基于物理模型训练神经网络的作物叶面积指数遥感反演研究

叶面积指数(LAI)是估算作物生长的关键参数。基于物理模型的LAI反演,被认为是当前最为可靠的方法,但其反演复杂。本文提出了将物理模型和神经网络相结合,从地表反射率反演叶面积指数的算法,利用MOD IS地表反射率和4-scale模型反演作物LAI。(1)利用4-scale模型模拟不同LAI与地表反射率的关系,生成训练数据;(2)利用模型模拟的LAI训练神经网络;(3)以MOD IS地表反射率输入训练后的神经网络,反演LAI。估算的LAI与其他LAI产品进行了比较,结果表明,估算的作物LAI和MOD IS及CYCLOPES LAI产品空间和时间分布一致,均方根误差分别为0.4994和0.6558。以2004年衡水的作物LAI地面观测数据进行了直接验证,估算的LAI与研究区地表植被分布一致,但是,三种卫星LAI产品都小于地表测量,故需针对华北平原浓密作物设计模型参数化方案。     

基于几何光学模型的人工林叶面积指数遥感反演

 MODIS等全球叶面积指数(LAI)产品空间分辨率偏低(250m~7km),不能满足高空间分辨率遥感应用的需求。为获取大区域高空间分辨率LAI,有必要对物理模型用于高空间分辨率遥感影像LAI反演的可行性进行探讨。本文基于4-scale模型LAI反演算法,以甘肃省张掖为研究区,利用TM 影像实现研究区人工林LAI反演。反演算法考虑了反射率入射-观测角度对LAI与植被指数关系的影响和植被冠层尺度的集聚程度。利用地面实测LAI数据对反演结果进行验证与分析,并与NDVI经验模型进行对比,同时分析LAI反演结果对波段反射率敏感性。结果表明: 4-scale模型LAI反演结果与实测LAI一致性良好(R²=0.67,RMSE=0.50),且优于NDVI经验模型(R²=0.59,RMSE=0.67);当LAI大于2时,4-scale模型LAI反演算法误差小于NDVI经验模型,能有效避免植被指数的饱和现象;红光波段反射率减小时,引起4-scale模型LAI反演结果的变化幅度比其增大时更高,且影响程度大于近红外波段反射率。研究表明,4-scale 模型LAI反演算法可用于TM数据反演人工林LAI,模型应用普适性较强。     

干旱区草原地上植被生物量估算——以乌图美仁大草原芦苇植被为例

草原是干旱区生态系统中重要的可再生资源。本文基于草本植被的结构特征,利用ASAR和TM数据,结合MIMICS模型,提出了一种估算干旱区草原地上植被生物量的方法。该方法将光学遥感数据容易反演的叶面积指数（LAI）作为反演生物量模型的参数之一,并利用LAI成功估算了单位面积内的草本植被密度。将地上生物量作为输入变量代入改进的MIMICS模型,利用查找表方法,计算出地上植被生物量。然后,将该方法应用于乌图美仁草原的地上植被生物量的反演。结果表明,该方法能够成功地反演干旱区草原草本植被地上生物量,精度达到R²=0.8562,RMSD=0.6263。最后,分析了该方法估算植被生物量的误差来源。     

基于GF-3和Landsat 8遥感数据的土壤水分反演研究

基于我国首颗全极化雷达卫星高分三号（GF-3）和Landsat8数据,研究浓密植被覆盖地表土壤水分反演方法。为了提高浓密植被覆盖地表土壤水分反演精度,首先利用PROSAIL模型、实测植被参数及Landsat8光学数据分析了8种植被指数与植被冠层含水量的相关性,从中优选出归一化差异水指数（NDWI₅）用于反演植被冠层含水量,并通过分析植被含水量和植被冠层含水量的关系,构建植被含水量模型;然后结合植被含水量反演模型和简化MIMICS模型校正了植被对雷达后向散射系数的影响,最后基于AIEM建立裸土后向散射系数模拟数据集,发展一种主动微波和光学数据协同反演浓密植被覆盖地表土壤水分模型,并以山东省禹城市为研究区,实现了玉米覆盖下HH、VV和HH+VV 3种模式土壤水分反演。实验结果表明： ① NDWI₅为最佳植被指数,对于去除植被影响有较好效果;② 基于此方法,利用GF-3和Landsat8卫星数据反演得到的土壤水分具有较高的精度;③ 相比HH和VV两种极化模式,HH+VV双通道模式对土壤水分反演结果更好,决定系数（R2）为0.4037,均方根误差（RMSE）为0.0667 m ³m ^-3。     

