国科大植被遥感期末复习总结

植被遥感期末复习总结垂直结构：激光雷达植被水平：高分辨率光学遥感物候特征：时序卫星遥感一、植被生理生态基础1.能量平衡各环节中，植被生态系统的作用：①冠层反射率是地球系统辐射强迫的直接驱动要素；植被覆盖变化改变能量平衡②蒸散（ET）以潜热方式降低地表温度2.植被覆盖与气候变化：①仅考虑短波辐射形式地表反照率（albedo）：∵植被反照率＜裸地albedo∴植被减少，地表反射能量↑，地表温度↓②考虑albedo与ET综合贡献：a.低纬度地区：ET潜热贡献大（甚至大于显热H），ET减少，植被减少，地表温度↑b.高纬度地区：albedo增加导致的辐射强迫变化大于ET减小的增温作用，植被减少，地表温度↓*潜热：地球储存热量ET：影响地表能量辐射3.GPP：总初级生产力NPP：净初级生产力NPP=GPP-Ra（植物自养呼吸）NEP：净生态系统生产力NEP=NPP-Rh（异样呼吸）orNEP=GPP-（Ra+Rh）NEE：净生态系统碳交换量NEE=-NEPNBP：净生物群系生产力NBP=NEP-非呼吸消耗的扰动量CO2通量往往与NEP相等，当植被繁茂时也可近似看做NPP4.物质循环：H2O、C、N（光合、呼吸）*C循环带动其他物质循环。RS在C循环中的作用：提取与陆地生态系统C循环有关参数驱动模型；生成植被指数直接/间接估算C通量（尚无这样的指数，但SIF可推GPP有这样的迹象）NDVI→NPP、LUE、RE*H2O循环既是物质循环又是能量循环*温室气体（H2O/CO2/CH4）影响大气5.PFT：环境条件响应+对生态系统过程影响相似（外貌、叶型、叶属性、光合途径）二、植被反射率光谱原理与特征1.反射率（地物反射率reflectance）：用于衡量物质反射本领。定义为物体表面反射能量与到达物体表面入射能量的比值。ρ=πL/E反照率（albedo）：用于反映地表对太阳辐射的吸收能力。地表在太阳辐射的影响下，反射辐射通量与入射辐射通量的比值。区别：①reflectance是指某一波段向一定方向的反射，albedo是反射率在所有方向上的积分。②reflectance是波长的函数，不同波长reflectance不一样；albedo是对全波长而言的。2.表观反射率：遥感器观测到的辐射信号与太阳入射辐射信号的比值TOC、TOA传感器位置不同TOC：在冠层或近地表水平，对于植被对象的遥感表观反射率TOA：对于卫星，遥感器入瞳处的上行辐射与大气顶层的太阳入射辐射能量的比值*TOC忽略了日光诱导叶绿素荧光（SIF）的贡献（上行辐射）；TOA忽略了大气多次散射和辐射、临近像素的反射和辐射（上行辐射）的影响。因此TOA中除地物本身的反射/吸收信息外，还包含大气吸收特征，即有大气程辐射和大气吸收的影响。*到达水平地表的太阳入射能量≠到达地物的太阳入射能量（坡度、地形、遮挡等，且对于垂直分布差异大的高分辨率图像，到达地物面与水平地表的太阳入射能量有差异）3.BRDF与BDF：①BRDF（二向反射分布函数）：来自方向地表辐照度微增量与其所引起方向的反射辐射亮度增量之比。BRDF描述入射光与非透明表面相互作用的函数，包括入射角与观测的天顶角和方位角。②BDF（二向反射率因子）：相同辐照度条件下，观测方向的地物反射辐亮度与一个理想的漫反射体在该方向的反射辐亮度之比。*数值上：BDF=πBRDF，BRDF特性与环境辐射无关，BRF则与环境有关。4.方向性：方向性反射与尺度关联根据成像条件和测量模式的差异：①方向-方向反射率：入射光为平行直射光或可忽略散射光；波谱测量仪仅测定某特定方向的反射能量。eg：强天测量地物反射率波谱≈BRDF②半球-方向反射率：入射能量在2π半球空间分布；波谱测量仪仅测定某特定方向的反射能量。eg：全阴天用地物波谱仪测散光处反射率③方向-半球反射率：入射光为平行直射光或可忽略散射光；波普测量仪测定2π半球空间的平均反射能量。eg：积分球原理测定反射率波谱④半球-半球反射率：入射能量在2π半球空间分布；波普测量仪测定2π半球空间的平均反射能量。eg：地物反照率波谱5.植被反射光谱形状：（680、970、1400）植物反射光谱随叶片中的H2O、色素、干物质（N/其他生化组分）、叶片结构不同，在不同波段会呈现不同形态和特征。作物冠层光谱特性受冠层结构（植被种类）、生长状况、土壤背景、天气状况等因素影响。6.