遥感在植被监测方面的应用T

普朗克定律描述的黑体辐射在不同温度下的频谱：
植物的微波辐射特征能量较低，受大气干扰较小，
也可用黑体辐射定律来描述。植物的微波辐射能量（即微 波亮度温度）与植物及土壤的水分含量有关。而植物的雷 达后向散射强度（即主动微波辐射）与其介电常数和表面 粗糙度有关。它反映了植物水分含量和植物群体的几何结 构，同样传达了大量植物的信息。研究表明：JERS-1的 SJU（L波段）图像可以穿透植被，而得到植物生长环境 的信息；ERS-1的SAR（C波段）图像可以直接监测植被， 并含有土壤和地形信息（Genya.S，1996）；Palosm （1998）研究了多波段（L、C、P）、多极化的SAR数 据与农田观测的叶面积之间关系，指出可以用多波段雷达 数据估算作物叶面积指数（LAI）。可见，植物的发射特 征（热红外和微波）和微波散射特征信息是光学反射遥感 数据的补充，也是植物遥感的理论基础。
遥感植物估产的两种模式：
一、遥感统计模型
目前，基于统计的遥感估产有三种技术路线：一是遥感光谱 绿度值（植被指数）——生物量关系模式。在对作物、草原、森 林的估产中这是常用的思路，但是该方法得到的遥感估产等级图 只反映卫星摄影时的植物长势和生物量的空间分布状况：二是遥 感光谱绿度值-地物光谱绿度值-生物量关系模式，即先分析实测 地物光谱绿度值与生物量之间的关系，建立相应模型，再分析卫 星遥感植被指数与地物光谱绿度值的关系，建立卫星遥感植被指 数与与生物量之间的关系模型，最后利用光谱检测模型进行检测 与估产；三是遥感-地学综合模式。该方法将气温、降水等环境 因子引入模式，与遥感-生物量模型互相补充，克服各自存在的 缺陷，可进一步提高估产精度。建立的统计模型有线性、幂函数、 指数、对数等，回归的方法有一元回归、多元回归、逐步回归等， 得到的系数差别较大，并且应用也局限于建模的时间和地点，在 很多情况下地面资料的数量也影响模型的精度。
应曲线有一定的变化范围，但曲线形态变化是基本相似的，
这是因为影响其波谱特性的主导控制因素一致。从植物的
典型波谱曲线来看，影响植物光谱的因素包括植物叶子的 颜色，叶子的组织结构，叶子的含水量以及植物的覆盖度。
当植物的生长状况发生变化时，其波普 曲线的形态也会随之改变。如植物病虫害， 农作物因缺乏营养和水分而生长不良时，海 绵组织受到破坏，叶子的色素比例也发生变 化，使得可见光区的两个吸收谷不明显， 0.55um处的反射峰按植物叶子被损害的程 度而变低。近红外区的变化更为明显，峰值 被削低，甚至消失，整个反射光谱曲线的波 状特征变得不明显，如下图所示。因此比较 受损植物与健康植物的光谱曲线，可以确定 植物受伤害的程度。
对于复杂的植被遥 感，仅用个别波段或多 个单波段数据分析对比 来提取植被信息是相当 局限的。因而往往选用 多光谱遥感数据经分析 运算（加、减、乘、除 等线性或非线性组合方 式），产生某些对植被 长势、生物量等有一定 指示意义的数值——即 所谓的“植被指数”。 它用一种简单有效的形 式来实现对植物状态信 息的表达，以定性和定 量地评价植被覆盖、生 长活力及生物量等。
美国对世界小麦产量的估产精度已达90% 以上，并扩大到对玉米、大豆等八种以上 作物的估产。我国于1983—1986年在京津 冀进行跨省市的统一网络较大范围冬小麦 遥感估产试验，精度也超过90%。
遥感估产的优点是可以得到长时间尺度和 大空间尺度的生产资料，因而它仍是未来 生产力探测方法的发展方向。
遥感与作物模型结合，实现作物生长的动态 模拟和预报，是目前国内外关注的热点。通过遥 感与模型的结合，估算出实际产量，通过作物模 拟出潜在生产力，可分析出潜在生产力与实际产 量间的差距。在此基础上，通过寻找限制当前产 量的因素，可为提高产量提供政策建议和方法指 导。宇振荣登对建立遥感——作物模拟复合模型 的原理、方法进行了探讨，并在点上进行了校正。 利用NOAA卫星遥感估算地面植物冠层温度并计 算冠层与大气间温差，进而计算PS123模型所需 作物实际蒸腾和水分胁迫系数，建立遥感——作 物模拟复合模型PS-X，从而可以在多点、不同土 壤类型上，对区域作物产量及产量差进行估测和 分析。利用PS-X模型进行产量估测，在平原地区 精度可以达到90%以上。
高光谱遥感：高光谱遥感是高光谱分 辨率遥感（Hyperspectral Remote Sensing）的简称。它是在电磁波谱的可 见光，近红外，中红外和热红外波段范围 内，获取许多非常窄的光谱连续的影像数 据的技术（Lillesand & Kiefer 2000）。 其成像光谱仪可以收集到上百个非常窄的 光谱波段信息。
氮对提高叶面积指数、光合势、叶绿 素含量和生长率均有促进作用,而净同化率 随施氮增加而下降。施氮对大豆光合速率 无显著影响。随施氮增加叶面积指数提高 的正效应可以抵消净同化率下降的负效应, 从而最终获得一个较高的生长率。因此,高 产栽培首先应考虑获得适当大的叶面积指 数。
四 大面积农作物的遥感估产
几种植物的不同遥感影像
