生态气象监测指标体系荒地绿洲生态系统试行.docx
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生态气象监测指标体系荒地绿洲生态系统试行
附件6:
生态气象监测指标体系
(试行)
荒漠(绿洲)生态系统
中国气象局
二○○六年三月
前言
人口、资源、环境和灾害等是全人类正在且必须面对的重大课题,因为近百年来全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化。
这种变化对世界范围内生态、资源、环境的负面效应日益显现,导致了水资源短缺、海平面上升、冰川退缩、干旱化和荒漠化加剧以及各类极端天气气候事件的频繁发生,已经并将继续对经济社会的可持续发展带来深远的影响。
我国的气象事业发展正在进入一个崭新的时期,气象与经济社会发展的关系日益紧密,已经深入到政治、经济、社会、国家安全、环境、外交和可持续发展的方方面面。
中国气象事业发展战略研究成果提出了“公共气象、安全气象、资源气象”的发展理念,中国气象局业务技术体制按照“多轨道、研究型、集约化、开放式”的总体思路,明确了八条业务轨道和四个功能平台的业务布局与分工,其中生态与农业气象为业务轨道之一。
开展生态与农业气象业务,是气象部门“坚持公共气象的发展方向,大力提升气象信息对国家安全的保障能力,大力提升气象资源为可持续发展的支撑能力”的现实需求,是进一步发挥气象专业技术优势,积极拓展气象业务服务领域,改善生态环境,提高资源利用效率的重要基础性工作,是气象部门为实现经济社会全面、协调、可持续发展所做的积极探索和努力。
其中,生态气象监测作为一种重要的工作手段,是生态与农业气象业务的核心构成。
为了保证全国气象部门生态气象监测工作的深入开展并进一步实现业务化、规范化和制度化,我们组织编制了该项《生态气象监测指标体系(试行)》。
本书依据《地面气象观测规范》、《农业气象观测规范》和《生态气象观测规范(试行)》等,并充分利用卫星遥感监测技术和方法,初步建立了农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠(绿洲)生态系统等6种生态系统下大气、生物、土壤和水以及相关灾害等监测指标体系。
生态气象监测是一项正在发展中的业务,其指标的建立尚未完全成熟,科学技术和社会经济的飞速发展,也必将对此项业务提出更新更多的需求。
因此,随着今后全国气象部门开展生态与农业气象业务的工作实践,本监测指标体系将不断得到检验,预测减灾司也将适时对本体系进行修改完善,并根据发展需要建立其它生态系统的监测指标体系。
中国气象局预测减灾司
二〇〇六年三月
目录
概述1
原则2
荒漠(绿洲)生态系统监测指标总表3
气象4
大气成分7
生物8
土壤9
水11
灾害12
参考文献18
附加说明19
概述
生态学是研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学,其目的是指导人与自然、资源与环境的协调发展。
生态气象是应用气象学、生态学的原理与方法研究天气气候条件与生态系统诸因子间相互关系及其规律的一门科学。
生态气象监测,即通过对生态系统的大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的主要特征量的观测、调查和计算,解读气象条件与各生态因子之间的相互关系和作用机理,科学评价生态系统的动态状况,提供保护、改善和合理利用生态系统的信息,同时为气候系统、气候变化研究和预测提供重要的基础数据。
生态气象监测指标,指的是在生态气象监测过程中选定的能够反映和指示生态系统状况的特征量,由大气、生物、土壤和水以及相关灾害五类特征量组成,包括应用卫星遥感技术和地面观测方法获取的直接观测值或调查值,以及对直接观测值或调查值加工处理后的计算值。
生态气象监测指标体系,是各生态系统生态气象监测指标总集。
