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        櫟樹氮碳含量反演葉片與冠層尺度差異分析

        2017-02-16 02:24:28寇培穎
        地理空間信息 2017年1期
        關(guān)鍵詞:冠層反射率波段

        寇培穎,高 帥,黃 妮

        (1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100000)

        櫟樹氮碳含量反演葉片與冠層尺度差異分析

        寇培穎1,高 帥1,黃 妮1

        (1.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,北京 100000)

        在葉片和冠層兩個(gè)尺度上,分析了櫟樹葉片氮碳兩種生化組分含量與其反射率特性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系;采用逐步回歸法,分別利用地面光譜和航空高光譜曲線對(duì)葉片和冠層尺度進(jìn)行了反演,選擇進(jìn)入回歸方程的波段分別為719 nm、1 854 nm/1 861 nm、359 nm和767.9 nm/1 319.0 nm。研究表明,葉片尺度由于受到干擾較小,反演結(jié)果明顯優(yōu)于冠層尺度;冠層尺度的反演受大氣水汽、冠層結(jié)構(gòu)、植被下墊面等諸多因素影響較大,因此在進(jìn)行冠層尺度生化組分反演時(shí),必須充分考慮上述因素的影響。

        櫟樹;氮含量;碳含量;葉片尺度;冠層尺度

        氮碳含量是植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指標(biāo),能為病蟲害監(jiān)測(cè)等提供指導(dǎo)信息。葉片中氮元素的含量對(duì)生產(chǎn)力估計(jì)和氮肥施量有著重要的指導(dǎo)意義;植物碳氮比可以體現(xiàn)植物的營(yíng)養(yǎng)利用效率,是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。傳統(tǒng)的采樣化驗(yàn)方法雖然可以較準(zhǔn)確地提取其生化組分,但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因此如何利用遙感技術(shù)快速提取植被生化組分含量受到廣泛關(guān)注。

        20世紀(jì)80年代,隨著成像光譜技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,遙感進(jìn)入高光譜遙感的新階段。每個(gè)像元可獲得成百上千個(gè)連續(xù)或不連續(xù)的非常窄的波段,從而得到一條完整的光譜曲線,其豐富的光譜信息為定量反演地表植被生化參數(shù)提供了可能,植被遙感已從識(shí)別分類逐步發(fā)展到生化組分含量提取的水平[2-3]。葉片的反射波譜特性主要由葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生化組分的散射、吸收特征所控制。氮碳含量的變化會(huì)引起植被光譜特性的變化,這是通過(guò)光譜手段獲取植物生化參量信息的理論基礎(chǔ),從而使利用高光譜遙感手段提取葉片氮碳含量成為可能[4-5]。通過(guò)遙感技術(shù)可估算生化組分,進(jìn)而研究植被質(zhì)量以及區(qū)域甚至全球尺度的養(yǎng)分循環(huán)或生物地球化學(xué)循環(huán),因此遙感數(shù)據(jù)已成為獲取冠層特性時(shí)空變化詳細(xì)信息的唯一低成本來(lái)源[4]。

        早期對(duì)葉片氮含量與葉片反射光譜的研究表明,550~675nm 波段內(nèi)的葉片反射率與葉片氮含量具有非常高的相關(guān)性。Thomas J R[5]等認(rèn)為甜椒葉片對(duì)氮含量影響最大的波段在550 nm和670 nm;王人潮[6]等認(rèn)為缺氮使水稻葉片在680 nm處的光譜吸收減少,而冠層對(duì)氮含量變化最敏感的波段在530~560 nm。蔣桂英[7]等得出棉花葉片氮含量敏感波段為630~690 nm和760~900 nm。袁金國(guó)[8]在提取綠色植被的氮含量時(shí)選擇波段854.18 nm。陳貽釗[9]測(cè)定橡膠樹在730 nm處反射率與氮含量相關(guān)性最好。

        通過(guò)高光譜遙感直接進(jìn)行植被尤其是森林生化組分的反演也受到技術(shù)條件的限制,主要表現(xiàn)在葉片和冠層反演有較大的尺度差異。為分析和比較葉片與冠層尺度櫟樹氮碳含量高光譜反演的差異,本文以北美櫟樹為例,進(jìn)行了兩種尺度的反演研究。

        1 原理及方法

        目前,提取植被生化組分的方法主要有基于統(tǒng)計(jì)手段的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)方法和物理模型反演方法兩種;前者簡(jiǎn)單易懂,操作性強(qiáng),后者以物理原理為依據(jù),準(zhǔn)確性高、可移植性強(qiáng)。Haboudane等提出將二者結(jié)合的一種范式,即先用物理模型擬合有較為廣泛代表性的數(shù)據(jù),再?gòu)倪@些模擬數(shù)據(jù)中提煉反演目標(biāo)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[10]。本文從基于統(tǒng)計(jì)手段的經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)方法入手,提取櫟樹葉片中氮碳含量,具體步驟為(圖1):

