安德帥, 徐丹丹,2,*, 劉月, 朱建琴

高光譜與擬合多光譜植被指數(shù)反演武夷山亞高山草甸L(zhǎng)AI的對(duì)比研究

安德帥1, 徐丹丹1,2,*, 劉月3, 朱建琴4

1. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院, 南京 210037 2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3. 南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 南京 210037 4. 武夷山國(guó)家公園科研監(jiān)測(cè)中心, 武夷山市 354300

植被葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)是重要的生態(tài)學(xué)參數(shù), 被廣泛用于指示植被密度、生物量、碳、氮物質(zhì)循環(huán)以及氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響, 也作為生態(tài)過(guò)程模型的重要輸入?yún)?shù)。地面實(shí)測(cè)高光譜遙感數(shù)據(jù)能以更高的空間分辨率及更高的光譜分辨率監(jiān)測(cè)植物的光譜特征, 為精準(zhǔn)反演LAI提供了基礎(chǔ)。本項(xiàng)研究以武夷山國(guó)家公園黃崗山頂?shù)膩喐呱讲莸闉檠芯繉?duì)象, 通過(guò)建立多種高光譜植被指數(shù)和擬合多光譜植被指數(shù)反演葉面積指數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型, 并比較高光譜與多光譜對(duì)葉面積指數(shù)反演的效果, 闡明用于反演高覆蓋率亞高山草甸的最適高光譜和擬合多光譜植被指數(shù)。結(jié)果表明: 高光譜新植被指數(shù)(NVI)對(duì)于反演LAI有最好的效果,2= 0.85,< 0.01; 依據(jù)高光譜NVI擬合而成的多光譜NVI反演結(jié)果次之,2= 0.82,< 0.01。幾種常用比值植被指數(shù)NDVI、MSR、RVI和GNDVI在高光譜和擬合多光譜反演結(jié)果中相差不大, 表現(xiàn)較好,2都在0.65以上。通過(guò)對(duì)比高光譜和擬合Sentinel-2A和Landsat-8兩種多光譜衛(wèi)星波段的反演結(jié)果發(fā)現(xiàn), 光譜響應(yīng)函數(shù)中具有更窄波段范圍的近紅外、紅、綠、藍(lán)波段構(gòu)成的植被指數(shù)可以得到更好的反演結(jié)果, 而固定波段的高光譜植被指數(shù)未必在每種植被指數(shù)中都具有最好的反演效果。同時(shí), 發(fā)現(xiàn)當(dāng)某種植被指數(shù)反演LAI的線性回歸方程的斜率越大, 說(shuō)明這種植被指數(shù)越有可能隨LAI的增大而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象, 相反的, 斜率越小則說(shuō)明該種植被指數(shù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。此外, 在研究區(qū)內(nèi)使用高光譜和擬合多光譜波段植被指數(shù)法反演LAI, NDVI都獲得了較好的效果, 存在很好的線性關(guān)系, 之前的很多研究和判斷都認(rèn)為NDVI不適用于反演高覆蓋植被的LAI, 這個(gè)發(fā)現(xiàn)是具有意義的, 表明高覆蓋植被的葉面積指數(shù)在一定范圍內(nèi)是能夠被NDVI(應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù))較好的反演, 進(jìn)一步擴(kuò)展了NDVI反演LAI的適用性和可能性。

高光譜; 模擬多光譜; 遙感反演; 葉面積指數(shù)(LAI); 歸一化植被指數(shù)(NDVI); 武夷山國(guó)家公園

0 前言

植被葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)被定義為單位地表面積上綠葉面積總和的一半[1]。LAI是與植被密度、生物量、碳氮等營(yíng)養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的重要生態(tài)學(xué)參數(shù), 也是生態(tài)過(guò)程模型的重要生物物理參數(shù)。同時(shí),對(duì)于植物季節(jié)性變化、物候和植被對(duì)氣候變化響應(yīng)來(lái)說(shuō), LAI也是重要的指示指標(biāo)[2-4]。

