遙感技術在植被研究中的應用.doc

淺析遙感技術在植被研究中的應用李永紅（寧夏大學資源環(huán)境學院 寧夏銀川 750021）摘要: 遙感是指應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標物的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術1。遙感技術作為21世紀空間信息技術的支柱之一，在植被研究中發(fā)揮著重要的作用。本文從遙感的基本內(nèi)涵出發(fā)，通過查閱相關的文獻、參考資料和對資料進行歸納總結,闡述了大面積農(nóng)作物估產(chǎn)的方法、常見的植被指數(shù)，介紹了遙感植被解譯應用，通過對遙感圖像的四個特征進行比較，得出在一般情況下，空間分辨率和輻射分辨率成反比的結論；并對高新技術遙感在植被研究中的應用過程和發(fā)展前景進行簡單概述。關鍵字:遙感,植被,微波,高光譜遙感（Remote Sensing）是20世紀60年代發(fā)展起來的對地觀測的綜合性技術，是指應用探測儀器，不與探測目標相接觸，從遠處把目標的電磁波特性記錄下來，通過分析，揭示出物體的特征性質(zhì)及其變化的綜合性探測技術。植被調(diào)查是遙感的重要應用領域。植被是環(huán)境的的重要組成因子，也是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的最好標志之一，同時也是土壤、水文等要素的解譯標志，個別還是找礦的指示植物。植被成像及解譯的研究成果可以為環(huán)境監(jiān)測、生物多樣性保護、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等有關部門提供信息服務。1 植被遙感1.1 植物的光譜特征 遙感技術的物理基礎是地物對電磁波的反射、吸收和發(fā)射特性2。遙感波段的輻射源不同，輻射與地物相互作用的機理就不同，因此所反映的地物信息也就不同。在可見光、近紅外波段，主要反射太陽光的輻射，遙感信息所反映的主要是地物的反射率。反射率的一個重要特點就是光譜特性，也即反射率隨波長的變化而變化。我們能夠利用遙感信息識別不同地物的一個根本原因就是因為各種地物間光譜特性具有一定的差異。植物的光譜特征可使其在遙感影像上有效地與其他地物相區(qū)別。圖1顯示了健康的綠色植物有效光譜響應特征。圖1 綠色植物有效光譜響應特征健康植物的的波譜曲線有明顯的特點，在可見光的0.55m附近有一個反射率為10%20%的小反射峰，在0.45m和0.65m附近有兩個明顯的吸收谷，在0.70.8m是一個陡坡,反射率急劇增高,在近紅外波段0.81.3m之間形成一個高的,反射率可達40%或更大的反射峰,在1.45m,1.95m和2.62.7m處有三個吸收谷1。健康綠色植被都具有基本的光譜特性，其光譜響應曲線有一定的變化范圍，但曲線形態(tài)變化是基本相似的，這是因為影響其波譜特性的主導控制因素一致。從植物的典型波譜曲線來看，影響植物光譜的因素包括植物葉子的顏色，葉子的組織結構，葉子的含水量以及植物的覆蓋度3。對于不同植物類型的區(qū)分，可依據(jù)(1)不同植物由于葉子的組織結構和所含色素不同，具有不同的光譜特征。如在近紅外光區(qū)，草本植物的反射高于闊葉樹，闊葉樹高于針葉樹。(2)利用植物的物候期差異來區(qū)分植物。如冬季落葉樹和常綠樹很好區(qū)別。(3)根據(jù)植物的生態(tài)條件區(qū)別植物類型。如地形上的陰坡和陽坡，不同高度的地形部位，都分布著不同的植物類型。