遥感地学分析—植被遥感原理.ppt
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遥感地学分析遥感地学分析第一章第一章植被遥感植被遥感一、植被遥感原理一、植被遥感原理二二、植被分类、植被分类三、植被生态参数的估算三、植被生态参数的估算四四、与光合作用有关的物理量的估算、与光合作用有关的物理量的估算五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测五、中国及中亚地区荒漠化遥感监测研究研究主要内容植被n植被植被是是生长于地球表层的各种植物类型的总生长于地球表层的各种植物类型的总称称,在地球系统中扮演着重要的角色,它是,在地球系统中扮演着重要的角色,它是地球表层内重要的再生资源。
地球表层内重要的再生资源。
n植被是全球变化中最活跃、最有价值的影响植被是全球变化中最活跃、最有价值的影响要素和指示因子(找水、矿)。
要素和指示因子(找水、矿)。
n植被影响地气系统的能量平衡植被影响地气系统的能量平衡,在气候、水文在气候、水文和生化循环中起着重要作用和生化循环中起着重要作用,是气候和人文因是气候和人文因素对环境影响的敏感指标。
素对环境影响的敏感指标。
植被n因此因此,地球植被及其变化一直被各国科学地球植被及其变化一直被各国科学家和政府所关注。
家和政府所关注。
n卫星遥感是监测全球植被的有效手段卫星遥感是监测全球植被的有效手段,为为人类提供了监测、量化和研究人类有序人类提供了监测、量化和研究人类有序活动和气候变化对区域或全球植被变化活动和气候变化对区域或全球植被变化影响的可能。
影响的可能。
植被遥感研究的主要内容:
n
(1)通过遥感影像从土壤背景中区分出植被)通过遥感影像从土壤背景中区分出植被覆盖区域,并对植被类型进行划分,区分是覆盖区域,并对植被类型进行划分,区分是森林还是草场或者农田,进而可以问是什么森林还是草场或者农田,进而可以问是什么类型的森林,什么类型的草场,什么样的农类型的森林,什么类型的草场,什么样的农作物,如此等等。
作物,如此等等。
n
(2)能否从遥感数据中反演出植被的各种重)能否从遥感数据中反演出植被的各种重要参数,例如叶面积指数(要参数,例如叶面积指数(LAI)、叶子宽度、)、叶子宽度、平均叶倾角、植被层平均高度、树冠形状等平均叶倾角、植被层平均高度、树冠形状等等,这一类问题属于更深层次的遥感数据定等,这一类问题属于更深层次的遥感数据定量分析方法与反演技术。
量分析方法与反演技术。
植被遥感研究的主要内容:
n(3)能否准确的估算出与植被光合作用有关)能否准确的估算出与植被光合作用有关的若干物理量,例如植被表面水分蒸腾量、的若干物理量,例如植被表面水分蒸腾量、光合作用强度(干物资生产率)、叶表面温光合作用强度(干物资生产率)、叶表面温度等。
度等。
关于植被资源的清查与分类方面以已取得了较为关于植被资源的清查与分类方面以已取得了较为突出的成绩,后两个问题正是植被遥感所要突出的成绩,后两个问题正是植被遥感所要研究的问题,虽已取得了相当的进展,但到研究的问题,虽已取得了相当的进展,但到成熟仍需时日。
成熟仍需时日。
一、植被遥感原理一、植被遥感原理v植被遥感不仅依赖于对植被遥感不仅依赖于对单张植物叶片单张植物叶片的光的光谱特性,还需进一步认识谱特性,还需进一步认识植被冠层植被冠层的光谱的光谱特性。
特性。
v11、植物叶片结构、植物叶片结构叶片是绿色植物的主要受光面积,也是遥感传叶片是绿色植物的主要受光面积,也是遥感传感器所接收到的植被信号的主要贡献者。
分为感器所接收到的植被信号的主要贡献者。
分为异面叶异面叶和和等面叶等面叶两种。
两种。
异面叶异面叶的叶肉组织有较大分化,形成的叶肉组织有较大分化,形成栅栏组织栅栏组织和和海绵组织海绵组织,故叶片上下面的受光情况不同,故叶片上下面的受光情况不同,上呈深绿色,下呈淡绿色。
上呈深绿色,下呈淡绿色。
等面叶等面叶的组织分化不明显。
的组织分化不明显。
(一)单张叶片光谱
(一)单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v11、植物叶片结构、植物叶片结构叶片一般具有三部分:
叶片一般具有三部分:
表皮表皮、叶肉叶肉和和叶脉叶脉表皮表皮:
包围整个叶片,由一层或多层组成。
表:
包围整个叶片,由一层或多层组成。