葉面積指數(shù)的測(cè)量方法可分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法需剪下植被的葉片進(jìn)行測(cè)算, 測(cè)得的葉面積指數(shù)較準(zhǔn)確且符合葉面積指數(shù)的定義, 但相較于間接測(cè)量法往往對(duì)植被具有一定的破壞性、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)植被的連續(xù)性觀測(cè), 存在著對(duì)追蹤植物的季節(jié)性變化差等缺陷。間接測(cè)量法又可分為光學(xué)儀器測(cè)量法和遙感反演法, 常用的測(cè)量LAI的光學(xué)儀器包括如LAI-2200植物冠層分析儀和LAI-2000植物冠層分析儀等; 遙感反演LAI包括基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?植被指數(shù))的反演方法和基于物理模型的反演方法, 其中基于植被指數(shù)反演法與物理模型反演法相比, 因?yàn)榉囱萦?jì)算是基于經(jīng)驗(yàn)的回歸模型, 所以植被類型的變化對(duì)結(jié)果的影響較大, 因而在包含大量不同植被類型的大區(qū)域內(nèi)不具有很好的適應(yīng)性; 但因其較為方便和靈活, 不用收集和輸入大量的生物物理參數(shù), 對(duì)于小區(qū)域內(nèi)LAI的反演仍較常用。許多研究者[5-6]利用Landsat系列影像和其他多光譜衛(wèi)星遙感影像使用植被指數(shù)經(jīng)驗(yàn)回歸模型的方法對(duì)不同地域的LAI進(jìn)行反演, 結(jié)果都得出了各自研究區(qū)的最適植被指數(shù)。

在植被指數(shù)的發(fā)展過(guò)程中, 被人們廣泛利用的一類是比值植被指數(shù), 如比值植被指數(shù)(RVI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、優(yōu)化的比值植被指數(shù)(MSR)等, 其中NDVI是應(yīng)用最為廣泛的一種植被指數(shù), 但因?yàn)槠渥陨砉降木窒藓图t光波段吸收飽和的影響, NDVI會(huì)隨著植被葉面積指數(shù)的增大而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象, 其他比值植被指數(shù)也都存在著一定的飽和效應(yīng)。利用不同植被指數(shù)的多光譜遙感影像反演LAI的研究已有很多[7-8], 但在植被覆蓋度高的情況下是否導(dǎo)致植被指數(shù)出現(xiàn)飽和效應(yīng)一直存在著爭(zhēng)議。多光譜遙感影像易受云覆蓋等天氣因素的影響, 導(dǎo)致影像無(wú)法使用。如今常用的大區(qū)域LAI反演還是依靠于多光譜遙感影像, 多光譜衛(wèi)星影像反演LAI與高光譜反演LAI哪種效果更好, 相關(guān)研究還較少。使用地面實(shí)測(cè)高光譜模擬多光譜的方法被應(yīng)用在土壤重金屬含量的反演[9]、土壤電導(dǎo)率估算[10]和冬小麥覆蓋度估算中[11], 但應(yīng)用于反演天然草地植被LAI的研究很少。高光譜技術(shù)的發(fā)展, 使得高光譜數(shù)據(jù)具有更高的光譜分辨率和空間分辨率[12], 能夠精細(xì)快速的獲取綠色植物的光譜特征且地面實(shí)測(cè)高光譜數(shù)據(jù)與LAI也更加貼合, 利用高光譜植被指數(shù)反演LAI已得到廣泛的使用[13-15]。但大部分關(guān)于高光譜遙感反演LAI的研究都集中在小麥、水稻等農(nóng)作物方面, 對(duì)于高光譜反演草地LAI的研究報(bào)道較少, 對(duì)亞高山草甸的研究則更少。草地是一個(gè)非常重要的生態(tài)系統(tǒng), 在氣候變化和人類活動(dòng)方面有著重大的意義, 更好的研究和了解草地在當(dāng)今全球氣候多變的背景下顯得尤為重要。