對于植物生長狀況的解譯，可依據(jù)健康的綠色植物具有典型的光譜特征，而遭受病蟲害的植物其反射光譜曲線的波狀特征被拉平的現(xiàn)象進行判斷1。1.2 大面積農(nóng)作物的遙感估產(chǎn) 植被遙感在大面積的農(nóng)作物估產(chǎn)中的運用主要包括農(nóng)作物識別, 種植面積估算和建立農(nóng)作物估產(chǎn)模式三方面1。(1)農(nóng)作物識別，獲得植被分布圖:根據(jù)作物的色調(diào)、圖形結構等差異大的物候期的遙感時相和特定的地理位置等的特征，將其與其他植被分開。(2)種植面積估算：利用高時相分辨率的衛(wèi)星影象對作物生長的全過程進行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測作物長勢水平的有效方法是利用衛(wèi)星多光譜通道影像的反射值得到植被指數(shù)（VI , Vegetation Index）。 植被指數(shù)是估計植物光合作用、葉子凋落、固氮等過程的重要參量,是植物生長模型中的一個非常關鍵的變量,可用來模擬植物的生長過程,估算植物的生產(chǎn)能力11。對于經(jīng)濟型植物的估產(chǎn)有利于前期準備工作的進行，減少或避免不必要的后期投入。植被研究中非常重要的參數(shù)有比值植被指數(shù)（RVI），又稱為綠度，為二通道反射率之比，是較早發(fā)展的用于估算和監(jiān)測植被覆蓋的植被指數(shù)，能較好地反映植被覆蓋度和生長狀況的差異，特別適用于植被生長旺盛、具有高覆蓋度的植被監(jiān)測，但RVI對大氣影響敏感，而且當植被覆蓋不夠濃密時（小于50%），它的分辨能力也很弱，只有在植被覆蓋濃密的情況下效果最好。歸一化植被指數(shù)（NDVI : Normalized Differece Vegetation Index）為兩個通道反射率之差除以它們的和，在植被處于中、低覆蓋度時，該指數(shù)隨覆蓋度的增加而迅速增大，當達到一定覆蓋度后增長緩慢，所以適用于植被早、中期生長階段的動態(tài)監(jiān)測。植被指數(shù)已被廣泛用來定性和定量表征植被覆蓋度及其生長狀況，但由于大氣變化的影響, 使植被指數(shù)未能真實反映地表植被的真實分布狀況,造成其應用的局限性, 一種解決此問題的簡易方法是僅通過中巴資源衛(wèi)星(CBERS: China Brazil Environment Resource Satellite) 圖像的第3、第4 波段中的水體, 推算衛(wèi)星接收到的大氣程輻射, 消除了大氣對歸一化植被指數(shù)(NDVI) 的影響, 減小植被指數(shù)所受的大氣影響,應用結果表明,該方法能使植被指數(shù)較好地反映植被的生長及分布狀況4。建立農(nóng)作物估產(chǎn)模式是大面積農(nóng)作物的遙感估產(chǎn)的第三個方面，是指用選定的植物灌漿期植被指數(shù)與某一作物的單產(chǎn)進行回歸分析，得到回歸方程。1.2 遙感植被解譯的應用 遙感植被解譯在城市綠化調(diào)查與生態(tài)壞境評價，草場資源調(diào)查，林業(yè)資源調(diào)查方面有著重要應用。例如：我國在內(nèi)蒙古草場遙感綜合調(diào)查、天山北坡草場調(diào)查、湖北西南山區(qū)草場調(diào)查、西藏北部草場調(diào)查中，在應用遙感技術確定草場類型，進行草場質(zhì)量評價的基礎上，內(nèi)蒙古草場資源遙感結合地面樣點光譜測量數(shù)據(jù)，指出比值植被指數(shù)RVI=NIR/R 與產(chǎn)草量W有良好的關系： W = -86.9 + 162.65RVI (相關系數(shù)r = 0.966)根據(jù)這一方程計算出全自治區(qū)草場的總產(chǎn)草量。