基于LTDR AVHRR和MODIS观测的全球长时间序列叶面积指数遥感反演

叶面积指数是描述土壤-植被-大气之间物质和能量交换的关键参数,获取大区域长时间序列叶面积指数有助于研究气候变化条件下植被的响应及反馈。本文利用MODIS观测和经过重新处理的地表长时间数据集（Land Long Term Data Record）LTDR AVHRR数据,生成了全球1981-2012年叶面积指数数据。算法通过建立二者之间像元级关系,利用高质量MODIS观测约束历史AVHRR数据的反演,这有助于减小2种存在显著差别传感器反演结果的不一致性,也有助于提高AVHRR反演质量。首先算法利用高质量MODIS地表反射率反演2000-2012年叶面积指数,然后利用多年每8 d的LTDR AVHRR地表反射率数据计算简单比植被指数（Simple Ratio,SR）,利用SR平均值和MODIS LAI平均值建立像元级AVHRR SR-MODIS LAI关系。在此基础上,实现1981-1999年AVHRR LAI反演,最终得到全球1981-2012年叶面积指数数据。本算法反演的AVHRR和MODIS LAI与全球植被的空间分布吻合,能表征主要生物群系类型的季节变化特征,2个数据集一致性较好,并且与NASA MODIS LAI标准产品（MOD15A2）的空间分布和季节变化曲线吻合较好。     

对Beer-Lambert定律间接测量森林LAI的误差低估分析

 叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是表征植被冠层结构的核心参数。在地面对LAI的间接测量是遥感反演算法验证和改进的重要手段,而目前基于Beer-Lambert定律的森林LAI地面间接测量方法存在着严重的低估问题。本文通过理论分析,指出Beer-Lambert定律在应用到森林叶面积指数测量时,LAI低估的根本原因来源于叶面积体密度、消光路径及叶倾角投影G函数在空间上的不均匀性,并定量评估了冠层非随机分布对LAI测量结果的影响,发现植被冠层的非随机分布会对LAI的测量带来20％~40%的误差。这一结论,对于Beer-Lambert定律的简单修正应用于森林LAI间接测量时仍存在着较大的局限性,尚未能根本上解决LAI的低估问题,故间接测量LAI的理论和方法需进一步深入研究。     

玉米叶面积指数的CHRIS/PROBA数据反演分析

叶面积指数(LAI)是衡量植被生态状况和估算作物产量的一个重要指标。LAI的反演是定量遥感研究的重要内容。传统的经验统计反演方法基于单一观测角度的遥感数据进行,忽略了地物反射率的方向性。若在反演中加入多观测角度的信息,则有可能提升LAI反演的精度。以2008年甘肃省张掖市玉米实验区为研究区,利用欧空局的CHRIS/PROBA多角度高光谱数据对比分析了传统植被指数NDVI、RVI、EVI的变化规律及其反演玉米叶面积指数LAI的精度,并根据NDVI随观测角度的变化规律,构造出新型多角度归一化植被指数MNDVI,分别对实测叶面积指数进行线性回归并利用实测数据对估算LAI进行精度验证,结果表明：新型MNDVI指数相比于传统NDVI、RVI、EVI对LAI的反演精度有了显著提升,估算模型决定系数R²达到0.716,精度验证均方根误差为0.127,平均减小了33.3%。     

基于HJ-1A CCD1数据的台湾相思树叶面积指数反演

基于HJ-1A CCD1环境卫星数据,以福建沿海地区普遍分布的台湾相思树为研究对象,利用回归分析法(NDVI、OSAVI、EVI、HJVI)和PROSAIL辐射传输模型,构建台湾相思树LAI反演模型。同时,利用同步野外地面实测数据,将模型估算LAI值与实测LAI值进行对比。结果表明：(1)相比归一化植被指数NDVI、优化土壤调节指数OSAVI和增强型植被指数EVI 3种常用植被指数,引入修正大气、土壤背景影响的蓝、绿波段的环境植被指数HJVI来反演相思树LAI具有更高的精度(R²=0.7344,RMSE=0.1421);(2)本研究所选4种植被指数构建的最优反演模型均为非线性模型,其中,环境植被指数HJVI反演LAI最优模型为幂函数模型,表明相思树LAI与植被指数之间呈非线性变化;(3)PROSAIL辐射传输模型法比回归分析法反演相思树LAI的精度有较大提高(R²=0.7903,RMSE=0.1303),可见PROSAIL模型法构建反演模型能更好地反演相思树LAI。     