亞高山草甸對(duì)于氣候變化有著較強(qiáng)的敏感性, 在間接反映全球氣候變化方面有著較好的指示作用。本文以武夷山國(guó)家公園黃崗山頂?shù)膩喐呱讲莸闉檠芯繉?duì)象, 對(duì)同種植被指數(shù)分別建立基于高光譜和模擬多光譜植被指數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型, 旨在分析高光譜和多光譜植被指數(shù)在反演草地LAI方面的差異, 分析寬窄波段組合對(duì)反演草地LAI的影響, 找到適用于亞高山草地LAI反演的最佳植被指數(shù), 提高反演精度; 探究傳統(tǒng)比值植被指數(shù)如NDVI(以往的研究中應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù))、RVI等在反演高覆蓋草地LAI的潛能。以期為本研究區(qū)和其他類似亞高山草甸地區(qū)更加方便準(zhǔn)確的反演草地LAI提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武夷山國(guó)家公園位于中國(guó)東南部, 福建省西北部, 擁有著現(xiàn)今世界上面積最大保存最完整的亞熱帶森林, 植被垂直帶譜明顯, 海拔由高到低依次為亞高山草甸、亞高山苔蘚-矮林帶、針葉林帶、針闊葉混交林帶和亞熱帶常綠闊葉林帶。境內(nèi)以黃崗山為主峰, 海拔2158 m, 為中國(guó)東南地區(qū)第一高峰, 號(hào)稱“華東屋脊”, 年平均降雨量為2820 mm, 年平均氣溫9 ℃, 全年最高溫和最低溫分別出現(xiàn)在7月份和1月份, 黃崗山頂?shù)耐寥李愋椭饕陨百|(zhì)黏壤土為主, 地勢(shì)相對(duì)平緩(圖1), 主要生長(zhǎng)植被為亞高山草甸, 零散分布著灌木矮林, 草甸中的主要草本植物物種為日本麥?zhǔn)喜?)、野青茅()和芒()。

1.2 外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)

野外實(shí)驗(yàn)于2019年7月29日—2019年8月5日進(jìn)行(黃崗山頂亞高山草甸的盛草期), 采用空間隨機(jī)采點(diǎn)(spatial random sampling)的方法并結(jié)合黃崗山亞高山草甸的分布情況, 隨機(jī)選取九個(gè)樣地(圖1), 每個(gè)樣地由互相垂直的兩條100 m直線組成, 每條直線上相隔十米(除樣地中心點(diǎn)外)設(shè)置一個(gè)50 cm′50 cm的樣方, 一共確定20個(gè)樣方(圖2)。每個(gè)樣方點(diǎn)分別測(cè)定LAI(美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的LAI-2200植物冠層分析儀), 草地高光譜(美國(guó)ASD公司生產(chǎn)的FieldSpec HandHeld 2手持光譜儀, 波長(zhǎng)范圍:325—1075 nm), 土壤溫濕度(美國(guó)Stevens公司生產(chǎn)的POGO II), GPS坐標(biāo)(Trimble Geo X7 厘米級(jí))和草地覆蓋度及株高。最終建立的統(tǒng)計(jì)模型是基于每個(gè)樣地20個(gè)樣方葉面積指數(shù)的平均值和每個(gè)樣地20個(gè)樣方高光譜植被指數(shù)的平均值。

圖1 武夷山國(guó)家公園黃崗山亞高山草甸野外實(shí)驗(yàn)樣地(2015年11月26日Sentinel-2A影像)

Figure 1 Sample sites in subalpine meadow of Huanggangshan in Wuyishan National Park

除野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)外, 本文還利用地面所測(cè)高光譜數(shù)據(jù)分別通過(guò)Sentinel-2A和Landsat-8遙感衛(wèi)星的MSI和OLI傳感器光譜響應(yīng)函數(shù), 模擬兩種衛(wèi)星的多光譜波段。網(wǎng)站(https://nwp-saf.eumetsat.int/site/ software/rttov/download/coefficients/spectral-response-functions/)提供了不同傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)。

1.3 基于植被指數(shù)的葉面積指數(shù)反演

本文選用14種常見的比值高光譜植被指數(shù)和7種比值多光譜植被指數(shù)，如表1所示，其中多光譜新植被指數(shù)(NVI)是依據(jù)R.K.Gupta等人[16]在2001年提出的高光譜NVI公式在本文中提出的, 使用R軟件, 建立高光譜植被指數(shù)和LAI之間的線性回歸關(guān)系, 通過(guò)線性模型的2,值和回歸公式中的截距斜率并結(jié)合生態(tài)遙感的理論, 比較分析高光譜和多光譜植被指數(shù)反演LAI的能力。

圖2 每個(gè)樣地的樣方設(shè)計(jì)

