水土流失区马尾松林植被提取的土壤调节指数分析

为实现水土流失区植被遥感信息的准确提取,本文采用2007年ALOS 10 m多光谱影像,利用土壤调节植被指数SAVI和MSAVI,对福建长汀水土流失区马尾松林不同植被覆盖密度的3个实验区进行植被提取,并选用不同的土壤调节因子（L=0.25,0.5,0.75,1）做实验,将结果和以NDVI植被指数提取的结果进行对比,分析了提取效果及受土壤噪音的影响程度。实验表明,SAVI指数能提高水土流失区的植被提取精度。在中、低植被覆盖区,其提取的总精度比NDVI高出2%~7%,Kappa系数高出7%~18%;而土壤调节因子L的取值对植被信息的提取也呈现出一定的规律性,即：随着L从0向1递增,SAVI提取稀疏植被的能力上升而探测阴坡植被的能力下降。总体来看,对于低植被覆盖和中等植被覆盖地区,可分别用SAVI（L取0.75）和SAVI（L取0.5）来提取植被信息,对于高植被覆盖区,仍可直接用NDVI进行植被信息提取;研究发现MSAVI在植被信息提取中并不具有特别的优势。     

基于偏振植被指数的植被-土壤混合像元室内实验研究

混合像元是遥感影像中普遍存在的一种现象,对其组成和各成分比例的反演一直是遥感研究中的重难点,而国内利用偏振植被指数对混合像元的研究几乎没有涉及。本次研究通过对不同面积比例的植被-土壤混合像元偏振反射高光谱特征进行分析,讨论不同条件下的植被-土壤混合像元偏振高光谱特性,并利用偏振反射比计算了12种0°偏振态下的偏振植被指数,分别构建了植被指数与植被面积比例以及光谱特征参数与植被面积比例的数学模型。结果表明,混合像元中植被面积比例和偏振角均对其偏振高光谱有一定的影响;865 nm的偏振反射比与植被占像元面积比例的相关性最好,采用多项式进行拟合时,其决定系数达到0.99,适合进行植被占像元面积比例的反演;偏振光谱“红边”处的一阶微分值与植被像元比例存在良好的线性相关,R²=0.974;植被面积比例与植被指数和光谱特征参数呈现良好的相关关系,其中P-DVI和光谱吸收指数（SAI）与植被面积比例的拟合效果最好,决定系数分别为0.99以及0.94,适合进行植被-土壤混合像元中植被面积比例的反演。     

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%。     

WorldView-2近红外光谱波段反演马尾松植被信息的比较研究

WorldView-2卫星自2009年发射至今,已为用户提供了大量高性能的影像产品。与众多高分辨率卫星影像不同,WorldView-2有2个近红外波段,即近红外1(Near-infrared1,NIR1)和近红外2(Near-infrared2,NIR2),但目前这2个波段在应用上的区别并不清楚。因此,本文以福建省长汀县河田地区的马尾松林为例,采用NIR1和NIR2这2个近红外波段分别构建了3种植被指数(NDVI、ARVI和NDMVI),以探索二者在植被信息反演方面的差异。结果表明,NIR1构建的植被指数在马尾松林提取精度上高于NIR2,并具有更丰富的植被信息量。经统计可知,NIR1所构建的植被指数信息量比NIR2分别大8.0%(NDVI)、12.3%(ARVI)和7.3%(NDMVI);在反演植被覆盖度方面,NIR1也比NIR2具有更高的精度,其模拟的植被覆盖度与实际植被覆盖度的拟合度更高,误差更小。NIR1和NIR2所表现出的差异是因为马尾松在这2个近红外波段的光谱反射不同,其反射在NIR1的波长范围内达到最强,而在NIR2的波长范围内则出现了小幅下降。     

卫星影像数据构建山地植被指数与应用分析

 本研究以Landsat影像为数据源,在分析复杂地形山地植被在阳坡和阴坡反射率差异特征的基础上,提出一种归一化差值山地植被指数NDMVI (Normalized Difference Mountain Vegetation Index)。该指数模型无需辅助数据(如DEM)的支持,通过同时降低近红外波段(TM4)和红光波段(TM3)反射率的方法来消除或抑制地形的影响,具有较强的可操作性。研究表明:NDMVI与太阳入射角余弦值(cos i)的相关性相当小,对地形起伏变化表现不敏感,可有效消除或抑制地形的影响;比NDVI值动态变化范围更宽,对地物有更强的遥感识别能力;该模型抑制地形影响的效果比用C校正模型的效果更佳,不会出现过度校正的问题。     