植被指数：①植被特征提取方法：植被指数、植被吸收/反射特征、特征光谱位置……②red（红光波段）、NIR（近红外波段）a.RVI（比值植被指数）、NDVI（归一化植被指数）过原点的直线上，RVI与NDVI值相等，距NIR轴距离越近，值越大，植物越茂密；其反演的植被参数也满足这一特性b.PVI（垂直植被指数）平行于土壤线的直线PVI等值，距土壤线越近，PVI越大c.SAVI（土壤调节植被指数）协调PVI与NDVI/RVI的矛盾：低植被覆盖区PVI；高植被覆盖区NDVI/RVId.ARVI（抗大气植被指数）引入蓝光波段以抵消红光波段大气传输影响，NDVI优化e.EVI（增强型植被指数）综合了ARVI&SAVI的优点EVI指数能消除热点现象，且有更好的敏感性*ARVI/RVIPVISAVIEVINDVI→ARVI7.红边位置：随叶绿素含量、生物量、叶片结构参数变化蓝移：植被由于病虫害or因污染、物候变化而“失绿”，红边向蓝光方向移动红移：植被生物量、色素含量高，生长旺盛时，红边向长波方向移动三、植被遥感模型1.PROSPECT叶片光学模型：基于Allen平板模型只考虑叶绿素的吸收、存在一定局限性，目前的PROSPECTV5版中已考虑胡萝卜素的吸收影响输入参数：叶片结构参数N、叶绿素含量Cab、含水量H2O、干物质含量Cm输出参数：叶片反射率与透过率2.其他叶片光学特性模型光子追踪模型（细胞结构）、N通量模型、针叶模型3.冠层辐射传输模型①SAIL模型考虑角度，观测/太阳观测角、天顶角②冠层结构模拟：单/双参数冠层叶倾角分布函数③PROSAIL冠层辐射传输模拟模型：由叶片光学特性模型PROSPECT和冠层反射模型SAIL耦合而成的叶片-冠层光谱模拟模型。输入参数：叶面积指数LAI、平均叶倾角、叶片反射率与透射率、观测天顶角与观测方位角、太阳天顶角与太阳方位角、土壤反射率、天空散射光比例输出参数：冠层反射率4.几何光学模型5.计算机模拟模型四、地表植被参数遥感定量反演1.植被参数定量遥感反演：遥感辐射传输模型模拟的反向过程植被参数反演需了解：①反演植被参数类型②参数反演机制③选择合适RS反演方法2.参数类型：①植被生化组分参数：叶绿素、H2O、N、木质素等两种尺度（叶、冠）量纲问题：a.叶片尺度：决定叶片光学特性的是叶片生化组分含量，即单位叶面积生化组分质量，mg·cm-2反演叶片生化组分浓度时，叶片厚度与比叶重信息可能是主导要素，影响光谱探测与反演b.冠层尺度：决定冠层光学特性的是冠层内叶片生化组分含量，即单位土地面积生化组分质量，mg·cm-2反演冠层内叶片生化组分浓度时，冠层生物量和叶面积指数可能是主要因素，即冠层群体大小影响光谱探测与反演②植被生物物理参数：高分辨率信息→覆盖度F、树高、冠幅等激光LIDAR→树高、LAI等（LAI对角度的敏感性）多角度RS信息→叶倾角分布LAD等③植被与环境相互作用要素（生理生态、光学属性）a.光合、呼吸相关参数：NPP、荧光等b.蒸腾相关参数：ET、水势、利用率c.光学特性参数：FPAR、albedo、reflectanceFPAR（光合有效辐射吸收系数）：植被冠层吸收光合有效辐射与入射光合有效辐射的比值3.反演机制：①基于光谱反射/辐射原理的RS直接反演生化组分：叶绿素、H2O、N…生物物理参数：LAI、F…②基于高分辨率的植被参数RS反演F、冠层结构参数（株高、冠幅…）手段：高分辨率光学、激光LIDAR③基于植被参数物理关联的间接反演叶绿素→N森林株高→生物量/C储量/LAI④基于先验知识（自然规律，非电磁波/辐射）间接反演4.反演方法：①统计方法光谱和空间特征信号→建立参数参数的统计相关模型统计模型只对统计样本有效：机制→有效性→检验②物理模型反演方法：流程图例③混合反演方法④半经验方法5.困难与挑战①弱组分独立反演十分困难②空间异质性难以精确建模表达③病态反演：模型+观测量均有误差→不确定性增加④尺度效应⑤实验测量问题：成本、精度、优化模型6.反演模型：①PROSPECT叶片水平反演：利用模拟数据反演Cab/H2O/Cm，效果较理想利用实测数据反演H2O效果不理想，∵光谱数400~1200mm，H2O吸收1200mm后②PROSAIL模型作物信息反演：PROSPECT：叶片光学特性的模拟SAIL：冠层辐射传输的光学辐射传输模型五、真实性检验与尺度效应&生物物理反演案例