Figure 2 Quadrat design in each sample site

1.4 擬合多光譜波段植被指數(shù)的計(jì)算

本次野外實(shí)驗(yàn)期間, 研究區(qū)內(nèi)的Sentinel-2和Landsat-8多光譜衛(wèi)星影像因?yàn)樵频挠绊懚鵁o(wú)法獲取, 利用地面實(shí)測(cè)的高光譜數(shù)據(jù)和光譜響應(yīng)函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星多光譜波段的模擬, 分析高光譜和多光譜遙感數(shù)據(jù)反演LAI的表現(xiàn)。

不同遙感衛(wèi)星傳感器在不同的波段, 具有不同的光譜響應(yīng)能力, 傳感器在每個(gè)波段處接受的輻射能量與入射輻射能量之比就是該傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)[29], 可以根據(jù)傳感器各自的光譜響應(yīng)函數(shù)在具有地面高光譜數(shù)據(jù)的情況下, 擬合為多光譜數(shù)據(jù), 表2為Sentinel-2A MSI與Landsat-8 OLI傳感器參數(shù)。

式中:S是待擬合波段的光譜反射率,(l)是地面實(shí)測(cè)高光譜各波長(zhǎng)處的反射率,f(l)是待擬合波段的光譜響應(yīng)函數(shù),max和min是地面實(shí)測(cè)高光譜各波段取值范圍的上下界限。

2 結(jié)果與分析

2.1 地面觀測(cè)樣地的基本特征

表3是測(cè)試所得各樣地的野外數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)描述, 包括每個(gè)樣地LAI的范圍, 最大值和最小值, 以及它們的標(biāo)準(zhǔn)差, 草地覆蓋度和高度, 土壤濕度和溫度。統(tǒng)計(jì)結(jié)果為G9樣地LAI平均值最大, G3樣地LAI平均值最小; G7樣地LAI范圍最大, G9樣地LAI范圍最小; 標(biāo)準(zhǔn)差最大為G7的0.66, 標(biāo)準(zhǔn)差最小為G9的0.46, 其余樣地的標(biāo)準(zhǔn)差都在0.50—0.58之間; 樣地的平均草地覆蓋度在69.70 %—87.50 %之間, 平均株高在38.85 cm—68.10 cm之間, 土壤濕度介于37.27 %—52.50 %; 土壤溫度范圍在21.72—31.22 ℃之間。由表3可以看出, 研究區(qū)各樣地之間的平均LAI差值較小, 平均LAI最大值為3.38, 平均LAI最小值為2.83, 結(jié)合株高和草地覆蓋度說(shuō)明本研究區(qū)的草地總體長(zhǎng)勢(shì)較好, 覆蓋度較高, 生長(zhǎng)較為均勻。

表1 常用高光譜和多光譜比值植被指數(shù)計(jì)算公式

注:800是光譜波長(zhǎng)在800 nm處的反射率, 類推670則是光譜波長(zhǎng)在670 nm處的反射率; NIR指近紅外波段的反射率, Red或R指紅光波段的反射率, G和B分別代表綠光波段和藍(lán)光波段反射率。NVI多光譜公式中的NIRn1是指Sentinel-2A中的B7(768—798 nm)Vegetation Red Edge波段反射率, RE2是指Sentinel-2A中的B6(730—750 nm)Vegetation Red Edge波段反射率。

表2 Sentinel-2A MSI與Landsat-8 OLI傳感器參數(shù)

注: Sentinel-2A的近紅外波段包括近紅外寬(B8)和近紅外窄(B8a)兩種。

表3 各樣地生物物理參數(shù)的描述統(tǒng)計(jì)