地形复杂山区常用植被指数的地形校正对比

植被指数能反映地表植被生长、覆盖等情况,常作为反演植物生物物理参量的有效参数。然而,在地形复杂的山区,由于地形效应的影响,导致一些植被指数适用性受限。基于以上现状,本文以贵州省江口县为研究区,采用4种地形校正模型（Teillet-回归模型、Minnaert模型、C模型、SCS+C模型）对常用植被指数（SR、MSR、NDVI、SAVI、MSAVI、EVI）进行地形校正,以评价不同坡度条件下植被指数地形校正效果。结果表明：地形校正对缓解波段比形式的植被指数（SR、MSR、NDVI）地形效应的作用有限,而对非波段比形式的植被指数（SAVI、MSAVI、EVI）效果较好。另外,随着坡度增加,地形效应显著,地形校正效果也更明显：坡度较小时,波段比形式的植被指数无需进行地形校正,而建议非波段比形式的植被指数进行地形校正;坡度较大时,建议2类植被指数都进行地形校正,但非波段比形式的植被指数可能会发生过度校正现象。此外,地形校正后非波段比形式的植被指数与森林地上生物量线性回归模型的精度明显提高。因此,建议在地形复杂山区利用非波段比形式的植被指数进行定量反演时,先进行地形校正。     

Effect of Mathematical Expression of Vegetation Indices on the Estimation of Phenology Trends from Satellite Data

Vegetation indices(VIs) from satellite remote sensing have been extensively applied to analyze the trends of vegetation phenology. In this paper, the NDVI(normalized difference vegetation index) and SR(simple ration), which are calculated from the same spectral bands of MODIS data with different mathematical expressions, were used to extract the start date(SOS) and end date(EOS) of the growing season in northern China and Mongolia from 2000 to 2015. The results show that different vegetation indices would lead to differences in vegetation phenology especially in their trends. The mean SOS from NDVI is 15.5 d earlier than that from SR, and the mean EOS from NDVI is 13.4 d later than that from SR. It should be noted that 16.3% of SOS and 17.2% of EOS derived from NDVI and SR exhibit opposite trends. The phenology dates and trends from NDVI are also inconsistent with those of SR among various vegetation types. These differences based on different mathematical expressions in NDVI and SR result from different resistances to noise and sensitivities to spectral signal at different stage of growing season. NDVI is prone to be effected more by low noise and is less sensitive to dense vegetation. While SR is affected more by high noise and is less sensitive to sparse vegetation. Therefore, vegetation indices are one of the uncertainty sources of remote sensing-based phenology, and appropriate indices should be used to detect vegetation phenology for different growth stages and estimate phenology trends.     

南方亚热带季风区将乐县森林植被动态变化及其对气候变化的响应

在全球气候变化背景下,植被动态变化以及植被对气候变化的响应方式已经成为生态学和地理学领域的热点。本文对比分析了南方亚热带季风区将乐县不同类型森林植被对不同时间尺度的干旱响应的差别。基于2000-2017年MODIS-EVI数据及气象站点数据,用最大值合成法、趋势分析法以及相关分析法,分析了森林植被及气象因子的动态变化特征,并对比不同森林植被对气候变化响应的差别。研究表明：① 2000-2017年,研究区植被覆盖度、EVI和降水均显著增加,区域内湿度增加,森林长势渐趋良好;② EVI在生长季初期和末期与同期的降水、温度均显著正相关（P<0.1）,初期森林受降水因子的影响更大,末期受温度因子的影响大;③ 1-3月和周年的气候变化对森林的生长至关重要,长时间尺度的湿度增加对森林生长具有显著的促进作用,SPEI的时间尺度越长与EVI的相关性也越大;④ 针阔混交林与同期温度、降水的相关系数最高,并且与不同时间尺度的SPEI相关性均比较高,属于气候敏感型林型,在生产经营中要谨慎预防气候变化对该林型带来的伤害;⑤ 森林覆盖度变化与降水和SPEI_24的相关性极显著,长时间尺度的降水变化是影响森林植被覆盖率变化的重要因素之一。     

