基于植被指数的四川理塘县草地生物量反演

TM 大气辐射校正
9 6S计算类型 两种计算类型：正演和反演。 正演即输入地表反射率和大气参数，估算传感器理论上 接收到的反射率值，为仿真； 反演即输入传感器接收到的实际大气顶层表观反射率值 和大气参数，反演地表反射率，即大气校正。 最终的校正结果以表格形式给出一系列吸收气体的下行、 上行吸收和气溶胶散射、瑞利散射的下行、上行散射。 除地表反射率值之外，还包括Xa，Xb，Xc三个校正系数： y=Xa*L-Xb acr=y/(1.+Xc*y) 其中L为传感器测量到的辐亮度，acr为大气校正后的反 射率值。 在精度要求较低，或是大气条件和下垫面变化不大的 情况下，即可利用上式对整个区域进行大气校正。
ESUN 为太阳常数，单位：W/(m2· sr· μm） θs为太阳天顶角，注意是太阳高度角的余角；
TM
D 为日地距离，可查询天文历；
亦可取1，误差<5% ； L 为入瞳处辐亮度。
6S辐射传输模型输入参数 几何条件 大气模式
气溶胶模式
气溶胶浓度 地物海拔高程 传感器高程 光谱条件 地表反射率 6S辐射传输模型
样方分布
样方数据 共调研39个样方的生物量与覆盖度，如表1所示。 草地生物量(鲜草重)集中在180～250g/m2范围。 植被覆盖度主要在45一55%范围内，草地生物量与覆盖度总体情 况偏低，这是由于调查时间为9月份，属牧草生长的中晚期。
表1 调查样方地上生物量表
3
影像数据及处理
影像数据
采用该区域2005年9月10日TM影像资料(Landsat5)，晴天， 云量小于5%，轨道号为132/039，空间分辨30mx30m。 获取的TM资料在4，3，2波段组合下，植被信息显示良好。
总体技术路线
2
生物量野外采样
样方设置原则
选择样方尽可能的代表整个区域的植被生长状况，在考虑 交通的便利性的同时，样方尽可能设在不同的地貌类型上， 以充分反映不同地势、地形条件下植被生长状况。 采用路线调查法和GPS地理定位。 样方分布于具有典型代表性的草地类型或草地利用变化的 地段
采样方法
用GPS(精度为5米)定位样地，保证实测样地地理位置的准 确性。 野外采样时间为2007年9月9日—9月12日，与TM数据摄影 时间(9月10日)保持同步。 实地调查了39个样地，每个样地为l00mx100m。根据TM影 像像元为30mx30m的特点，在每个样地中选择典型的1个样 (1mxlm)，采用收获法，以鲜草重作为样方的草地生物量数 据。
TM 大气辐射校正
TM 大气辐射校正
5 地物海拔高程 由于6S考虑到地物高程对大气散射的影响，因此需要输入 地物的高程信息来修正大气廓线中已经设定好的参数信息来 提高精度。 如：武汉地区的海拔高程一般在30m左右。
6 传感器高程 6S的应用范围已经被扩展到航空遥感影像，因此可以根 据航飞的高度输入传感器高程。 也可以设定为地面传感器和标准的星载传感器。 传感器高程设为-1000，表示星载传感器。
TM 大气辐射校正
几何校正
植被指数选取
根据TM数据特性与区域实际情况，选择了7种植被指数，对这7 种植被指数的来源与特点介绍如下:
植被指数计算
TM影像植被指数的提取是在ENVI4.3与Arcinfo9.l三个软件平台下 进行的，提取总流程为: a) 在ENVI4.3软件中分别提取NDVI、RVI、DVI、SAVI、MASVI、PVI 和GVI7种植被指数，结果如图，并在ENV14.3中，分别把灰度图 像保存为TIFF； b) 转入Arcinfo9.1把TIFF转为GRID，再调入样方坐标数据 (Shpfiles)，利用Arcinfo空间分析功能，从栅格影像图上提取 样方的植被指数属性数据，从而最终获取了调查样方的植被指 数值(表2)。
(地表反射率)
TM 大气辐射校正
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1.几何条件 (1)预设:GEOS、Landsat、AVHRR、SPOT卫星，输入月日、 过境标准时间、经纬度（南半球、西半球的经纬度为负值）等
(2)自定义:直接输入太阳天顶角太阳方位角观测天顶角和 观测方位角。
几何条件预设值取0表示自定义，根据卫星数据头文件中提 供的太阳高度角、太阳方位角和观测方位角输入。 由于一般卫星均为星下点观测，因此如果数据头文件中没 有特别告知，观测方位角一般可设为0。
TM植被指数灰度图
图 1 TM影像植被指数灰度图像
样方植被指数值
表 2 调查样方的植被指数值
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植被指数与生物量相关分析
数据选取
本研究对实测生物量数据与植被指数值数据进行抽样。 抽样方式为分类抽样，是把随机抽样与统计分组结合在一 起的一种抽样方式。 先在39个样方数据中依据生物量样方数据进行分组，再在 各组随机抽样。 选取27个样方数据(见表3)进行相关分析。 剩余12个样方数据用于接下来的回归方程检验。
地貌、气候 地貌： 地貌类型为高原、高山与极高山，海拔2680—6240m，平均海拔 约4500m。 气候： 属青藏高原亚寒带季风气候，半湿润易干旱。气候的垂直变化明 显，雨季集中在6—9月，冬春多旱。 年平均温度3.1℃。 年均降水量722.5毫米左右，年均相对湿度57%，年均蒸发量为 1593.6毫米。