這對確定草場載畜量，對草場的可持續(xù)利用有實際意義。 遙感植被解譯是遙感圖像解譯的一方面，遙感圖像具有4個特征：空間分辨率，波譜分辨率，輻射分辨率和時間分辨率。一般而言，遙感器系統(tǒng)的空間分辨率越高，其識別物體的能力越強，輻射分辨率越高，則對地物的識別與區(qū)分能力越強。但空間分辨率與輻射分辨率之間存在矛盾，一般IFOV越大，最小可分像素越大，空間分辨率越低；但是IF0V越大，即瞬時獲得的入射能量越大，輻射測量越敏感，對微弱能量差異的檢測能力越強，則輻射分辨率越高。簡言之，空間分辨率的增大，將伴之以輻射分辨率的降低。對于波譜分辨率，不同波譜分辨率的傳感器對同一地物的探測效果有很大區(qū)別，間隔愈小，分辨率愈高，但波段并非簡單的越多越好，而要區(qū)別對待。波段分得越細，越容易增加數(shù)據(jù)的冗余度，反而達不到識別效果。2 高新遙感技術在植被研究中的應用2.1 微波遙感(microwave remote sensing)2.1.1微波遙感介紹 在電磁波譜中,波長在1mm1m的波段范圍稱微波。微波遙感是通過微波傳感器獲取從目標地物發(fā)射或反射的微波輻射，經(jīng)過判讀處理來識別地物的技術1。微波遙感分有主動和被動兩大類，雷達屬于前者，它是通過向目標地物發(fā)射微波并接收其后向散射信號來實現(xiàn)對地觀測遙感的方式。由于微波具有穿云透霧的能力（根據(jù)瑞利散射原理），不依賴于太陽作為輻射源，能全天候、全天時工作，而且比光波能更深的穿透植被，因而在植被研究中有特殊作用。2.1.2微波遙感在植被研究中的應用由于被動微波數(shù)據(jù)的空間分辨率多為幾十千米，無法滿足植被的分類和提取研究要求，但能對植被的面積和發(fā)射的能量進行反應。要能識別植被的類型必須具有較高分辨率。利用遙感進行植被識別，還需要選擇植被生長期的特定時間段獲取遙感數(shù)據(jù)，雷達可以穿透云層全天時全天候的工作，為植被識別研究提供了有保障的數(shù)據(jù)供應1。1969 年,美國堪薩斯大學的Haralick等對K波段的雷達圖像進行研究,表明植被類型影響信號強度,并且與光學圖像相比較,在作物區(qū)分中表現(xiàn)良好5。光學數(shù)據(jù)能反應植被的光譜信息，但不具有分類的高精度優(yōu)勢。微波波段的測量值主要取決于研究對象的幾何特性和介電特性，利用多波段多極化的雷達數(shù)據(jù)及雷達和光學數(shù)據(jù)相結合能改進植被分類精度。Ferrazzoli等對多波段多極化雷達分類進行了實驗,結果表明,單波段單極化的SAR 數(shù)據(jù)識別農(nóng)作物是有局限性的,利用多波段多極化的雷達數(shù)據(jù),可以獲取高達90 %的精確度5。微波遙感對某些地物具有特殊的波譜特性，因此可利用這一點來判斷植被的生長環(huán)境，能較容易地分辨出可見光和紅外遙感所不能區(qū)別的某些目標物特性。在微波波段中，水的比輻射率為0.4，而冰的比輻射率為0.99，在常溫下兩者的亮度溫度 相差100K，很容易區(qū)別，而在紅外波段，水的比輻射率為0.96，冰的比輻射率為0.92，兩者相差甚微，不易區(qū)別?？衫眠@一特性，在嚴寒的冬季，對經(jīng)濟型怕寒植被做防寒準備，防止天氣寒冷影響到植被的生長，而影響到經(jīng)濟效應。由于微波是指波長11 000 mm 的電磁波，其波長較長，衍射現(xiàn)象顯著，因此微波傳感器的分辨率一般都比較低，要提高分辨率必須加大天線尺寸1。