本指标体系涵盖农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠(绿洲)生态系统等六种生态系统。
其中农田生态系统指标47个,森林生态系统指标43个,草地生态系统指标48个,湿地生态系统指标35个,湖泊生态系统指标35个,荒漠(绿洲)生态系统指标40个,总计248个指标。
应用本指标体系,可以选择单一或多个指标开展定期或不定期的专题服务或评价;可以定期或不定期地在各生态系统中分别进行大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的变化分析或评价;可以在综合分析大气、生物、土壤和水以及相关灾害总体指标的前提下,定期制作各生态系统质量评价。
原则
生态系统是地球上由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统。
生物群落和(或)生态环境的差别形成不同的生态系统,每个生态系统都有自己的结构以及相应的能量流动和物质循环的方式和途径。
因此,各生态系统存有共性,但又有各自的自身特点、面临问题和发展需求。
本监测指标体系在充分分析农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠(绿洲)生态系统等六种生态系统的共性与各自独特性的基础上,遵循以下原则选择建立指标体系。
(一)代表性原则
生态气象监测指标的选择,能够充分体现各种生态系统,包括农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠(绿洲)生态系统等的自身特点,以及各种生态系统下信息服务的针对性、独特性。
是为代表性原则。
(二)整体性原则
生态气象监测指标的选择,能够涵盖各种生态系统中各类信息服务产品的加工、制作和服务的全过程,包括直接观测指标、调查指标和计算指标。
是为整体性原则。
(三)通用性原则
生态气象监测指标的选择,能够整体适用于不同地域范围的同种生态系统,而非部分适用并且不局限于某个特定区域。
是为通用性原则。
(四)应用性原则
生态气象监测指标的选择,能够在信息服务中做到获取方便,加工程序简单,产品服务方向明晰,容易付诸实际应用,总之具有可操作性。
是为应用性原则。
荒漠(绿洲)生态系统监测指标总表
气象
大气成分
生物
土壤
水
灾害
1
≥0℃活动积温
降水pH值
物候期
土壤pH值
地下水位
干旱
2
≥5℃活动积温
降尘总量
叶面积指数
土壤盐分含量
水体面积
冰雹
3
≥10℃活动积温
干物质重量
土壤养分含量
总有机碳(TOC)
霜冻
4
无霜期
植物丰富度
土壤水分含量
化学需氧量(COD)
干热风
5
(日、月、年)平均气温
植被覆盖度
土壤风蚀、风积
生物需氧量(BOD)
风灾
6
(日、月、年)
最高气温、最低气温
植被长势
沙丘移动
沙尘暴
7
气温日较差
8
降水量
9
降水距平百分率
10
蒸发量
11
干燥度
12
气候生产潜力
13
日照时数
14
光合有效辐射
15
积雪
气象
1.≥0℃活动积温
积温指一定时期内日平均温度的总和。
积温是作物要求热量的指标,因作物种类、品种和生育期的不同而异;积温也是地区热量资源指标。
根据作物的积温要求,对照地区的热量资源,便可评价该地热量条件,为作物的生育期预报、合理利用农业气候资源和改革种植制度等提供依据。
活动温度则指高于植物生物学下限温度的日平均气温。
从每年日平均气温稳定通过0℃这天起,到稳定结束0℃这天止,其间逐日平均气温相加之和为≥0℃活动积温。
≥0℃活动积温是研究作物生长、发育对热量的要求和评价热量资源的一种指标。
作物发育的起始温度(又称生物学零度)不一定和0℃相一致,因作物种类、品种而异,而且同一作物,不同发育期也不相同,多数都在0℃以上,因此≥0℃活动积温是热量资源的基本指标。
Aa=ΣTi(Ti≥0℃)
