基于辐射传输模型的叶绿素含量定量反演(精)

生态学杂志ChineseJournalofEcology 2006,25(5):591~595 基于辐射传输模型的叶绿素含量定量反演*施润和1,2** 庄大方牛铮王汶

21343(1中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;

北京100101;4中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院遥感应用研究所,中国人民大学环境学院,北京100872)

摘要利用基于叶片内部辐射传输机制的PROSPECT模型模拟大量不同生化含量和叶肉结构的叶片光谱,研究利用高光谱植被指数定量反演叶绿素含量的可行性和精度,并比较各指数的稳定性和抗干扰能力。结果显示,各指数在对叶绿素的敏感性方面相差不大,除三角植被指数(TVI)外,其它指数均随叶绿素含量的增加而减小。叶片水分含量的差异对各指数的影响很小,干物质次之,叶肉结构影响最大。在抵抗干物质影响和叶肉结构影响方面,结构无关色素指数(SIPI)明显优于其它四种指数,吸收中心波深归一化后的面积指数(ABNC)次之。通过使用叶片光学模型的模拟光谱来研究叶绿素含量变化的光谱响应及其影响因素和反演策略,具有较强的理论性和普适性。研究结果与实际观测相吻合,方法简单易行。

关键词辐射传输模型,叶绿素,高光谱,植被指数,反演

中图分类号 Q945 11 文献标识码 A 文章编号 1000-4890(2006)05-0591-05 Quantitativeinversionofchlorophyllcontentbasedonradiativetransfermodel.SHIRunhe,Z HUANGDafang1,NIUZheng3,WANGWen4(1InstituteofGeographicalSciencesandNatu ralResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;2GraduateUni versityofChineseAcademyofSci

ences,Beijing100049,China;3InstituteofRemoteSensingApplications,ChineseAcademyo fSciences,Bei

jing100101,China;4SchoolofEnvironmentandNaturalResources,RenminUniversityofChi na,Beijing100872).ChineseJournalofEcology,2006,25(5):591~595. PROSPECTmodelisawell knownleafopticalmodelbasedontheradiativetransferprocesseswithinaleaf,whichwasusedi nthispapertosimulatetheleafreflectancespectraofchlorophyll,water,anddrymattercon tentsandmesophyllstructureparameters,aimedtoinvestigatethefeasibilityandprecisionofhy perspectralvegetationindices(VIs)inchlorophyllprediction,andtheirresistantperformances againstleafwater,drymatter,andmesophyllstructure.Atotalof5widely usedVIsforpredictingchlorophyllcontent,i.e.Chloro

phyllAbsorptionRatioIndex(CARI),TriangularVegetationIndex(TVI),PhotochemicalRef lectanceIndex(PRI),Structured

IndependentPigmentIndex(SIPI),andAreaofBandNormalizationtotheCenterofAb sorptionFeature(ABNC),wereconsidered.ThesimulationresultsshowedthatalltheVIsexce

ptTVIweredecreasedwithincreasingchlorophyllcontent.Watercontenthadlittleinfluenceo nVIs,becausethemajorab

sorptionfeaturesofleafwaterwerelocatedat1300nmand1900nmwhichwerenotusedintheVI s.DrymattercontenthadsomeinfluenceonCARIandTVI,andmesophyllstructuregreatlyaffe ctedtheVIsexceptSIPI,becauseoftheinfluenceofmesophyllstructureontheleafreflectances pectraatbothvisibleandnearin

fraredregions.TheuseofsimulatedspectrainstudyingtheaffectingfactorsofchlorophyllVIsw asasuccessfultrial,whichshowedconsistentresultswithmeasuredriceleafspectra.Itwasconfi rmedthattheuseofmodel

simulatedspectrawastheoreticallybased,simple,andgenerallyapplicable.

Keywords

radiativetransfermodel,chlorophyll,hyperspectra,vegetationindex,inversion.1,2

1 引言

占地球陆地表面70%以上的植被是陆地生态

系统的基本组成部分,对全球物质和能量的交换与

循环产生决定性影响。遥感技术作为目前唯一的空

间对地观测和信息获取手段,以其独特的大空间覆

盖和多时相特征,在区域和全球生态学研究中得到

广泛应用。以森林为研究对象的林业遥感在森林的面积、蓄积量估测、树种分类、资源清查等方面都做出了积极贡献[3,4]。近20年来,遥感正从对地目标的定性描述向定量表达发展,一些生态系统参数已实现通过遥感方法实时获取[2]。随着高光谱技术的出现和成熟,利用传感器高达纳米级的光谱分辨*国家自然科学基金资助项目(40501057和40571130)。**通讯作者收稿日期:2005-06-05 接受日期:2005-12-02

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率,在分子水平对植被生化组分进行定量反演的研究也已在国内外展开[1,5,17]。叶绿素是植物叶片中的基本组成物质,叶绿体是光合过程发生的载体,对光合进程、太阳辐射的光能利用、大气CO2的吸收等具有密切关系。而且,叶绿素作为叶片中的重要含氮物质,对植物氮素营养的吸收和利用具有比较准确的指示作用。此外,由于叶绿素的吸收特征集中在可见光区,其含量多少直接影响叶片和冠层可见光区的反射光谱特征[10]。从生态模型角度上看,叶绿素作为重要的光合作用参与者,其含量常作为输入参数驱动生态模型,而该参数的实地获取,尤其是大范围原始森林地区叶绿素含量的获取困难较大,因此通过遥感手段反演叶绿素是一项具有科学意义的研究。

植被指数(VI)是将不同波段的光谱反射率(有时直接使用传感器上获得的灰度值),经线性或非线性组合,构成能够反映植物某种特征信息的指数。由于植被指数在构