模 型 划 分 为 ６ 类，并 对 每 一 类 模 型 的 方 法、原 理、和 应用进行了详细阐述，讨论分析了作物生物量 遥 感 估 算 方 法 的 发 展 趋 势 ，以 及 各 种 估 算 方 法 的 自 身 优 势 和 仍 需 完 善 的 方 面 ，并 对 今 后 的 发 展 进 行 了 展 望 。
关 键 词 作 物 ；生 物 量 ；遥 感 监 测 中 图 分 类 号 ：ＴＰ７９ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－０５９３（２０１０）１１－３０９８－０５
引 言
生 物 量 是 作 物 长 势 监 测 的 一 个 重 要 指 标［１，２］，作 物 单 株 生物量反映了个体长势，单位面积生物量 则 反 映 了 作 物 群 体 长势。同时作物生物量还是重 要 的 农 学 参 数，是 形 成 作 物 产 量的基础，区域尺度上作物生物量的估算 可 以 为 作 物 产 量 的 监测与预测提供依据，结合收获指数就可 以 对 区 域 尺 度 上 的 作物单产进行空间制图［３］。另一方面农田 生 物 量 是 研 究 全 球 碳循环的重要组成部分，农田在陆地生态 系 统 的 物 质 循 环 和 能量流动中起着主导作用，对农田生物量 进 行 监 测 将 为 研 究 农田生态系统中能量平衡、能量流动和养 分 循 环 等 功 能 过 程 提供基础数据。
收 稿 日 期 ：２００９－１１－１９，修 订 日 期 ：２０１０－０２－２６ 基金项目：国 家 青 年 自 然 科 学 基 金 项 目 （４０８０１１４４），中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 重 大 项 目 （ＫＳＣＸ１－ＹＷ－０９－０１）和 （８６３ 计 划 ）专 题 项 目
（２００９ＡＡ１２Ｚ１４６）资 助 作 者 简 介 ：杜 鑫 ，１９８２ 年 生 ，中 国 科 学 院 遥 感 应 用 研 究 所 博 士 研 究 生 ｅ－ｍａｉｌ：ｄｕｘｉｎ８２＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
１ 遥 感 监 测 方 法
目前主要的作物生物量遥感监测方法可以根据采用的数
据不同或采用的模型不同等特点可划 分 为 ５ 种 监 测 方 法，即 基于传统光学数据简单统计分析的估算 方 法，基 于 高 光 谱 数 据的估算方法，基于雷达数据 的 估 算 方 法，基 于 净 初 级 生 产 力 （ＮＰＰ）的 估 算 方 法 ，及 基 于 作 物 生 长 模 型 的 估 算 方 法 。 １．１ 基 于 传 统 光 学 数 据 简 单 统 计 分 析 的 估 算 方 法