其中Aa为≥0℃活动积温;Ti为时段内某日的平均温度。
2.≥5℃活动积温
从每年日平均气温稳定通过5℃这天起,到稳定结束5℃这天止,其间逐日平均气温相加之和为≥5℃活动积温。
日平均气温稳定通过5℃的日期,在春季是豆类等秋田杂粮作物播种期和果木发芽期。
日平均气温≥5℃期间的持续日数,称为耐寒作物和果木的有利生长期。
Aa=ΣTi(Ti≥5℃)
其中Aa为≥5℃活动积温;Ti为时段内某日的平均温度。
3.≥10℃活动积温
10℃是大多数作物生长的下限温度。
每年日平均气温稳定通过10℃这天起,到稳定结束10℃这天止,其间逐日平均气温相加之和为≥10℃活动积温。
10℃是春季喜温作物开始播种与生长,喜凉作物开始迅速生长的温度;在秋季其终日是喜温作物停止生长、喜凉作物光合作用显著降低的日期。
开始大于10℃至开始小于10℃之间的时段为喜温作物的生长期和喜凉作物活跃生长期。
因此,它可以代表当地的热量资源状况,表示各种作物在整个生长期内热量供应的可靠指标。
Aa=ΣTi(Ti≥10℃)
其中Aa为≥10℃活动积温;Ti为时段内某日的平均温度。
4.无霜期
无霜期是指终、初霜之间的持续日数。
初霜指后半年第一次出现的霜,此后进入霜期,初霜期多发生于秋季,初霜期出现较早的年份往往使处于生长后期的秋熟作物遭受霜冻危害,降低产量和品质。
终霜指前半年最后一次出现的霜,此后进入无霜期,终霜期多发生于春季,终霜期出现较迟的年份,易使小麦、油菜或春播作物幼苗遭受冻害。
无霜期越长,对作物生长越有利。
由于每年的气候情况不完全相同,出现初霜和终霜的日期有早有晚,无霜期不一致。
无霜期=初霜日期-终霜日期
5.(日、月、年)平均气温
日平均气温是一天中不同时间观测的气温值的平均数。
月平均气温是一月中各日平均气温值的平均数,是将各日的平均气温相加,除以该月的天数而得。
年平均气温是一年中各月平均气温值的平均数,是将12个月的月平均气温累加后除以12而得。
6.(日、月、年)最高气温、最低气温
日最高气温指一天中气温的最大值,日最高气温一般出现在午后两点钟左右;(月、年)极端最高气温指一月中或一年中气温的最大值。
日最低气温指一天中气温的最小值,日最低气温一般出现在清晨日出前后;(月、年)极端最低气温指一月中或一年中气温的最小值。
7.气温日较差
每昼夜最高气温和最低气温之差,称为气温日较差。
它的大小反映了气温日变化的程度。
气温日较差的大小与地理纬度、季节、地表性质、天气状况有关,对作物生长发育、产量形成、产品品质有很大影响。
气温日较差=日最高气温-日最低气温
8.降水量
降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水,在水平面上积累的深度。
以mm为单位,取一位小数。
降水量反映当地的农业气候资源,各种降水量条件决定不同生产制度。
监测降水量的变化,可研究一定时期降水量大小对作物生长的利弊影响,进行有关作物品种与耕作技术的调整。
通常采用雨量器(雨量计)于每日08、20时分别量取前12小时降水量,或采用自动观测方法。
9.降水距平百分率
指某时段降水量与历年同时段平均降水量差值占历年同时段平均降水量的百分率,降水距平百分率可表示旱涝的程度。
降水距平百分率=(某时段降水量-历年同时段平均降水量)/历年同时段平均降水量×100%
10.蒸发量
蒸发是指水由液体或固体(如冰雪)变成气体的过程。
蒸发包括水面蒸发(即液态水面不断向大气蒸发水分的过程);土壤蒸发(土壤中的水分以水汽的状态进入大气中的过程);植物蒸腾(土壤中的水分经植物根系吸收后,输送到叶面,逸散到大气中去的过程)。
气象站测定的蒸发量是水面蒸发量,指一定口径的蒸发器中,在一定时间间隔内因蒸发而失去的水层深度,以mm为单位。
每日定时观测。
水面蒸发量反映一个地区的蒸发能力,水面蒸发与当地降水量大小关系不大,主要影响因素是气温、湿度、日照、辐射、风速等。