i 1 2 i i 1
n
n
样本相关系数r随着取样的不同会有所变化，受抽样误差的影响， 因此总体的相关系数需要经过正式的假设检验，才能做出比较可靠 的结论。
假设检验——t检验法
假定总体变量（X,Y)服从二元正态分布 N ( X , Y , X , Y , )
( X1, Y1 ),, ( X n , Yn ) 是来自该总体的一个随机样本。
根据成像时间设为中纬度夏季大气，也可以设为US62标准大气 廓线。
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3 气溶胶模式 （1）预设：7种标准气溶胶模式——无气溶胶、大陆型、城市 型、海洋表面型、废弃地区模型、生物燃烧模型和同温层模型； （2）自定义：气溶胶的组分或是分配函数、光线折射率等设定 气溶胶模式。
设为大陆型气溶胶。 4 气溶胶浓度 输入能见度或是550nm处的气溶胶光学厚度。 当输入能见度时，气溶胶的光学厚度通过一个标准的气溶胶廓 线来计算。当能见度小于5公里时，6S的计算结果误差较大。 取0，表示不输入大气能见度，而是由MOD04数据读取550nm气溶 胶光学厚度。该数据拉伸系数为1000，负数表示由邻近像元内插 获得，输入6S时需要除以1000，并取绝对值。
要检验的假设为
H0 : 0
H1 : 0
检验统计量为t，服从自由度为n-2的t分布
表3
散点图 为了进一步分析数据之间的内在联系(线性关系或非线性关系)，建 立了植被指数与草地生物量关系的散点图。
可见，草地生物量大致 随植被指数的增加而增 大，二者存在明显的相 关性。 不能看出到底成线性还 是非线性关系 也不明确哪种数学方程 最能表达两者的关系。
相关性变量
相关分析是研究两个或两个以上随机变量之间相互依存关系的 方向和密切程度的方法，直线相关用相关系数来表示，曲线相 关用相关指数来表示，多元相关用复相关系数表示。 设二维随机变量有二元分布（X,Y)，它可以视为总体；
相关系数的取值范围为一1≤R≤1，正值表示正相关，负值表示负 相关，绝对值的大小表示相关程度的高低。 当R=0时，回归变差为0，自变量的变动对总变差无影响，称为零 相关。 当|R|=1时，回归变差等于总变差，总变差的变化完全由自变量X 的变化引起，称为完全相关，自变量X与因变量Y的关系转化为确定 的函数关系。 当0<|R|<1时，自变量X的变动对总变差有部分影响，称为普通相 关。R的绝对值愈大，表示相关程度愈高。 当|R|≥0.8，|R2|≥0.64时，自变量x的变动对总变差的影响达到 一半以上，称为高度相关; 当|R|<0.3，|R2|<0.09时，自变量X的变动对总变差的影响少于9%， 称为低度相关; 当0.3<|R|<0.8时，自变量X的变动对总变差的影响程度在9%-64% 之间，称为中度相关。
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7 光谱条件 （1）预设：可以选取已经设定好的各个卫星波段。 （2）自定义：波段范围、波长、滤波函数。 光谱条件取0为自定义，按各传感器波段上下限的设置输入。 8 地表反射率 均匀地表、非均匀地表。
第一个参数0为假设地表为朗伯体；1则考虑BRDF参数，后 续需要定义对应的中心地物类型和环绕地物类型等。
它们独立且和总体(X,Y)的分布相同，则变量X和Y间的相关系数ρ， 可以由样本通过进行估计：
其中统计量R是随机变量(相关系数ρ本质上是常量)，它是ρ的一 致估计量(相合估计量)和渐进无偏估计量，称为样本相关系数或 Pearson相关系数。上式可以化为
该公式看上去复杂，但由于没有了“积差”，计算要简便得多。
Cov( X , Y ) Corr( X , Y ) Var ( X ) Var (Y )
称为相关系数或总体相关系数，常简记为ρ或ρXY 其中 Cov( X , Y ) E[( X E ( X ))(Y E(Y ))] 为协方差。
实际问题中，往往是从总体中随机地抽取容量为n的样本
( X1, Y1 ),, ( X n , Yn )
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2 大气模式 （1）预设：7种标准模式的大气——无气体吸收模式、热带地 区、中纬度夏季、中纬度冬季、亚寒带夏季、亚寒带冬季和美国 US62标准大气廓线；
（2）自定义：34层大气模式，海拔高度从0-25km每1km一个值， 从25-50km每5km一个值，在70km和100km处各一个值，所以可以选 择输入34*5个不同的值；或输入水蒸气和臭氧自定义。
草地植被
理塘县草地以高山草甸草地、高山灌丛草甸草地与高寒草丘沼泽草 地为主; 高山草地主要生长着高山篙草、四川篙草、羊茅、垂穗披碱草等;
高山灌丛草甸草地主要植被除了草本植物外有理塘杜鹃、毛喉杜鹃、 香柏、小叶金腊梅、川西锦鸡儿、西藏沙棘、细枝忍冬等; 高寒草丘沼泽草地主要有黑花苔草、灯心草、甘肃篙草、矮篙草、 藏篙草、发草、以及沙棘和高山柳等湿生植物，是沼泽与草甸的过 渡植物。