2.2 高光譜植被指數(shù)與擬合多光譜植被指數(shù)反演LAI的線性回歸結(jié)果

如表4所示，所有高光譜植被指數(shù)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(<0.05), 以決定系數(shù)2作為評(píng)價(jià)指示判斷高光譜植被指數(shù)對(duì)LAI反演效果的好壞程度, 結(jié)果顯示所有14種高光譜植被指數(shù)中反演效果最好的是NVI,2達(dá)0.85, 反演效果僅次于NVI的是NDVI, 然后是NDSI, MSR, RVI等, 反演結(jié)果較差的為RDVI, mNDVI705, RI1dB和mSR705, 它們的2都在0.60之下。通過(guò)對(duì)比表4中高光譜反演LAI與擬合的兩種衛(wèi)星多光譜波段反演LAI結(jié)果可以看出, 反演LAI效果最好的植被指數(shù)是NVI, 高光譜NVI反演結(jié)果2= 0.85, Sentinel-2A擬合多光譜NVI反演結(jié)果2= 0.82; 對(duì)于NDVI的反演效果較好的是高光譜和Sentinel-2A擬合的多光譜數(shù)據(jù),2= 0.79, Landsat-8效果相對(duì)較差,2= 0.78; 對(duì)于MSR和RVI兩種植被指數(shù)而言, 表現(xiàn)最好的是Landsat-8和Sentinel-2A(NIR=B8a)擬合多光譜2= 0.80, 其中Sentinel-2A(NIR=B8a)擬合多光譜反演的效果要好于Sentinel-2A(NIR=B8), 而且擬合多光譜反演效果要好于高光譜的反演效果; 對(duì)GNDVI, 高光譜反演效果要好于擬合的多光譜,2= 0.68, 其次是Landsat-8擬合多光譜2= 0.66, 最差的為Sentinel- 2A擬合多光譜反演的效果; 基于EVI的反演中Sentinel-2A擬合多光譜反演最好,2= 0.64, 然后是高光譜2= 0.60, 最差的是Sentinel-2A; RDVI的反演中Sentinel-2A擬合多光譜反演效果最好(2= 0.70), 然后是Sentinel-2A(NIR=B8a)和Sentinel-2A (NIR=B8)的0.68和0.66, 效果最差的為高光譜，2= 0.59。對(duì)于NDVI, MSR, RVI這三種植被指數(shù)而言無(wú)論是高光譜還是擬合多光譜反演效果相近,2都在0.78左右。

地面高光譜擬合Sentinel-2A多光譜波段和Landsat-8多光譜波段構(gòu)建的植被指數(shù)反演LAI結(jié)果顯示, 參與反演的七種多光譜植被指數(shù)中無(wú)論是Sentinel-2A擬合多光譜植被指數(shù)反演得到的LAI還是Landsat-8擬合多光譜植被指數(shù)反演得到的LAI, 盡管因?yàn)椴煌l(wèi)星各自的光譜響應(yīng)函數(shù)不同造成植被指數(shù)在反演效果上稍有差距, 但它們?cè)诜囱葳厔?shì)上卻是相同的, 即除本文中新使用的多光譜新植被指數(shù)(NVI)外, 其他植被指數(shù)中反演效果最好的依次為RVI, MSR, NDVI, GNDVI, EVI和RDVI。

14種植被指數(shù)與地面LAI的線性回歸公式(表5)顯示, NVI, MSR, RVI, mSR705公式中的斜率較低, 都小于1, 其中RVI斜率最低為0.07, 而NDVI, NDSI, GNDVI, RDVI等植被指數(shù)斜率較高, 尤其NDVI和NDSI, 分別為10.3和60.4。

3 討論

本文中使用的14種常見高光譜植被指數(shù), 部分是在反演小麥等農(nóng)作物葉面積指數(shù)過(guò)程中總結(jié)得到的, 草地與農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)存在很大不同, 農(nóng)作物一般生長(zhǎng)的較為均勻整齊而草地情況較為復(fù)雜, 大多數(shù)野外環(huán)境下長(zhǎng)勢(shì)不均, 存在空間異質(zhì)性, 進(jìn)而影響到測(cè)試樣點(diǎn)的LAI值, 梁亮等[13]和束美艷等[21]測(cè)定小麥LAI時(shí)選擇一塊具有代表性、小麥長(zhǎng)勢(shì)均勻的區(qū)域?qū)⑷~片剪下, 利用比葉重法測(cè)算小麥LAI, 而草地并不適合這種方法, 因?yàn)殚L(zhǎng)勢(shì)均勻的草地占少數(shù)不能代表研究區(qū)的總體情況, 所以本實(shí)驗(yàn)測(cè)定LAI時(shí)考慮到這種空間異質(zhì)性的影響, 在每個(gè)樣方的周圍均勻的測(cè)試六次以減少空間異質(zhì)性所帶來(lái)的影響。