        圖1 技術(shù)路線流程圖

        1)將兩個(gè)尺度上的氮碳生化組分含量數(shù)據(jù)與相應(yīng)的光譜反射率數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,根據(jù)相關(guān)系數(shù)曲線圖分析各自敏感波段。

        2)本文選用逐步回歸模型來(lái)提取氮碳含量,該方法在保證回歸方程有效性的同時(shí),減小了計(jì)算量,簡(jiǎn)化了回歸方程[11];選用復(fù)相關(guān)系數(shù)R2、RMSE作為評(píng)價(jià)反演效果指標(biāo)。

        3)在冠層尺度上,利用回歸方程計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)的生化組分含量,并對(duì)其進(jìn)行密度分割,將其含量直觀地顯示在影像上。

        2 數(shù)據(jù)獲取

        本文所用的高光譜數(shù)據(jù)和生化組分含量數(shù)據(jù),均來(lái)源于美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)站網(wǎng)站(National Ecological Observatory Network)。研究對(duì)象是2013年6月位于加利福尼亞州以N37.112°、W119.736°為中心地區(qū)測(cè)量的櫟屬藍(lán)橡樹和一些本地橡樹的高光譜數(shù)據(jù);主要獲取橡樹的葉片光譜、高光譜影像和生化組分?jǐn)?shù)據(jù)。航空遙感測(cè)量使用的是NEON機(jī)載天文平臺(tái)儀器裝備AOP- 1,包括一個(gè)高分辨率NEON成像光譜儀(NIS)、一個(gè)小型波形記錄激光雷達(dá)和一個(gè)高分辨率數(shù)碼相機(jī)。

        葉片反射光譜由使用便攜式地物光譜儀ASD測(cè)量黑色背景下的葉片正面反射率獲得。葉片光譜反射率數(shù)據(jù)共2 150個(gè)波段,波長(zhǎng)范圍350~2 500 nm,間隔為1 nm。冠層高光譜影像共426個(gè)波段,波長(zhǎng)范圍382.3~2 511.2 nm。

        3 結(jié)果分析

        3.1 特征波段的提取

        在光譜反演模型建立過(guò)程中,本質(zhì)問(wèn)題是對(duì)敏感波段的選取。圖2為葉片尺度和冠層尺度的氮碳含量與波長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)曲線圖(由于冠層光譜1 344~1 419 nm和1 749~1 930 nm受噪聲影響嚴(yán)重,故將其掩膜掉)。

        整體上來(lái)看,冠層尺度上的波長(zhǎng)與生化組分的相關(guān)性低于葉片尺度,且均在1 300~1 500 nm波段范圍內(nèi)開始呈現(xiàn)分歧,可能是受大氣水汽吸收影響[8]。由圖2a可見(jiàn),葉片尺度的波長(zhǎng)與氮含量的相關(guān)系數(shù)在550 nm和700 nm附近以及二者之間呈現(xiàn)高相關(guān)性;在近紅外波段,氮含量與光譜反射率都呈現(xiàn)較大的相關(guān)性;氮含量與葉綠素含量關(guān)系密切,這可能是造成氮元素對(duì)綠峰(559 nm)、紅谷(678 nm)以及“紅邊”區(qū)域波段(719 nm/780 nm)敏感的原因。冠層尺度氮含量的波長(zhǎng)與相關(guān)系數(shù)與葉片尺度的有很大不同。相較于葉片尺度,在冠層尺度上氮元素敏感波段在“紅邊”區(qū)域范圍內(nèi)出現(xiàn)向短波方向移動(dòng)的現(xiàn)象(719 nm/780 nm→702.9 nm/ 767.9 nm),可能是由于冠層結(jié)構(gòu)的影響[12]。

        圖2 相關(guān)系數(shù)曲線圖

        前人研究表明,在400~2 500 nm波段內(nèi)所有植被反射特性是相似的。在400~700 nm可見(jiàn)光波段內(nèi),植物的光譜特性主要受葉綠素特性影響,呈現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收特性;而紅外波段部分呈現(xiàn)高反射則是由葉片細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙折射率不同導(dǎo)致多重反射所引起的[13]。

        由圖2b可見(jiàn),葉片碳含量的相關(guān)性圖中除了700 nm左右有兩個(gè)波峰為正相關(guān)外,其他波段處大部分與碳含量呈負(fù)相關(guān)。葉片中的碳元素主要存在于淀粉、纖維素、木質(zhì)素中,這些物質(zhì)的光譜吸收特征也會(huì)影響碳元素的光譜特征。冠層碳含量的波長(zhǎng)與相關(guān)系數(shù)同樣與葉片尺度反差較大,同時(shí)與氮含量形成對(duì)此。在可見(jiàn)光波段,500 nm處有相關(guān)性明顯的小峰;在紅外波段,700 nm之后相關(guān)性陡降,在700~1 400 nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)高負(fù)相關(guān)性。

