基于混合像元分解模型的森林叶面积指数反演

在叶面积指数（LAI）遥感估算中,常用的基于统计的遥感反演方法难以处理"同物异谱,同谱异物"的难题,该文从研究地物组分物理结构着手,采用像元分解的方法建立LAI的遥感反演模型,不仅能很好的解决这个难题,而且反演方法简便可行、具有普适性。该研究先对TM数据做最小噪声分离（MNF）并基于影像本身选择端元,经混合像元分解得到研究区植被覆盖度,再根据植被覆盖度与LAI的关系,用多次散射过程冠层模型求解迭代的方法逐步逼近准确的LAI值。最终选择植被、土壤、水体和水泥建筑4个端元,采用非限制性线性混合像元分解模型来分解影像,4个端元分解影像的平均误差为0.0028,端元质量好,分解效果较好。结果证明：混合像元分解模型和多次散射过程冠层模型相结合来反演森林叶面积指数的方法,能很好的预测森林LAI;研究区样点实测值与预测值的拟合度R2为0.8219,均方根误差RMSE为0.368,两者存在很强的相关性。该研究可为森林资源遥感定量估算提供技术支撑,为森林资源空间配置的优化调整与辅助解决方案的提出提供参考。     

基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测

果园精细管理中,苹果树冠层结构决定了叶幕期光照分布情况,而叶幕期光照分布又是关系到果实产量和质量的重要因素之一。该文以纺锤体苹果树为研究对象,提出了基于苹果树冠层计盒维数的光照分布预测方法。在冠层尺度内,按照网格法划分休眠期苹果树冠层三维点云数据,通过分析该数据构成的果树冠层空间结构,提出用计盒维数量化果树冠层结构的方法;通过分析休眠期冠层结构特征和叶幕期冠层相对光照分布特点,研究了休眠期苹果树三维冠层网格空间计盒维数与叶幕期冠层光照空间分布之间的关系,预测了叶幕成形期苹果树冠层光照分布。通过连续3 a的数据分析,叶幕期苹果树冠层阳面光照分布平均预测精度为76.11%,阴面平均光照分布预测精度为74.10%,该方法可为苹果树自动化修剪合理性评判提供技术支持。     

基于三维点云数据的苹果树冠层几何参数获取

针对果园环境下苹果树冠层参数获取精度较低的问题,提出了基于地面三维激光扫描仪高精度获取苹果树冠层参数的方法.选用Trimble TX8地面三维激光扫描仪作为苹果树冠层三维点云数据采集设备,提出了基于标靶球的KD-trees-ICP算法,用于高精度配准苹果树冠层三维点云数据.研究了平均风速小于4.5 m/s时,距离地面三维激光扫描仪不同远近条件下的标靶球配准残差和拟合误差的变化规律,分析结果表明,标靶球平均配准残差为1.3mm,平均拟合误差为0.95 mm,低于大场景测量配准误差要求(5mm).为了提高有风环境下提取苹果树冠层参数的精度,研究了0.9～4.5 m/s区间平均风速影响下的苹果树冠层枝干、果实、叶片的三维点云质量,建立了风速与叶片侧面厚度的曲线拟合模型,分析结果表明,在果园平均风速小于1.6 m/s时可以从苹果树冠层三维点云数据中提取高精度冠层参数.利用地面激光三维扫描仪获取距离苹果树12 000 mm以内冠层参数,测量精度高于人工测量,相对误差小于4％,为果树高通量信息获取提供了技术支持.     

针对TM/ETM+遥感数据的地表温度反演与验证

利用2001、2004、2005年水体、裸地、农田、草地上红外辐射计的观测数据,结合大气下行辐射与比辐射率数据,通过多种方法分别获取了像元尺度的地表温度实测值,并对基于TM/E1M<' >数据的3种遥感反演算法得到的地表温度进行地面验证.结果表明:3种遥感反演算法得到北京地区地表温度的空间分布趋势一致.与地面实测数据相比,辐射传输方程算法的结果略高于地面实测值,单窗算法的结果与地面实测值一致性最好,而普适性单通道算法的结果明显低于地面实测值.从单窗算法反演的北京市地表温度分布图中可以看出,北京城市热岛效应显著,总体上城区地表温度高于郊区,水体温度最低,而且不同下垫面的地表温度差异明显.     