因此在地区分布上,一般冷湿地区水面蒸发量小,干燥、气温高的地区水面蒸发量大;高山区水面蒸发量小,平原区水面蒸发量大。
农田生态系统中蒸发量监测主要用于研究农田水分供应与支出的关系,进而研究农田水分利用效率、节水措施、生产调控的依据。
蒸发量=前一日水面高度+降水量(以雨量器观测值为准)-测量时水面高度
11.干燥度
干燥度指有植被地段的最大可能蒸发量与降水量之比值。
这是衡量一个地区气候干湿程度的定量指标,也是衡量作物水分供求程度的水分平衡指标,同时也是各地水分资源的区划指标。
式中,K为年干燥度;CΣT表示蒸发力,其中C为系数,ΣT为≥0℃活动积温;R为≥0℃期间的降水量。
当K=1时,表示水分大体收支平衡;当K>1时,水分支大于收;当K<1时,水分收大于支。
一般年干燥度0.50~0.99为湿润区;1.00~1.49,为半湿润区;1.5~1.99,为半干旱区;2.00~3.99为干旱区。
12.气候生产潜力
气候生产潜力是指在作物生长期内单位面积上,假设作物品种、土壤性状、耕作技术都适宜,在当地的光照、温度、水分条件下,作物可能获得的最高产量。
因此,作物气候生产潜力的阶乘式数学模型,即
Yc=Yp·f(T)·f(W)
式中,Yc为气候生产潜力,Yp为光合生产潜力,f(T)为温度影响订正系数,f(W)为水分影响订正系数。
作物光合生产潜力是指在温度、水分、土壤肥力和农业技术措施等参量处在最适宜的条件下,仅由太阳辐射所确定的作物产量,即在当地气候条件下作物产量的最高值。
某地的作物光合潜力可表示为:
Yp=(E•CH•∑Q)•[h(1-CA)]-1
其中E=ξ(1-α)(1-β)(1-γ)(1-ρ)(1-ω)Φ
式中,E为理论光能利用率,表示理想情况下,扣除各种损耗后,植物吸收太阳辐射合成干物质的理论效率,分别由以下各项决定:
ξ为光合有效辐射占总辐射的比例,取0.49;α为作物反射率,平均取0.23;β为作物群体对太阳辐射的漏射率,平均为0.06;γ为光饱和限制率,在自然条件下一般不构成限制,取0;ρ为作物非光合器官对太阳辐射的无效吸收,取0.1;ω为作物呼吸损耗率,取0.3;Φ为量子转化效率,取0.224。
CH为作物经济系数,表示经济产量占生物量的比例。
CA为作物灰分含量,取0.08。
h为每形成1g干物质所需的热量,等于干物质燃烧热,平均取为17850焦耳/g。
∑Q为作物生长季内太阳总辐射。
根据温度对不同种类作物影响的差异,分别进行喜凉作物和喜温作物的温度影响订正:
喜凉作物:
0t<3℃
f(T)=t/323℃≤t<21℃
2-t/3021℃≤t≤32℃
0t>32℃t为日平均温度
喜温作物
0t<6℃
0.027t-0.1626℃≤t<21℃
f(T)=
0.086t-1.4121℃≤t<28℃
128℃≤t<32℃
-0.083t+3.6732℃≤t<44℃
0t≥44℃t为日平均温度
水分对作物生长的满足程度可由水分的收入和支出之比表示。
农作物生长过程中,主要水分收入项是自然降水和人工灌溉,支出项是蒸散。
在不考虑人工灌溉情况下,水分影响函数可以表示为:
f(W)=P•(ETm)-1
式中,P为降水量,ETm为作物需水量(农田最大可能蒸散量),由Penman公式计算。
13.日照时数
日照是指太阳在一地实际照射的时数。
在一给定时间,日照时数定义为太阳直接辐照度达到或超过120W·m-2的那段时间总和,以h为单位,取1位小数。
日照时数也称实照时数。
日照时间的长短对作物能否正常生长关系很大。
一个地方日照时数的多少,如果没有云雾和山脉的影响,太阳可能照射时间就决定于纬度的高低,且随季节的变化而不同。
但同纬度地区实际日照时间,由于地形的不同和云量多少而有差异。
观测日照的仪器有暗筒式日照计、聚焦式日照计等。
14.光合有效辐射
植物能正常地生长发育,完成其生理学过程的光谱区,通常称之为辐射的生理有效区。