草本植物在高分辨率的遥感影像图片上表 现为大片均匀的色调，由于草本植物比较 矮小因而看不出阴影，区别于灌木和乔木。
灌木：遥感影像呈不均匀的细颗粒结构， 一般灌木植株高度不大，阴影不明显 。
乔木：体型高大，有明显阴影，根据落影 可以观察其侧面轮廓。结合纹理结构的粗 细，明确分别出针叶或阔叶，甚至种类。
遥感在植被监测方面的应用
植被解译的目的是为了在遥感影像 上有效地确定植被的分布、类型、 长势等信息，以及对植被的生物量 作出估算，因而，它可以为环境监 测、生物多样性保护、农业、林业 等有关部门提供信息服务。
遥感对植被的监测分析：
一 植物的光谱特征 二 不同植物类型的区分 三 植物生长状况的解译 四 大面积农作物的遥感估产 五 遥感植被解译的应用
叶面积指数（leaf area index）又叫叶面积系数， 是一块地上作物叶片的总面积与占地面积的比值。 即：叶面积指数=绿叶总面积/占地面积。
叶面积指数是反映作物群体大小的较好的动 态指标。在一定的范围内，作物的产量随叶面积 指数的增大而提高。当叶面积增加到一定的限度 后，田间郁闭，光照不足，光合效率减弱，产量 反而下降。苹果园的最大叶面积指数一般不超过5， 能维持在3~4较为理想。盛果期的红富士苹果园， 生长期亩枝量维持在10~12万条之间，叶面积指 数基本能达到较为适宜的指标。
3 根据植物植物生态条件区别植物类型
不同植物种类，有不同的生存条件，如温度、 水分、土壤、地貌条件等。
如地形上的阴坡和阳坡，不同高度的地形部位， 都分布着不同的植物类型。在我国北方那些，那 些要求温度变化幅度较小、湿度较大的林木多生 长在山地的阴坡，而对温度和湿度都要求较低的 草地多分布在山地的阳坡。 对于植物生长状况的解译，可依据健康的绿色植 物具有典型的光谱特征，而遭受病虫害的植物其 反射光谱曲线的波状特征被拉平的现象进行判断。
2 影响植物光谱的因素
影响植物光谱的因素有植物本身的结构特征， 也有外界的影响，但外界的影响总是通过植物本 身生长发育的特点在有机体的结构特征中反映出 来的。
由于植物品种、叶子生长部位及生长季节等 的不同，植被光谱曲线的峰和谷的形态、位置都 会产生很大的差异。高光谱成像仪对波段的精细 划分，能够记录这些光谱特征的差异，而常规遥 感由于波段数据的局限则不可能做到。
图1 绿色植物有效光谱响应特征
健康植物的的波谱曲线有明显的特点，在可见光的
0.55μm附近有一个反射率为10%～20%的小反射峰， 在0.45μm和0.65μm附近有两个明显的吸收谷，在 0.7～0.8μm是一个陡坡,反射率急剧增高,在近红外波段 0.8～1.3μm之间形成一个高的,反射率可达40%或更大 的反射峰,在1.45μm,1.95μm和2.6～2.7μm处有三个 吸收谷。健康绿色植被都具有基本的光谱特性，其光谱响
二 不同植物类型的区分
1 不同植物由于叶子的组织结构和所含色素不同， 具有不同的光谱特征。
如在近红外光区，草本植物的反射高于阔叶树，阔 叶树高于针叶树。禾本草科植物的叶片组织比较 均一，没有栅状组织和海绵组织的区别，细胞壁 多角质化并含有硅质，透光性较阔叶差。茂密的 草本植物在可见光区低于阔叶树，而在近红外区 可高于阔叶树。阔叶树叶片中的海绵组织使得它 在近红外区的反射明显高于没有海绵组织的针叶 树。在0.8~1.1um的近红外区影像上可以有效地 区分出针叶树、阔叶树和草本植物。
二、遥感综合模型
综合模型借助遥感信息和植被信息、气象因 子等来建立，其包含了更多的信息量，可以更加 精确地反映植被的生物物理参数。尽管这类方法 前景广阔，但受到模型中大量参数和变量获取的 限制（如呼吸、衰老、光合作用、碳分配、凋落 物的分解等），以及当物种的组成在时空上变化 较大时出现复杂的、异质性的、冠层的描述问题 的影响，部分模型只适用于当时的研究区域，如 何通过“尺度扩大”来改进模式中的区域限制， 更好地适用遥感信息的同化需要，也是亟需解决 的一个关键问题。
三 植物生长状况解译
1 作物的长势主要用植被指数来监测。 遥感图像上的植被信息，主要通过绿色植物
叶子和植被冠层的光谱特性及其差异、变化而反 映的，不同光谱通道所获得的植被信息可与植被 的不同要素或某种特征状态有各种不同的相关性， 如叶子光谱特性中，可见光谱段受叶子叶绿素含 量的控制、近红外谱段受叶内细胞结构的控制、 中红外谱段受叶细胞内水分含量的控制。
在植被指数中，通常选用 对绿色植物（叶绿素引起 的）强 吸收的可见光红波 段和对绿色植物（叶内组 织引起的）高反射的近红 外波段。这两个波段不仅 是植物光谱中的最典型的 波段，而且它们对同一生 物物理现象的光谱响应截 然相反，故它们的多种组 合对增强或揭示隐含信息 将是有利的。
另外，对植被长势监测的信息可包括：叶面 积指数、叶片氮含量和氮积累量等。
植物的发射特征主要表现在热红外和
微波谱段。植物在热红ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ谱段的发射特征， 遵循普朗克（Planck）黑体辐射定律，与 植物温度直接相关。植物是非黑体而是灰