不同植被红边指数在城市草地健康判别中的对比研究

遥感红边指数与表征绿色植物生长状况的重要生化参数有密切的关系,是植被长势监测的重要因子。为寻找出最适用于城市草地生长状况监测的红边指数,本文基于Sentinel-2A数据,对比分析了不同红边指数在城市草地健康状况估算方面的差异。本文以福州市和厦门市的城市草地为例,在全面分析各种健康水平草地光谱响应特征差异的基础上,选取了6种与草地生化参数相关的红边指数,即红边位置REP、地面叶绿素指数MTCI、归一化差值红边指数NDRE1、新型倒红边叶绿素指数IRECI、红边叶绿素指数CI_red-edge以及叶绿素吸收指数MCARI2,然后采用独立样本T检验及欧式距离对这6种红边指数在草地健康判别中的优劣进行了定量对比。结果表明：IRECI指数对草地健康状况最为敏感,该指数在不同健康等级草地的值域区间和均值都存在显著性差异,其判别总精度均大于85%;NDRE1和MCARI2指数次之,其他3个指数则难以判别草地的健康状况。因此,在基于Sentinel-2A影像的城市草地健康遥感判别中,推荐使用IRECI指数。     

基于Landsat TM和ENVISAT ASAR数据的鄱阳湖湿地植被生物量的反演

作为湿地生态系统的重要组成部分,湿地生物量是衡量生态系统健康状况的关键指标。由于光学遥感对植被垂直分布探测的局限,使得植被指数反映生物量变化的灵敏度下降。利用C波段SAR反演生物量时,对于低中等生物量,含水量高的湿地地表的后向散射对总雷达后向散射的影响会在雷达图像上出现类似光学遥感中"异物同谱"的现象。本文用光学遥感中NDVI、RVI和DVI三种植被指数对生物量变化的敏感性,利用改进的MIM-ICS模型,对湿地植被各散射分量进行模拟分析,建立符合湿地植被类型的各散射分量模拟数据库,以LandsatTM和Envisat ASAR交替极化数据为基础,选择植被指数DVI=0.45为阈值,将湿地植被分割为低叶片密度植被区和高叶片密度植被区,分别应用统计回归模型和半经验微波散射模型,对两个区域植被生物量进行反演。最后,得到整个鄱阳湖湿地生物量为2.1×10⁹kg。研究表明,对于生物量动态范围较大的地区,采用光学和雷达遥感相结合可以有效地提高湿地植被生物量反演的精度,克服光学遥感探测植被垂直分布能力有限和雷达遥感受背景影响大的不足。     

A novel dynamic stretching solution to eliminate saturation effect in NDVI and its application in drought monitoring

The normalized difference vegetation index(NDVI) is one of the key input variables for developing drought indices.However,the NDVI quickly saturates in high vegetation surfaces,and thus,the generalization of a drought index over different ecosystems becomes a challenge.This paper presents a novel,dynamic stretching algorithm to overcome the saturation effect in NDVI.A scaling transformation function to eliminate saturation effects when the vegetation fraction(VF) is large is proposed.Dynamic range adjustment is conducted using three coefficients,namely,the normalization factor(a),the stretching range controlling factor(m),and the stretching size controlling factor(e).The results show that the stretched NDVI(S-NDVI) is more sensitive to vegetation fraction than NDVI when the VF is large,ranging from 0.75 to 1.00.Moreover,the saturation effect in NDVI is effectively removed by using the S-NDVI.Further analysis suggests that there is a good linear correlation between the S-NDVI and the leaf area index(LAI).At the same time,the proposed S-NDVI significantly reduces or even eliminates the saturation effect over high biomass.A comparative analysis is performed between drought indices derived from NDVI and S-NDVI,respectively.In the experiment,reflectance data from the moderate resolution imaging spectroradiometer(MODIS) products and in-situ observation data from the meteorological sites at a regional scale are used.In this study,the coefficient of determination(R2) of the stretched drought index(S-DI) is above 0.5,indicating the reliability of the proposed algorithm with surface soil moisture content.Thus,the S-DI is suggested to be used as a drought index in extended regions,thus regional heterogeneity should be taken into account when applying stretching method.     