森林过火区植被遥感参数的变化与恢复特征分析

遥感技术可以快速、准确地监测森林火灾火烧迹地的植被遥感参数变化,分析植被对火灾的响应与恢复特征,为防灾减灾决策提供科学依据。本文首先基于森林火灾前后的Landsat5 TM数据,利用差分归一化燃烧指数（the Differential Normalized Burn Ratio,dNBR）来提取2009年澳大利亚维多利亚州火烧迹地的范围,计算过火区面积及火烧强度;其次基于时间序列的全球地表特征参量（Global Land Surface Satellite,GLASS）产品中的叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）、吸收光合有效辐射比例（Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation,FAPAR）数据,利用距平分析法对比不同火烧强度过火区植被与未过火区植被受森林火灾的影响状况与植被恢复特征。结果表明,森林火灾发生后,LAI、FAPAR值迅速降低,火烧强度越大,LAI、FAPAR下降程度越大,高火烧强度过火区的LAI、FAPAR最大降幅分别为中火烧强度、低火烧强度过火区的1.2、1.3倍;随时间推移,LAI、FAPAR值逐渐上升,在2-3年内恢复至未过火区水平。LAI、FAPAR恢复至未过火区平均水平的时间与森林火灾规模、火烧强度密切相关：维多利亚州森林火灾过火区域中大过火斑块、高火烧强度林地的植被遥感参数恢复时间相比小过火斑块、低火烧强度林地滞后1-2年。植被遥感参数LAI、FAPAR能很好地反映过火区植被的受损状况及恢复过程。     

三江源生态工程实施前后长江源区宏观生态状况变化分析

基于NDVI时空序列数据,利用GLOPEM-CEVSA模型,本文估算并分析了长江源区1997-2012年植被覆盖度及植被净初级生产力时空变化特征,并在此基础上评估了生态工程实施前、后长江源区宏观生态状况变化。结果表明：工程实施后,长江源区宏观生态状况显著好转,植被覆盖度及植被净初级生产力明显增加。从多年平均值来看,工程实施后,植被覆盖度好转区域面积占植被区总面积的72.10%,净初级生产力增加区域面积占植被区总面积的73.82%;从变化趋势来看,植被覆盖度好转区域面积净增加13.02%,植被净初级生产力好转区域面积净增加24.62%。工程实施前后相比,各流域宏观生态状况恢复程度具有差异,其中楚玛尔河源头植被覆盖度上升最明显,通天河流域植被净初级生产力上升最明显。长江源区宏观生态状况的好转受益于气候的湿润化及生态工程的共同影响,若要全面有效改善仍需持续努力。     

叶面积指数遥感反演研究进展与展望

叶面积指数表征叶片的疏密程度和冠层结构特征,体现植被光合、呼吸和蒸腾作用等生物物理过程的能力,是描述土壤-植被-大气之间物质和能量交换的关键参数。目前多种卫星传感器观测生成了多个区域和全球的叶面积指数标准产品。本文综述了基于光学遥感数据的叶面积指数反演进展:首先,介绍了叶面积指数的定义和在生态系统模拟中的作用;然后,阐述了基于光学遥感反演叶面积指数的基本原理;在此基础上,论述了基于植被指数经验关系和基于物理模型的两种主要遥感反演算法,讨论了2种算法的优点和存在的问题,并总结了现有的主要全球数据产品及其特点,论述了产品检验的方法和需要注意的问题;最后,总结了当前叶面积指数反演中存在的问题,并展望了其发展趋势和研究方向。     

Evaluation of spectral scale effects in estimation of vegetation leaf area index using spectral indices methods

Spectral index methodology has been widely used in Leaf Area Index (LAI) retrieval at different spatial scales. There are differences in the spectral response of different remote sensors and thus spectral scale effect generated during the use of spectral indices to retrieve LAI. In this study, PROSPECT, leaf optical properties model and Scattering by Arbitrarily Inclined Layers (SAIL) model, were used to simulate canopy spectral reflectance with a bandwidth of 5 nm and a Gaussian spectral response function was employed to simulate the spectral data at six bandwidths ranging from 10 to 35 nm. Additionally, for bandwidths from 5 to 35 nm, the correlation between the spectral index and LAI, and the sensitivities of the spectral index to changes in LAI and bandwidth were analyzed. Finally, the reflectance data at six bandwidths ranging from 40 to 65 nm were used to verify the spectral scale effect generated during the use of the spectral index to retrieve LAI. Results indicate that Vegetation Index of the Universal Pattern Decomposition (VIUPD) had the highest accuracy during LAI retrieval. Followed by Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Modified Simple Ratio Indices (MSRI) and Triangle Vegetation Index (TVI), although the coefficient of determination R ² was higher than 0.96, the retrieved LAI values were less than the actual value and thus lacked validity. Other spectral indices were significantly affected by the spectral scale effect with poor retrieval results. In this study, VIUPD, which exhibited a relatively good correlation and sensitivity to LAI, was less affected by the spectral scale effect and had a relatively good retrieval capability. This conclusion supports a purported feature independent of the sensor of this model and also confirms the great potential of VIUPD for retrieval of physicochemical parameters of vegetation using multi-source remote sensing data.     