表皮细胞扁平,排列紧密,通常皮细胞扁平,排列紧密,通常不含叶绿体不含叶绿体,外,外表常有一层表常有一层角质层角质层。
(一)单张叶片光谱
(一)单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v11、植物叶片结构、植物叶片结构叶肉叶肉:
为表皮内的同化薄壁组织,有两种:
为表皮内的同化薄壁组织,有两种:
(11)栅栏组织栅栏组织:
紧靠上表皮下方,呈圆柱状,垂:
紧靠上表皮下方,呈圆柱状,垂直于表皮细胞,并紧密排列呈栅状,直于表皮细胞,并紧密排列呈栅状,内含较多内含较多叶绿体叶绿体。
在两面叶或针形叶,栅栏组织亦分布。
在两面叶或针形叶,栅栏组织亦分布于下表皮上方或整个表皮内侧四周,但亦有一于下表皮上方或整个表皮内侧四周,但亦有一些水生及阴生植物的叶是完全没有栅栏组织的。
些水生及阴生植物的叶是完全没有栅栏组织的。
(22)海绵组织海绵组织:
细胞形状多不规则,:
细胞形状多不规则,内含较少叶内含较少叶绿体绿体,位于,位于栅栏组织下方栅栏组织下方,层次不清,层次不清,排列疏排列疏松松,状如海绵。
,状如海绵。
(一)单张叶片光谱
(一)单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v11、植物叶片结构、植物叶片结构叶脉叶脉:
为贯穿于叶肉间的维管束。
主脉部分维:
为贯穿于叶肉间的维管束。
主脉部分维管束较粗大,侧脉及小脉部分维管束较细小。
管束较粗大,侧脉及小脉部分维管束较细小。
叶脉具有输导和支持的作用,是盐分和水分的叶脉具有输导和支持的作用,是盐分和水分的运输管道,也是光合作用产物的运输通道。
运输管道,也是光合作用产物的运输通道。
(一)单张叶片光谱
(一)单张叶片光谱特性及影响因素特性及影响因素v22、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和透射特性
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素入射辐射入射辐射外部反射外部反射内部反射内部反射透射辐射透射辐射反射辐射反射辐射散散射射辐辐射射入射辐射入射辐射-散射辐射散射辐射=吸收辐射,用于增加植物体温和光合作用吸收辐射,用于增加植物体温和光合作用v22、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和透射特性
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素1)绿色叶片反射和透射光谱非常相似;)绿色叶片反射和透射光谱非常相似;2)叶片对紫外线吸收很大,达)叶片对紫外线吸收很大,达90%-99%;3)叶片对可见光以吸收为主(约)叶片对可见光以吸收为主(约90%),且蓝),且蓝-紫光紫光(0.38-0.47um)和橙)和橙-红光(红光(0.62-0.68um)的光合有的光合有效辐射吸收最大,约效辐射吸收最大,约90%,绿光吸收最少,吸收率为,绿光吸收最少,吸收率为50%-90%。
4)从)从0.69um始,叶片对近红外始,叶片对近红外辐射的吸收迅速减小,在辐射的吸收迅速减小,在0.76和和1.2um间有最小吸收率,间有最小吸收率,5-25%,故反射和透射最大。
,故反射和透射最大。
v22、单张叶片的反射、吸收和透射特性单张叶片的反射、吸收和透射特性
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素5)超过)超过1.2um,又以吸收为主,且在,又以吸收为主,且在1.4、1.9和和2.7um出现液态水吸收带,吸收作用增强,达到出现液态水吸收带,吸收作用增强,达到70-95%。
6)1.3um的短波红外,入射能基本均被吸的短波红外,入射能基本均被吸收或反射,透射极少。
收或反射,透射极少。
植物叶片的反射、透射和吸植物叶片的反射、透射和吸收特性随种类、生长期、病收特性随种类、生长期、病害及入射波长不同而变化,害及入射波长不同而变化,故可依据此识别植被、诊断故可依据此识别植被、诊断病害及估产。
病害及估产。
v33、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v11)叶片生化组分)叶片生化组分v叶片生化组分包括叶片生化组分包括水水、叶绿叶绿素素、胡萝卜素胡萝卜素、纤维素纤维素和和蛋蛋白质白质等,它们决定了叶片的等,它们决定了叶片的吸收特性。