表4 高光譜與擬合多光譜植被指數(shù)反演LAI結(jié)果比較

表5 高光譜和擬合多光譜植被指數(shù)與LAI線性回歸方程

根據(jù)結(jié)果部分中六種相同高光譜和擬合多光譜植被指數(shù)的比較發(fā)現(xiàn), 對(duì)NDVI的反演結(jié)果來(lái)說(shuō)Sentinel-2A擬合的結(jié)果要好于Landsat-8, 結(jié)合NDVI公式和它們的傳感器參數(shù), 發(fā)現(xiàn)Sentinel-2A在紅光波段更窄; 在MSR和RVI反演效果中, Landsat-8和Sentinel-2A(NIR=B8a)的結(jié)果要好于Sentinel-2A(NIR=B8)的結(jié)果, 同樣結(jié)合公式和波段范圍分析發(fā)現(xiàn)Sentinel-2A的近紅波段B8波段比B8a和Landsat-8的近紅外波段B5更寬; 對(duì)EVI來(lái)說(shuō), 公式中有藍(lán)波段的參與, Landsat-8的藍(lán)波段B2比Sentinel-2A的藍(lán)波段更窄, 最終Landsat-8的反演效果要好于Sentinel-2A。由此可見, 在基于植被指數(shù)的LAI計(jì)算中, 窄波段得出的植被指數(shù)反演LAI效果要優(yōu)于寬波段。同時(shí), 分析表4發(fā)現(xiàn), 盡管高光譜有更高的光譜分辨率, 但在某些植被指數(shù)的反演中未必能夠保持穩(wěn)定的結(jié)果, 有些研究者會(huì)組合不同的高光譜波段試圖找到最佳的波段組合, 而多光譜由于依據(jù)光譜響應(yīng)函數(shù)均衡了更多波段的權(quán)重, 穩(wěn)定性較好, 但卻可能因?yàn)閷挷ǘ蔚木壒什荒塬@得最好的反演結(jié)果。劉玉琴等[30]以內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市克斯克騰旗貢格爾草原為研究對(duì)象, 分別使用Hyperion影像和HJ-1B CCD1影像作為高光譜和多光譜數(shù)據(jù), 對(duì)窄波段和寬波段植被指數(shù)反演LAI進(jìn)行了對(duì)比研究, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)窄波段植被指數(shù)比寬波段植被指數(shù)反演效果更好, 這與本研究的結(jié)果相一致。黃崗山頂夏季氣候濕潤(rùn), 水汽含量大, 本次結(jié)果得出的反演效果最好的植被指數(shù)NVI的設(shè)計(jì)初衷就是為了排除近紅外波段處水蒸氣吸收帶的干擾, 在本實(shí)驗(yàn)中得到了很好的驗(yàn)證, NVI排除了水汽的影響并且表現(xiàn)要好于NDVI。

NDVI作為應(yīng)用最廣泛的一種植被指數(shù)在本實(shí)驗(yàn)中依舊表現(xiàn)不錯(cuò), 是僅次于NVI的一種植被指數(shù)。李子揚(yáng)等[14], 吳朝陽(yáng)和牛錚[31]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示了當(dāng)LAI大于2后, NDVI基本達(dá)到飽和狀態(tài)。本項(xiàng)研究以他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為參考, 繪制出圖3a, 目的是直觀地表現(xiàn)NDVI隨LAI變化的關(guān)系。正是由于NDVI與LAI之間存在這種飽和關(guān)系, 造成之前的研究認(rèn)為NDVI不能夠很好的反演LAI, 但在本研究區(qū)九個(gè)樣地平均LAI在2.83—3.38的情況下卻有較好的反演效果。之所以出現(xiàn)這種與之前研究相矛盾的現(xiàn)象, 可能是由于本研究區(qū)亞高山草甸幾乎不受人類干擾, 生長(zhǎng)較均勻, 使得本次實(shí)驗(yàn)的草地葉面積指數(shù)相對(duì)集中, 而LAI在這段區(qū)間內(nèi)恰好與高光譜NDVI線性關(guān)系較好, 沒有因?yàn)镹DVI與LAI存在飽和關(guān)系而影響到它們之間的線性關(guān)系。由此可以推斷出, 如圖3b 所示, 在兩條虛線之間（即LAI為2.83—3.38這個(gè)范圍內(nèi)）是存在一段線性關(guān)系的, 而不存在LAI大于2之后, NDVI不再適用于LAI的反演。這個(gè)結(jié)果打破了NDVI在出現(xiàn)飽和后反演LAI效果不佳的刻板印象, 進(jìn)一步擴(kuò)大了NDVI的適用性。趙娟等[32]在冬小麥生長(zhǎng)后期, 葉面積指數(shù)為1.50—4.00的情況下, 利用NDVI反演LAI得到的2= 0.71, 也有較好的反演效果, 結(jié)合本文的結(jié)果更加說(shuō)明了LAI在較中等的范圍區(qū)間內(nèi), 存在著較好的線性回歸關(guān)系。