在这个波长范围内,量子的能量能使叶绿素分子处于激发状态,并将自己的能量消耗在形成处于还原形式的有机化合物上,这段光谱称为光合有效辐射,即进行光合作用的那一部分光谱区。
光合有效辐射使用光合有效辐射计直接观测获得。
15.积雪
积雪的初日、终日、深度。
①地面状况
积雪深度为自积雪表面到地面的垂直深度,以cm为单位,取整数。
选择一地势平坦,方圆1km2内没有建筑物的区域作为积雪观测地段。
在观测地段中确定一中心点,使用GPS定位,编号记录并上报备案。
每次观测在中心点附近进行5个重复的积雪深度测定,取其平均值作为积雪深度的观测值。
积雪分布为降雪过程后,某区域内积雪的分布状况,在晴空且地面有大于1cm厚度积雪时进行调查。
在区域内选择适当路线,使用GPS定位,进行积雪分布情况调查,测定积雪深度。
②空间状况
卫星遥感积雪监测主要利用归一化积雪指数(NDSI)、亮温(T11μm)和可见光波段的反射率等多个物理量进行积雪信息的判识提取。
在可见光波段,地表和云、雪的反射率差异较大,云和雪高,地表低,以此作为识别晴空地表和雪面的主要依据;在远红外波段,地表和云、雪的亮温有明显差异,地表最高,雪其次,云尤其是中高云最低,以此作为区分积雪和中高云的主要依据;在近红外波段尤其是1.6μm附近,积雪的反射率低,云尤其低云高,以此作为识别积雪和低云的主要依据。
归一化积雪指数NDSI=(R可见光-R近红外)/(R可见光+R近红外)
其中R可见光和R近红外分别为可见光通道和近红外通道的反射率。
亮温Tb=ε1/4Tkin
式中,ε为发射率,Tkin为动力学温度。
大气成分
1.降水pH值
pH是评价水质的一个重要参数,是水中氢离子活度倒数的对数值。
当温度25℃、pH等于7时,溶液为中性,即氢离子和氢氧根离子的活度相等,相应各自的近似浓度为10-7mo1/L。
大气降水中pH值的大小反映了降水的酸碱性。
pH值小于7表示呈酸性,pH值大于7表示呈碱性。
酸雨是指pH值低于5.6的降水(湿沉降)。
煤炭燃烧排放的二氧化硫和机动车排放的氮氧化物是形成酸雨的主要因素;其次气象条件和地形条件也是影响酸雨形成的重要因素。
降水酸度pH<4.9时,将会对森林、农作物和材料等产生明显损害。
一般采用电位计法进行测定。
通过配制两种pH标准缓冲溶液,在溶液温度为25土0.1℃时,对仪器和电极进行定位与校正。
仪器经校正定位后,进行样品测定,直接从仪器上读出样品稳定的pH值。
2.降尘总量
大气降尘是指从大气中靠重力作用自然沉降到地面的颗粒物,其直径一般大于10μm。
颗粒物在地面上的自然沉降能力主要决定于自身质量及粒度大小,但其它一些自然因素如地形和气象条件(风、雨、雪、雹、雾等)也起着一定作用。
大气降尘总量观测采用重量法。
即大气中的颗粒物自然降落在集尘缸内,经蒸发、干燥、称重,再根据集尘缸口的面积,计算出大气降尘总量值,单位为t/km2·d。
大气降尘总量W=[(W1﹣Wa﹣Wb)/(S×n)]×104
其中W为降尘总量,t/km2·d;W1为在105℃下,降尘总量加蒸发皿质量,g;Wa为在105℃下,烘干的蒸发皿质量,g;Wb为在105℃下,2.0ml0.1N硫酸铜溶液蒸发至干后的质量,g;S为集尘缸口面积,cm2;n为采样天数,d。
生物
1.物候期
物候是指自然环境中植物、动物生命活动的季节现象和在一年中特定时间出现的某些气象、水文现象。
它包括植物的发芽、展叶、开花、果实成熟、叶变色、落叶等;侯鸟、昆虫以及其它动物初见、初鸣、绝见、终鸣等;霜、雪、闪电、雷声、结冰等气象、水文现象。
作物物候期的观测,是根据其外部形态变化,记载作物从播种到成熟的整个生育过程中发育期出现的日期。
以了解发育速度和进程,分析各时期与气象条件的关系,鉴定农作物生长发育的农业气象条件。
当观测植株上或茎上出现某一发育期特征时,即为该个体进入了某一发育期。
地段作物群体进入发育期,是以观测的总株数中进入发育期的株数所占的百分率确定的。