吸收特性。
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素v植物的光谱特性受植物的光谱特性受叶子总含水量叶子总含水量的的控制控制,反射率与,反射率与总含水量呈相关关系。
总含水量呈相关关系。
不同水分含量玉米叶子反射曲线不同水分含量玉米叶子反射曲线v33、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v11)叶片生化组分)叶片生化组分v在可见光谱段内,植物光谱特性主要受在可见光谱段内,植物光谱特性主要受叶内各叶内各种色素种色素(叶绿素和胡萝卜素等)的支配,其中(叶绿素和胡萝卜素等)的支配,其中叶绿素叶绿素起最主要的作用。
起最主要的作用。
v因色素强烈吸收,叶片的反射和透射都很低。
因色素强烈吸收,叶片的反射和透射都很低。
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素v33、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v11)叶片生化组分)叶片生化组分v叶绿素叶绿素a、b,导致,导致0.45m与与0.67m为中心形为中心形成两个强烈的吸收带;成两个强烈的吸收带;v胡萝卜素、叶黄素导致胡萝卜素、叶黄素导致0.43m-0.48m范围范围内形成强烈的吸收带。
内形成强烈的吸收带。
v两吸收谷间(两吸收谷间(0.54m附近)吸收相对较少,附近)吸收相对较少,形成绿色反射峰(形成绿色反射峰(10%-20%)。
)。
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素组分吸收组分吸收不同色素影响反射率n植物叶子中含有多种色素,如植物叶子中含有多种色素,如叶青素叶青素、叶红素叶红素、叶黄素叶黄素、叶绿素叶绿素等,在可见光等,在可见光范围内,其反射峰值落在相应波长范围范围内,其反射峰值落在相应波长范围内。
内。
不同颜色叶子的反射光谱不同橡树叶子的反射特性不同橡树叶子的反射特性12a34a.b.c.05101520253035Blue(0.45-0.52mmm)PercentReflectanceGreenleafYellowRed/orangeBrown42134540Green(0.52-0.60mmm)Red(0.63-0.69mmm)Near-Infrared(0.70-0.92mmm)d.随着植物生长,随着植物生长,叶绿素减少、叶绿素减少、其它色素增加、其它色素增加、红光附近反射率红光附近反射率上升上升不同色素影响反射率不同生长状不同生长状态橡树叶子态橡树叶子反射特性反射特性v33、叶片反射波谱的影响因素叶片反射波谱的影响因素v11)叶片生化组分)叶片生化组分v蛋白质、纤维素蛋白质、纤维素+木质素木质素的吸收在的吸收在波长大于波长大于1.9um后有增加趋势,即该类化学成分在可见后有增加趋势,即该类化学成分在可见光光-近红外区对植物反射率影响很小,但在短近红外区对植物反射率影响很小,但在短波红外影响增大。
波红外影响增大。
v因此,可利用短波红外光谱判断植物是否缺肥因此,可利用短波红外光谱判断植物是否缺肥并可进行氮含量的定量估算。
并可进行氮含量的定量估算。
(一)单张叶片光谱特性及影响因素
(一)单张叶片光谱特性及影响因素短波红外吸收特征短波红外吸收特征v33、叶片反射波谱影响因素叶片反射波谱影响因素v22)叶片内部结构:
)叶片内部结构:
在在0.7m-1.3m近红外谱段,植物光谱特性主近红外谱段,植物光谱特性主要取决于要取决于叶片内部的细胞结构叶片内部的细胞结构,叶片反射与透,叶片反射与透射能各占射能各占4550%左右,吸收则很少。
左右,吸收则很少。
因为,透入叶子内部的光线,因细胞壁与细胞因为,透入叶子内部的光线,因细胞壁与细胞孔腔的折射率有明显差异,造成光线在叶子内孔腔的折射率有明显差异,造成光线在叶子内部的多次反射与折射。
部的多次反射与折射。
由于植物类别间的叶片结构差异很大,故不同由于植物类别间的叶片结构差异很大,故不同植物在近红外区的反射差异比在可见光区大的植物在近红外区的反
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