Effects of RapidEye imagery’s red-edge band and vegetation indices on land cover classification in an arid region

Land cover classification (LCC) in arid regions is of great significance to the assessment, prediction, and management of land desertification. Some studies have shown that the red-edge band of RapidEye images was effective for vegetation identification and could improve LCC accuracy. However, there has been no investigation of the effects of RapidEye images’ red-edge band and vegetation indices on LCC in arid regions where there are spectrally similar land covers mixed with very high or low vegetation coverage information and bare land. This study focused on a typical inland arid desert region located in Dunhuang Basin of northwestern China. First, five feature sets including or excluding the red-edge band and vegetation indices were constructed. Then, a land cover classification system involving plant communities was developed. Finally, random forest algorithm-based models with different feature sets were utilized for LCC. The conclusions drawn were as follows: 1) the red-edge band showed slight contribution to LCC accuracy; 2) vegetation indices had a significant positive effect on LCC; 3) simultaneous addition of the red-edge band and vegetation indices achieved a significant overall accuracy improvement (3.46% from 86.67%). In general, vegetation indices had larger effect than the red-edge band, and simultaneous addition of them significantly increased the accuracy of LCC in arid regions.     

遥感建筑用地信息的快速提取

建筑用地的急剧增加和耕地资源的迅速减少,使得土地利用动态变化监测显得尤为重要。遥感作为监测土地利用动态变化的一种有效手段,已经得到日益广泛的应用。但是建筑用地由于其光谱的异质性,而难以用简单的方法将它们从遥感影像中准确提取出来,遥感建筑用地指数(Index-based Built-up Index,IBI)是针对这一问题提出的。它的构建采用的是三个专题指数波段(SAVI植被指数、MNDWI水体指数、NDBI建筑指数),而不是影像的原始波段。由于这三个指数互为负相关,因此,可以有效地增强和提取遥感影像中的建筑用地信息。通过将IBI指数提取建筑用地的影像处理过程编成可自动执行的模块,并集成于大型的遥感商业软件中,使得影像数据处理和建筑用地信息提取时间大大缩短,提高了建筑用地信息增强和提取的效率。     

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。     

鲁中南典型岩溶水系统地下水污染预警评价

地下水污染预警是区域地下水资源保护的重要手段。山东双村岩溶水系统是典型的鲁中南单斜构造型岩溶水系统之一,现开采量39.848万m~3/d,为特大型岩溶水源地。30余年的水质监测数据表明,岩溶水水质逐渐变差、水化学类型变复杂。在查明水文地质条件、污染源调查和长序列水质监测的基础上,构建了有针对性的地下水污染风险评价指标体系,通过全面考虑地下水水质现状、水质变化趋势和地下水污染风险等主要影响因素,采用综合指标法开展了地下水污染预警研究。研究区地下水污染预警为中警区和巨警区,地下水补径排条件、污染源分布以及含水层防污性能是主要影响因素,控制废水排污量、严格执行达标排放以及建立完善地下水水质动态监测网络是控制地下水污染的重要手段。本次构建的地下水污染风险评价指标体系较为合理,预警结果较为可信,对地下水污染预警评价具有一定的借鉴意义。     

路域植被等效水厚度估算模型研究

植被等效水厚度对路域生态环境的监测评估具有重要意义。本研究以湖南醴潭高速一段为研究对象,以地面实测光谱和等效水厚度以及PRO4SAIL模拟光谱和模拟等效水厚度为数据源,利用PRO4SAIL冠层模型模拟光谱与地面实测光谱建立12种常用水分指数,引入随机森林算法对水分指数与等效水厚度进行重要性分析,得到12种水分指数的重要性排序;利用调整R ²确定建立等效水厚度估算模型中输入水分指数的最佳个数;在优选水分指数基础上,以PRO4SAIL模拟光谱计算得到水分指数和等效水厚度为训练集,分别构建随机森林耦合偏最小二乘（RF-PLS）、随机森林耦合支持向量机（RF-SVM）和随机森林耦合遗传算法优化支持向量机（RF-GA-SVM）等效水估算模型,并用地面实测等效水厚度对估算模型进行精度验证与分析。结果表明：RF-SVM估算模型中输入重要性前9的水分指数（NDWI、NMDI、SRWI、SR、NDII、WI、DWI、MSI、SAVI）时,调整R ²最高,验证集决定系数为0.8877;RF-PLS和RF-GA-SVM估算模型中输入重要性前4的水分指数（NDWI、NMDI、SRWI、SR）时,调整R ²最高,验证集决定系数分别为0.8053、0.8952,其中RF-GA-SVM模型估算等效水厚度效果最佳,其精度满足路域植被等效水厚度监测要求。本文研究成果为等效水厚度估算提供一种有效且精确的方法,同时为发展基于高光谱遥感的路域环境监测提供重要支撑。     