第一次大于或等于10%为发育始期,大于或等于50%为发育普遍期,大于或等于80%为末期。
植物(牧草)物候期的观测则选取能代表当地植被(草场)类型的主要植物(草种),发育期的观测一般只记始期、普遍期,当进入发育期的株(丛)≥10%时为始期,≥50%时为普遍期。
2.叶面积指数
单位土地面积上植物绿色面积与土地面积的比值。
动态监测叶面积指数,是研究环境气象因子、土壤因子对植株生长影响的基础。
①叶面积仪法
用叶面积仪测定植株上各叶片的叶面积,得出单株叶面积;调查单位面积(1m2)的丛株数;计算单位面积的叶面积;计算叶面积指数。
②长*宽*校正系数法
测量叶片宽度:
量取样本植株每片绿色完全展开完整叶片的长度Li和最大宽度Di;
计算单株叶面积(S1):
单株上各叶片长宽乘积之和与校正系数之积;
S1=Σli×Di×k
计算1m2叶面积(S2):
单株叶面积与1m2株(m)之积;
S2=S1×m
计算叶面积指数:
单位土地面积(S)上的绿色叶面积的倍数。
LAI=S2/S
③卫星遥感法
LAI={ln[(1-NDVI/A)/B]}/C
式中,A、B、C均为经验系数。
A、B通常接近于1,对于小麦,叶角为球形分布,C通常为0.5。
其中,A值是由植物本身的光谱反射确定;B值与叶倾角、观测角有关;C值取决于叶子对辐射的衰减,这种衰减呈非线性的指数函数变化。
3.干物质重量
植物植株经过干燥后的重量。
植物干物质是光合作用的产物,其重量是植物生长状况的基本特征之一。
一般采用烘干法测定。
将采集的植物样品分器官,放入恒温干燥箱内烘干至恒重,可获得植株分器官干物质重、植株干物质重。
用于分析环境气象因子、土肥因子对植物叶、茎、籽粒(果实)等及植株的影响。
4.植物丰富度
植物丰富度是物种多样性的一个最重要和最基本的指标,它是指样地群落中所出现的物种数量。
采用样方法获取群落中所出现的植物种类数量。
一般草原仅需1m2,而稀疏的草原则需4m2或16m2,森林通常采用100m2。
5.植被覆盖度
植被覆盖度指植被冠层的垂直投影面积(长度)占对应土地面积(长度)的百分比,即植土比。
覆盖度是评估地面植被生长状况、生态环境好坏的一个重要参数。
①地面测定法
在荒漠、半荒漠地区,灌木、半灌木或非常稀疏的植被用线段法测定。
在灌丛生长状况具有代表性的地方,取长度为50m的两个重复,共100m,将皮尺在植株上方水平拉过,垂直观测皮尺下植株覆盖地面的各段长度,以cm为单位取整数,计算植株覆盖地面的各段长度总和占总长度的百分比。
②卫星遥感法
f=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)
式中,f为覆盖度;NDVI为所求像元的植被指数;NDVImin、NDVImax分别为区域内NDVI的最小、最大值。
6.植被长势
植被长势是一个综合性定量概念,反映植物的生长状况,它包括植被、盖度、高度、季相、植株含水量和干物质数量。
植被长势是预测预报植物生物量的重要依据。
主要采用卫星遥感方法。
①比值植被指数(RVI)
由于可见光红波段(R)与近红外波段(NIR)对绿色植物的光谱响应十分不同,因此两者简单的数值比——比值植被指数(RVI)能充分表达两反射率之间的差异。
比值植被指数可提供植被反射的重要信息,是植被长势、丰度的度量方法之一。
比值植被指数与叶面积指数、叶干生物量、叶绿素含量相关性高,被广泛用于估算和监测绿色植物生物量,在植被高密度覆盖情况下,它对植被十分敏感,与生物量的相关性最好,但当植被覆盖度小于50%时,它的分辨能力显著下降。
RVI=DNNIR/DNR
DNNIR和DNR分别为近红外、红波段的计数值(灰度值)
或RVI=ρNIR/ρR
ρNIR和ρNIR分别是近红外和红波段的反射率
②归一化植被指数(ND
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