        由各葉片生化組分的相關(guān)性曲線得到對(duì)應(yīng)敏感波段,除去易受大氣水汽吸收影響的1 400~1 500 nm和1 900~2 000 nm波段,主要選擇相關(guān)系數(shù)較高的波峰以及陡變處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),如表1所示。

        表1 各實(shí)驗(yàn)備選波段/nm

        3.2 回歸模型的建立

        利用逐步回歸模型建立回歸方程時(shí),波段選擇為半人工式,算法可在備選波段中自動(dòng)選取對(duì)方程貢獻(xiàn)大的因子。備選的波段采用所有峰值處對(duì)應(yīng)的波段,在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中,程序會(huì)自動(dòng)篩選出對(duì)方程貢獻(xiàn)大的波段,結(jié)果如表2所示。

        表2 多元逐步回歸分析結(jié)果

        由前人的研究結(jié)果來(lái)看,氮含量的敏感波段是較固定的,但表2中大多數(shù)入選波段并非最敏感波段,造成這種現(xiàn)象的原因有很多,如實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較少、逐步回歸的局限性、生化組分間的相關(guān)性、測(cè)量?jī)x器本身的噪聲等[11]。另外,同一生化組分不同尺度下的特征波段相差很大,冠層水平只有在稍低的置信水平下,才有波段入選。這是因?yàn)楣趯庸庾V除被植被的營(yíng)養(yǎng)狀況影響外,還有很多影響因素,如植被下墊面引起的混合像元因素、葉面積指數(shù)、太陽(yáng)高度角和觀測(cè)方位等。一般地,葉面積指數(shù)達(dá)到3時(shí),冠層在可見(jiàn)光和中紅外波段的光譜反射率基本穩(wěn)定,而要在近紅外波段穩(wěn)定,則需達(dá)到5~6[14]。

        3.3 生化組分含量分布圖

        圖3、4分別為氮含量和碳含量的分布圖,黑色部分表示分類之后的地面,灰色部分表示櫟樹冠層。分布圖中各采樣點(diǎn)上的氮碳含量越高,其灰度值越高,色調(diào)越亮;氮碳含量越低,其灰度值越低,色調(diào)越暗。

        圖3 氮含量分布圖

        圖4 碳含量分布圖

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本研究利用櫟樹葉片和冠層兩個(gè)尺度的高光譜數(shù)據(jù),著重分析了相關(guān)生化組分含量的敏感波段,并構(gòu)建了逐步回歸反演模型。通過(guò)相關(guān)性分析,本文研究了櫟樹葉片與冠層尺度的敏感波段。結(jié)果表明, 559 nm/ 678 nm/719 nm/780 nm/1 392 nm/1 541 nm/1 854 nm處的葉片反射率和572.6 nm/702.9 nm/767.9 nm/1 309.0 nm處的冠層反射率對(duì)氮含量較敏感;359 nm/559 nm/677 nm/ 717 nm/1 393 nm/1 540 nm/1 860 nm處的葉片反射率和552.6 nm/692.8 nm/727.9 nm/1 319.0 nm處的冠層反射率對(duì)碳含量較敏感;結(jié)果與前人研究結(jié)果較為相符。相比于葉片尺度,冠層尺度由于數(shù)據(jù)中增加了地理位置信息,最終可以得更加宏觀和直觀的含量分布圖。

        利用高光譜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)大尺度植被化學(xué)特性是當(dāng)今遙感領(lǐng)域一個(gè)重要的議題。然而植被冠層尺度與葉片尺度情況不同:在葉片尺度上,葉片反射率與其生化組分含量相關(guān)性良好,所受干擾因素較少,但在冠層尺度上,除了決定植物冠層光譜反射的因素——植物的營(yíng)養(yǎng)狀況,另一個(gè)影響冠層光譜的主要因素是冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)(葉面積指數(shù)、冠層消光系數(shù)和葉傾角分布),此外,冠層光譜反射率還受大氣、植被下墊面、太陽(yáng)高度角、觀測(cè)角度和方位等因素的影響[9,14-15]。為提高冠層反射光譜反演植被生化組分的準(zhǔn)確率,許多研究者不斷提出和發(fā)展新的光譜指數(shù),以減輕背景噪聲的影響[16]。

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        P237

        B

        1672-4623(2017)01-0040-03

        10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.012

        寇培穎,碩士研究生,研究方向?yàn)槎窟b感。

        2015-10-26。

        項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013CB733405)。

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