王毅　朱姝　徐菲

【摘 要】葉面積指數(shù)是表征植被冠層結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)，準(zhǔn)確地反演某一地區(qū)的葉面積指數(shù)對評價該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重要的意義。因此，文章重點對比了不同植被指數(shù)與不同統(tǒng)計模型在葉面積指數(shù)反演精度上的差異，并篩選出最優(yōu)的反演模型，有助于為進一步的研究工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】葉面積指數(shù)；植被指數(shù)；統(tǒng)計模型

一、葉面積指數(shù)概念簡述

葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是指陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，該參數(shù)可以直觀地反映出植被的冠層結(jié)構(gòu)信息、生長狀況、以及光合作用能力等，因此在氣候、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文等領(lǐng)域的研究中有著重要的意義，同時也是表征一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，有效提高地區(qū)葉面積指數(shù)的反演精度具有重要的意義。

二、反演方法簡述

目前，葉面積指數(shù)的遙感反演方法可大致分為兩種：經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ê臀锢砟Ｐ头?。物理模型法物理意義明確，基于輻射傳輸與幾何光學(xué)理論，對大氣、植被冠層以及地表對電磁波的作用進行詳細闡釋與模擬，通過輸入植被的生化參數(shù)、大氣參數(shù)、土壤背景等一系列參數(shù)，從而實現(xiàn)對葉面積指數(shù)的反演工作。因此，物理模型法的實現(xiàn)過程能夠較好的依據(jù)事物的客觀本質(zhì)，但由于輸入?yún)?shù)較多，且部分參數(shù)難以獲取，因此目前對于面積較小地區(qū)的葉面積指數(shù)反演，較為常用的方法依然是以經(jīng)驗?zāi)Ｐ头橹?。?jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄊ悄壳皩π〉貐^(qū)葉面積指數(shù)反演的主要方法，該方法的實現(xiàn)主要依靠建立葉面積指數(shù)與植被指數(shù)（vegetation index）之間的統(tǒng)計模型，將野外實測的葉面積指數(shù)以及遙感影像不同波段之間運算得到的植被指數(shù)分別帶入統(tǒng)計模型中，最后計算得到回歸方程的各項系數(shù)，從而實現(xiàn)地區(qū)葉面積指數(shù)的反演。

三、實驗方法與結(jié)果

經(jīng)驗?zāi)Ｐ头m然輸入?yún)?shù)較少、易于實現(xiàn)、可操作性強，但反演精度易受時間、空間、回歸方程類型、以及模型輸入因子等因素改變的影響，因此文章將不同植被指數(shù)引入不同回歸方程中計算得到回歸方程以及決定系數(shù)，通過對比不同的結(jié)果并以此來討論如何提高模型的反演精度。

選取較為常見的歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）、修正土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）三種植被指數(shù)作為模型因子，三種植被指數(shù)的計算公式如表一所示。

式中，和分別代表影像的紅色和近紅外波段的反射率。再選取線性、二次多項式、指數(shù)、對數(shù)這四種常見的回歸方程分別建立葉面積指數(shù)與三種植被指數(shù)之間的統(tǒng)計模型，并比較其精度，計算結(jié)果如表二所示。

四、結(jié)論與分析

文章選取了三種植被指數(shù)與四種回歸方程建立葉面積指數(shù)與植被指數(shù)之間的統(tǒng)計模型，從實驗結(jié)果表二中可以很直觀地看出，在不同植被指數(shù)之間的比較方面，歸一化植被指數(shù)（NDVI）在使用同一種回歸方程建模的條件下，其模型的反演精度要高于其他兩種植被指數(shù)，原因在于計算歸一化植被指數(shù)時不同波段之間的非線性運算能夠很好地描述植被的反射光譜在紅光波段到近紅外波段之間的顯著變化趨勢；在不同回歸方程的比較方面，非線性回歸模型對方程的擬合精度在整體上要高于線性回歸模型，原因在于葉面積指數(shù)與植被指數(shù)之間的關(guān)系并非簡單的線性關(guān)系，雖然整體上有一定的相同變化趨勢，但還受如大氣條件、土壤背景等多方面因素的影像，因此在擬合度最優(yōu)的原則上，非線性模型更具優(yōu)勢，其中以二項式回歸方程的擬合精度最高，其次是指數(shù)回歸方程，然后是對數(shù)回歸方程，線性回歸方程的整體擬合精度相比于其他方法最低。在文章嘗試的所有方法中，反演精度最高的是以歸一化植被指數(shù)為輸入?yún)?shù)的二項式回歸模型，決定系數(shù)R2=0.634，相比于其他方法能夠有效的提高研究區(qū)葉面積指數(shù)反演的精度，對評價當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)、林業(yè)等生態(tài)環(huán)境相關(guān)情況具有一定的參考意義。

參考文獻

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作者簡介：王毅（1989.11- ），男，四川達州人，成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院碩士研究生。