圖3 之前研究認(rèn)為的LAI與NDVI的關(guān)系(a)和本文中得出的LAI與NDVI的關(guān)系(b)

Figure 3 Relation between LAI and NDVI (a) considered by previous studies and relation between LAI and NDVI (b) obtained in this paper

本研究區(qū)亞高山草甸L(zhǎng)AI的總體變化范圍有限, 九個(gè)樣地平均葉面積指數(shù)只在2.83—3.38的這個(gè)小區(qū)間內(nèi), 利用高光譜NDVI反演LAI也只能被限制在這個(gè)小區(qū)間內(nèi), 所以能夠確定的高光譜NDVI反演LAI存在較好線性關(guān)系的也只有本實(shí)驗(yàn)的這一小段, 至于LAI大于2且不在2.83—3.38這個(gè)區(qū)間內(nèi), NDVI是否和LAI依然有著較高的相關(guān)性, 有待在具有更大LAI范圍的草地得到進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn), 從而使NDVI在反演類似亞高山草甸或者某一個(gè)小區(qū)間LAI時(shí)可以得到充分利用。

圖4是使用了與圖3a相同的模擬數(shù)據(jù), 區(qū)別是把圖3a的自變量變?yōu)閳D4的因變量, 把因變量變?yōu)閳D4的自變量, 圖4的目的是使我們能夠更直觀的看出相較于LAI小于2, 當(dāng)LAI大于2(開始出現(xiàn)飽和現(xiàn)象)后NDVI反演LAI的斜率會(huì)明顯變大, 反推則說(shuō)明當(dāng)一種植被指數(shù)的斜率較高時(shí), 可能是因?yàn)檫@種植被指數(shù)存在的自身飽和性所導(dǎo)致。NDVI與LAI的線性關(guān)系, 斜率為10.34(表5), 明顯高于大多數(shù)植被指數(shù)與LAI線性回歸的斜率, NDVI符合這個(gè)結(jié)論, 對(duì)于斜率更高的兩種植被指數(shù)NDSI和PSND可能也同樣存在自身飽和性, 所以當(dāng)使用NDSI和PSND兩種植被指數(shù)時(shí)應(yīng)考慮它們隨LAI增大的飽和性影響。NVI、MSR和RVI的斜率較低, 分別為0.61, 0.56, 0.07(表5), 說(shuō)明這三種植被指數(shù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象, 而且MSR被提出時(shí)本就是為減少NDVI存在的飽和性問(wèn)題, 本結(jié)果也表明MSR在減少飽和方面存在有效性。

圖4 NDVI反演LAI關(guān)系曲線

Figure 4 NDVI inversion LAI relationship curve

4 結(jié)論

本文利用高光譜植被指數(shù)的方法對(duì)黃崗山頂亞高山草甸葉面積指數(shù)進(jìn)行反演, 取得了不錯(cuò)的反演效果, 找出五種與LAI線性回歸較好的高光譜植被指數(shù), 得到反演本研究區(qū)亞高山草甸L(zhǎng)AI的最佳植被指數(shù)—— 新植被指數(shù)(NVI)。同時(shí), 根據(jù)高光譜NVI所使用波段擬合的Sentinel-2A衛(wèi)星的多光譜波段植被指數(shù), 在反演中同樣獲得最好的效果, 從而為草地LAI反演提供了一種新的多光譜植被指數(shù)NVI。

在草地覆蓋度平均為70 %—80 %, 平均株高在38.85—68.10 cm之間(表3)、幾乎未受人為破壞的亞高山草甸地區(qū), 比值型植被指數(shù)NDVI、RVI、MSR等依然受飽和影響較小, 相關(guān)系數(shù)2均在0.8左右。