Topographic correction-based retrieval of leaf area index in mountain areas

Leaf Area Index(LAI)is a key parameter in vegetation analysis and management,especially for mountain areas.The accurate retrieval of LAI based on remote sensing data is very necessary.In a study at the Dayekou forest center in Heihe watershed of Gansu Province,we determined the LAI based on topographic corrections of a SPOT-5.The large variation in the mountain terrain required preprocessing of the SPOT-5 image,except when orthorectification, radiation calibration and atmospheric correction were used.These required acquisition of surface reflectance and several vegetation indexes and linkage to field measured LAI values.Statistical regression models were used to link LAI and vegetation indexes.The quadratic polynomial model between LAI and SAVI (L=0.35)was determined as the optimal model considering the R and R2 value.A second group of LAI data were reserved to validate the retrieval result.The model was applied to create a distribution map of LAI in the area.Comparison with an uncorrected SPOT-5 image showed that topographic correction is necessary for determination of LAI in mountain areas.     

基于TAVI的山区毛竹林LAI反演分析

本文采用地形调节植被指数（TAVI）,以RapidEye高分辨率多光谱遥感影像为数据源,对福建省永安市毛竹林山区进行了叶面积指数（LAI）地面实测、遥感建模及反演分析。通过TAVI与归一化植被指数（NDVI）、比值植被指数（RVI）的对比研究,结果表明：（1）毛竹林实测LAI与TAVI、NDVI和RVI线性回归的决定系数（R²）分别为0.6085、0.3156和0.4092,最佳非线性回归的R²分别提高到0.6624、0.5280和0.6497。LAI与NDVI或RVI非线性（U曲线）模型可以很好地解释LAI-VI的散点分布规律,但难以解决LAI-VI间因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题,因此,在山区大面积推广应用需慎重。（2）通过实测LAI的验证表明,LAI-TAVI回归模型可有效避免因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题。TAVI具有良好的削减地形影响作用,可用于山区植被LAI的遥感反演。     

林下植被遥感反演研究进展

林下植被在森林生态系统碳、水和营养元素的累积和循环方面有着重要作用与科学意义。多角度、高光谱和激光雷达遥感系统凭借对森林分层结构的敏感性,成为量化林下植被的重要手段。本文综述了森林林下植被的遥感反演研究进展：首先讨论了林下植被的定义,其次对当前林下植被的遥感反演现状作了深入分析,总结了多角度、高光谱和激光雷达遥感观测的森林背景的反射率、林下植被的叶面积指数、高度和覆盖度的遥感反演原理和方法。基于不同卫星观测角度下森林冠层和森林背景对总反射的贡献差异,林下反射率可通过多个角度的观测数据进行反演。此外,借助激光雷达穿透冠层直接观测林下植被的优势,总结了激光点云数据和回波波形信息反演林下植被的覆盖度和高度的方法,以及今后使用遥感技术反演的难点和获取林下植被信息的主要发展方向。     

真实和有效叶面积指数及聚集指数的尺度效应

尺度效应是地球科学和定量遥感中的重要研究课题,目前的许多研究大多集中在估算尺度效应带来的误差,而对一些关键的植被结构参数是否存在尺度效应及其尺度转换方法尚存在诸多不同见解。本文针对真实和有效叶面积指数（Leaf Area Index, LAI和Effective LAI, LAI_e）以及聚集指数（Clumping Index, CI）3个植被关键结构参数,从基本概念和获取方法上分析参数的尺度效应及其尺度转换方法。从定义上看,LAI并不存在尺度效应,而LAI_e和CI则存在尺度效应,其中CI的尺度效应由LAIe引入（CI=LAI_e/LAI）。在野外实测中,LAI破坏测量法没有尺度效应,但由孔隙率模型获取3个参数的方法均具有尺度效应。异速生长方程和遥感反演方法的尺度效应取决于方法本身的线性或非线性特征。目前全球主要的LAI、LAI_e和CI遥感产品都基于非线性模型获取,其反演过程具有尺度效应。像元尺度的LAI本身并不具有尺度效应,而像元尺度的LAI_e和CI虽然具有尺度效应,但在实践中常常被忽略。因此,实际工作中应注意区分参数概念本身、野外测量、遥感反演方法以及遥感产品等所展示的不同尺度效应。