其次，觀測精度和取樣速度往往不能協(xié)調(diào)，要保證精度就需要有較長的積分時間，取樣速度就要降低，通常是以犧牲精度來提高取樣速度的1。此外，地球表面的地物溫度大多在200300 K，峰值波長在1015的范圍，都落在紅外波段，因此紅外波段的輻射量要比微波大幾個數(shù)量級。然而，由于微波的特殊物理性質(zhì)，使紅外測量精度遠不及微波，也要差幾個數(shù)量級。因此，總的來說，紅外和微波遙感各有優(yōu)缺點1。2.2高光譜遙感（Hyperspectral Remote Sensing）2.2.1高光譜遙感介紹 高光譜遙感與一般遙感主要區(qū)別在于：高光譜遙感的波段多，且波段很窄，僅小于10nm,能獲取觀測地物完整的連續(xù)光譜曲線，其光譜分辨率高，空間分辨率較高，光譜可覆蓋從可見光到熱紅外的的全部電磁輻射覆蓋范圍。2.2.2高光譜遙感應用于植被研究中的依據(jù) 植被具有獨特的光譜特征。健康的綠色植物光譜曲線(見圖1)由于葉綠素的吸收作用，在0.45m（藍）和0.67m（紅）波段為低谷；由于葉子內(nèi)部的液態(tài)水分的強烈的吸收作用，在1.4m，1.9m和2.7m處有三個明顯的低谷，在近紅外區(qū)（0.7m1.3m）有很寬的高反射率區(qū)，此外在1.6m和2.2m處也有兩個反射峰，但是，由于植物品種，葉子生長部位，生長季節(jié)等區(qū)別，植被光譜曲線的峰和谷的形態(tài)，位置都會產(chǎn)生很大的差異1。高光譜成像光譜儀對波段的精細劃分，能夠記錄這些光譜特征的差異，而一般的遙感波段數(shù)據(jù)是不可能做到的。2.2.3高光譜遙感在植被研究中的應用 高光譜遙感的波段多，且波段很窄，能獲取觀測地物完整的連續(xù)光譜曲線，能分辨不同物體光譜特征的微小差異。成像光譜儀在可見光至紅外波段范圍內(nèi)，被分割成幾百個窄波段，具有很高的光譜分辨率，有利于識別更多的目標。高光譜遙感在傳統(tǒng)遙感的時間和空間分辨率上增加了光譜分辨率,可以準確探測并獲取植物的精細光譜信息(特別是植被各種生化組分的光譜信息)來反演氮素營養(yǎng)和其他生化組分含量,進一步發(fā)展和完善植被遙感監(jiān)測技術,大大提高了監(jiān)測精度6。經(jīng)濟型植被的培育需要判斷植被氮營養(yǎng)狀況，高光譜遙感在提高對植被精確實時施肥方面具有重要意義。目前，對氮素進行田間直接無損測試結合精確定量的智能化模式有慢慢取代傳統(tǒng)的實驗室定性或半定性的手工測試的趨勢。高分辨率多光譜近地測量技術是基于當植被作物氮素發(fā)生變化時,其光譜反射特性發(fā)生改變的基礎上,獲取子像元(最終光譜單元信息),在光譜維上進行空間信息展開,定量分析地球表層生物物理化學過程和參數(shù)7-8。通過高光譜遙感植被指數(shù)技術可以提取植被冠層結構定量信息9。蒲瑞良等用小型機載成像光譜儀(CASI)測得的航空高光譜分辨率數(shù)據(jù)(光譜范圍約417800 nm)估計森林族葉化學成分濃度,最后用導數(shù)光譜的多項式逐步回歸方程進行分析10。尋找氮素的敏感波段及其反射率在不同氮素水平下的表現(xiàn)一直是科學家的研究對象，研究發(fā)現(xiàn)許多植物在缺氮時無論是葉片還是植物冠層水平的可見光波段反射率都有增加,對氮含量變化最敏感的波段在530560 nm區(qū)域,因此可根據(jù)這一結論9，繪制波譜曲線，及時發(fā)現(xiàn)氮素含量是否異常。