根據(jù)對(duì)比兩種不同衛(wèi)星光譜響應(yīng)函數(shù)模擬的多光譜植被指數(shù)反演LAI結(jié)果可以看出, 更窄波段范圍擬合而成的近紅外、紅、綠和藍(lán)波段所組成的植被指數(shù)比較寬波段擬合的近紅外、紅、綠和藍(lán)波段所組成的植被指數(shù)反演效果更好。

NDVI反演LAI取得了一個(gè)不錯(cuò)的效果,2= 0.79(表4), 并且NDVI與LAI之間存在很好的線性關(guān)系, 證明當(dāng)NDVI達(dá)到飽和后, 依然能夠作為一種適用的植被指數(shù)來(lái)反演草地LAI。同時(shí), 發(fā)現(xiàn)當(dāng)某種植被指數(shù)反演LAI的線性回歸方程的斜率越大時(shí), 這種植被指數(shù)越有可能隨LAI的增大而出現(xiàn)飽和現(xiàn)象, 相反的, 斜率越小則說(shuō)明該種植被指數(shù)沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

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A comparison of the LAI retrieval for subalpine meadows in Wuyishan by hyperspectral and simulated multispectral vegetation index

AN Deshuai1, XU Dandan1,2,*, LIU Yue3, ZHU Jianqin4

1. College of Biology and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 2. Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 3. College of Forestry, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China 4. Research and Monitoring Center, Wuyishan National Park, Wuyishan 354300, China

The Leaf Area Index (LAI) is an important ecological parameter and is widely used as an indicator for vegetation density, biomass, carbon and nitrogen cycle, and response of ecosystems to climate change. It is also a key biophysical parameter for ecological process models. Field measured hyper-spectra has the potential to monitor plant spectral features with higher spatial resolution, which supports accurate inversion of LAI. Therefore, we establish a variety of hyperspectral vegetation index and simulated multispectral vegetation index inversion statistical models in subalpine meadows in Wuyishan National Park, and then compare the hyperspectral and multispectral leaf area index. Our results clarify the optimal hyperspectral and simulated multispectral vegetation index for LAI estimation in subalpine meadows with high vegetation coverage. The results show that Hyperspectral New Vegetation Index (NVI) has the best effect on LAI inversion,2= 0.85,< 0.01; the results of simulated multispectral NVI inversion based on hyperspectral NVI fitting are the second,2= 0.82,< 0.01. Several commonly used ratio vegetation indices, NDVI, MSR, RVI and GNDVI, have little difference in the results of hyperspectral and simulated multispectral inversion, and perform well, with2all above 0.65. By comparing the inversion results of hyperspectral and fitting Sentinel-2A and Landsat-8 two multispectral satellite bands, it is found that the vegetation index composed of the near-infrared, red, green, and blue bands with a narrower band in the spectral response function have better inversion results, and the fixed-band hyperspectral vegetation index may not have the best inversion effect in every vegetation index. At the same time, it was found that when the slope of the linear regression equation for the inversion of LAI by a vegetation index is larger, it indicates that the vegetation index is more likely to saturate with the increase of LAI. On the contrary, the smaller the slope, the more the vegetation index is not saturation occurs. In the literature, most studies indicate that NDVI is not suitable for LAI inversion for high vegetation covered ecosystems. However, our results show that using the hyperspectral and fitting multi-spectral band vegetation index methods to retrieve LAI and NDVI have achieved good results. Our results also indicate that NDVI has the potential to estimate LAI in high vegetation covered grassland within a certain range, which would further extend the applicability and possibility of NDVI in LAI inversion.

hyperspectral remote sensing; simulated multi-spectra; remote sensing inversion; leaf area index; NDVI; Wuyishan National Park

安德帥, 徐丹丹, 劉月, 等. 高光譜與擬合多光譜植被指數(shù)反演武夷山亞高山草甸L(zhǎng)AI的對(duì)比研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(5): 187–196.

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10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.023

S157.2

A

1008-8873(2022)05-187-10

2020-09-07;

2020-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(41901361); 福建省林業(yè)廳資助項(xiàng)目(閩林科便函[(2018)26號(hào)]); 江蘇省“六大人才高峰”創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(TD-XYDXX-006)

安德帥(1995—), 男, 山東德州人, 碩士, 主要從事草地遙感等研究, E-mail: deshuaian@njfu.edu.cn

徐丹丹, 女, 博士, 副教授, 主要從事生態(tài)遙感等研究, E-mail: dandan.xu@njfu.edu.cn