基于实测光谱模拟Landsat-8 OLI数据估算非光合 植被覆盖度

定量的估算非光合植被覆盖度（Fractional Cover of Non-photosynthetic Vegetation, f_NPV）对草原生态系统碳储存、植被生产力、土壤侵蚀和火灾监测均具有重要的意义。本文以锡林郭勒草原实测高光谱和样方盖度为数据源,利用NPV（Non-Photosynthetic Vegetation）、PV（Photosynthetic Vegetation）、BS（Bare Soil）的平均光谱通过线性光谱混合模型模拟得到混合场景光谱,寻找区分NPV/PV/BS的敏感性波段,然后分别评价不同多光谱指数与f_NPV的相关性。最后利用野外混合场景实验验证光谱指数估算f_NPV的有效性。在此基础上,探讨基于OLI数据的NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）-DFI（Dead Fuel Index）特征空间是否满足三元线性混合模型的基本假设。结果表明：短波红外（SWIR）波段是区分NPV/PV/BS的敏感性波段,以此为基础构建的OLI-DFI指数具备有效区分NPV/PV/BS的潜力。在模拟混合场景条件下,OLI-DFI和MODIS-DFI指数均与f_NPV呈显著相关,决定性系数R²分别为0.84和0.94,均方根误差RMSE分别为0.09和0.05,而NDI和NDSVI指数与f_NPV相关性很低。与模拟混合场景相比,在野外混合场景下OLI-DFI和MODIS-DFI指数估算f_NPV的有效性均有一定程度的降低,R²分别为0.65和0.75,RMSE分别为0.14和0.12。基于OLI数据构建的NDVI-DFI特征空间满足三元线性混合模型的基本假设,可有效的估算f_NPV。     

An automated method for glacial lake mapping in High Mountain Asia using Landsat 8 imagery

Glacial lakes in the High Mountain Asia (HMA) are sensitive to global warming and can result in much more severe flood disasters than some largesized lakes. An accurate and robust method for the extraction of glacial lakes is critical to effective management of these natural water resources. Conventional methods often have limitations in terms of low spectral contrast and heterogeneous backgrounds in an image. This study presents a robust and automated method for the yearly mapping of glacial lake over a large scale, which took advantage of the complementarity between the modified normalized difference water index (MNDWI) and the nonlocal active contour model, required only local homogeneity in reflectance features of lake. The cloud computing approach with the Google Earth Engine (GEE) platform was used to process the intensive amount of Landsat 8 images from 2015 (344 path/rows and approximately 7504 scenes). The experimental results were validated by very high resolution images from Chinese GaoFen-1 (GF-1) panchromatic multi-spectral (PMS) and appeared a general good agreement. This is the first time that information regarding the spatial distribution of glacial lakes over the HMA has been derived automatically within quite a short period of time. By integrating it with the relevant indices, it can also be applied to detect other land cover types such as snow or vegetation with improved accuracy.     

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。     

干旱区植被覆盖度提取模型的建立

本文通过分析遥感提取植被覆盖度的经验模型法、植被指数法和混合像元分解法,归纳了它们各自的优势、精度和存在的问题,指出了影响应用较广泛的植被指数转换法精度是全植被覆盖像元的选取。在此基础上提出了植被指数转换法的改进模型一利用高分辨率卫星图像的最大NDVI值作为均一像元的NDVI值替换中等分辨率卫星图像的NDVI值,建立植被覆盖度提取模型,从而通过中等分辨率卫星图像获取大范围植被覆盖度的方法。经实践检验,该方法简单、实用,适合于利用中等分辨率卫星图像进行大范围宏观监测。