高光譜遙感在植被研究中的意義還體現(xiàn)在，它的應用使得植被遙感的范圍被擴大到生態(tài)意義上11。高光譜植被遙感主要用于植被的識別、分類，如Treitz 等利用高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)在大比例尺度內(nèi)進行森林生態(tài)系統(tǒng)分類,通過植被物理、化學參數(shù)實現(xiàn)對植物生化成分(如N、P、K、淀粉、水分、纖維素、木質(zhì)素等含量) 及其物理特征物理量的估測等12。植物的“紅邊”效應是其應用的一個重要方面。如：位置在0.680.75m之間的光譜曲線，找到其一階微分的最大值，該值對應的波長稱為“紅邊”。當植物葉綠素含量高，生長活力旺盛時，“紅邊”向長波方向移動；當植物被病蟲害感染或受到污染時，“紅邊”將向短波方向移動。當植物覆蓋度增大時“紅邊”的斜率會變陡。3 植被遙感研究的分析方法植被遙感研究的分析方法，除了應用于地質(zhì)分析中的一些方法外,主要有以下幾種技術1：（1）多元統(tǒng)計分析技術，是用原始的光譜反射率或經(jīng)過數(shù)學變換后的數(shù)據(jù)作為自變量，以葉面積指數(shù)、生物量、葉綠素含量等作為因變量，建立多元回歸預測模型來估計或預測生物物理和生物化學參數(shù)。（2）基于光譜波長位置變量的分析技術，是根據(jù)波長或其他參數(shù)的變化量為自變量，求得與因變量的關系來估計因變量。如上一節(jié)提到的“紅邊”效應就是該分析技術的體現(xiàn)。（3）光學模型方法，是基于光學輻射傳輸理論的模型。（4）參數(shù)成圖技術，是根據(jù)所選擇的預測模型，通過高光譜影像對每個象元計算單參數(shù)預測值，并將其分類后成圖。4 遙感技術在植被研究中的應用展望遙感技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展,無論在遙感平臺、遙感傳感器、還是遙感信息處理、遙感應用等方面,都獲得了飛速的發(fā)展,目前遙感正進入一個以微波遙感技術、高光譜遙感技術為主的時代。作為對地觀測高新技術發(fā)展起來的高光譜遙感,已經(jīng)成為3S技術的重要組成部分，同時也是精準農(nóng)業(yè)的重要技術手段之一。為實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)作為大農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，高光譜遙感的發(fā)展趨勢就是遙感信息定量化和“定性”、“定位”一體化快速遙感技術。但要指出的是對高光譜遙感數(shù)據(jù)的分析方法限制了其在某些方面的應用,所以高光譜遙感信息的提取及解譯還需要進一步提高,為應用領域的擴展提供理論基礎。今后微波遙感研究將集中在對多參數(shù)微波數(shù)據(jù)的應用研究，對包括農(nóng)作物在內(nèi)的植被參數(shù)的定量化提取模型研究以及業(yè)務化農(nóng)作物監(jiān)測和估產(chǎn)系統(tǒng)的建立。中國是幅員遼闊，資源豐富的大國，利用遙感手段及時掌握復雜多變的自然資源和生態(tài)環(huán)境信息，對于進行正確的資源利用決策和有效的植被綠化規(guī)劃與管理，尤有重要意義。我國應該加快研究步伐，積極探索遙感新技術，使遙感技術在建設祖國的進程中發(fā)揮更大的積極作用。 參考文獻：1 梅安新,彭望琭,秦其明，等. 遙感導論M. 北京:高等教育出版社, 2001.2 劉峰,張繼賢,靳奉祥，等.地物波譜研究現(xiàn)狀及方法