苹果花期冠层反射光谱特征

苹果花期是果树生产与管理的关键阶段,对冠层反射光谱特征研究具有重要的理论和现实意义。该文以山东省栖霞市为研究区,通过实测的120棵苹果花期冠层反射光谱数据,在分析不同累计样本容量冠层反射光谱特征的基础上,用方差分析和相关分析的方法,系统地研究了苹果树有花与无花、不同花量、花期不同阶段、不同树龄及不同品种的冠层反射光谱特征。研究结果表明,随着累计样本容量的增加,冠层反射光谱曲线趋于稳定、平滑。有花与无花冠层光谱反射率在431～500、591～680、761～1 300 nm波段方差分析结果极显著（α=0.01）;不同花量的冠层与391～513、598～687、711～1 193 nm波段的反射率显著相关（p＜0.05）;在670 nm“红谷”附近,反射率随花量的增加而增大,在近红外761～1 300 nm波段,反射率随花量的增加而减小;不同品种之间,除嘎啦外,红富士、金帅和新红星之间不易区分。研究结果揭示了高光谱遥感在苹果花期信息获取方面的巨大潜力,为今后遥感反演模型的构建提供了依据。     

MODIS数据辅助的GF-1影像晴空光合有效辐射反演

面向农作物产量监测对中高分辨率遥感数据光合有效辐射(photosynthetically available radiation,PAR)反演的实际需求,该文选择山东省禹城市2014年1月至2014年12月共13景GF-1/WFV卫星影像作为数据源,基于中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)地表反射率产品作为辅助数据源,开发了适于业务运行的WFV数据气溶胶光学厚度(aerosol optical depth,AOD)及PAR的反演算法。算法核心是采用6S(second simulation of satellite signal in the solar spectrum)大气辐射传输模型,建立包括AOD在内的大气参数与查找表(look-up table,LUT),结合大气顶层太阳入射辐照度及卫星入瞳处辐射亮度值反演地表反射率数据,通过与WFV蓝光波段地表反射率数据对比获取大气参数。通过反演的大气参数计算400~700 nm连续光谱区间的PAR值,并建立WFV数据离散红、绿、蓝光波段与连续光谱区间PAR的转换系数,实现WFV数据PAR的反演。其中,WFV蓝光波段反射率数据与MODIS地表反射率数据关系、离散到连续谱段PAR的关系可以从美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)提供的典型地物波谱库数据理论计算获取。利用中国生态系统研究网络(chinese ecosystem research network,CERN)禹城站地面观测值进行验证结果表明,该文提出的算法总体精度达到92.63%,平均绝对误差为14.56 W/m~2,平均相对误差7.37%,具有业务应用的潜力。     

基于无人机热红外与数码影像的玉米冠层温度监测

快速、准确、无损地获取田间玉米冠层温度,对实现无人机辅助玉米抗旱性状的监测具有重要的意义。该文以无人机搭载热红外成像仪和RGB高清数码相机构成低空遥感数据获取系统,以不同性状的拔节期玉米为研究对象,采集试验区的无人机影像。利用含有已知三维坐标的几何控制板,进行数码影像几何校正,并利用校正后的数码影像对热红外影像进行几何配准。利用便携式手持测温仪测量辐射定标板黑白面的温度,对热红外影像进行辐射定标。利用高空间分辨率的数码影像对玉米进行分类并二值化处理,基于二值化结果提取热红外影像的玉米冠层像元,并提取试验区不同性状玉米的冠层温度。同时,利用便携式手持测温仪在地面同步测量玉米冠层温度,并与提取的冠层温度经行一致性分析,以验证评估基于热红外影像提取玉米冠层温度的效果。结果表明:提取的冠层温度值与地面实测值具有高度一致性(R2=0.723 6,RMSE=0.60℃),提取精度较高,表明基于无人机热红外影像获取玉米冠层温度的方法具有高通量的优势且精度较高。最后将试验区的植被覆盖度与提取的冠层温度进行对比分析,结果表明:玉米冠层温度与其覆盖度有显著的相关性(R2=0.534 5,P0.000 1),覆盖度越高冠层温度越低,反之则越高,说明玉米冠层覆盖度的大小影响玉米冠层温度的高低。该研究可为玉米育种材料的田间冠层温度监测提供参考。     

基于无人机平台的柑橘树冠信息提取

为了快速获取柑橘树冠信息,提升柑橘园精准管理,该研究基于无人机平台获取了柑橘数码和多光谱影像,分析了无人机影像反演柑橘树冠信息的效果。首先利用无人机数码影像及分水岭算法进行柑橘单木分割,然后构建柑橘树冠层高度模型,提取柑橘株数、株高、冠幅投影面积等结构参数信息,进而利用无人机多光谱影像获取柑橘的8种常用植被指数,采用全子集分析法筛选柑橘冠层氮素含量的敏感植被指数,构建基于多元线性回归的冠层氮素遥感反演模型,进行以冠幅为基本单元的柑橘树冠层氮素含量遥感制图。研究结果表明:柑橘的单木识别准确率在93%以上,召回率在95%以上,平均F值为96.52%;柑橘树的反演株高与实测株高具有较强的相关性,决定系数R2为0.87,均方根误差为31.9cm;单株冠幅投影面积与人工绘制的冠幅面积的决定系数,除果园A在12月的结果较低(R2为0.78)外,其余均在0.94及以上;采用全子集分析法筛选的柑橘冠层氮素敏感植被指数为归一化植被指数(NDVI)、绿色归一化植被指数和冠层结构不敏感指数,所建立的多元回归模型的决定系数R2达0.82,均方根误差为0.22%,相对误差为6.59%。综上,无人机影像在柑橘树冠参数信息提取方面具有较好的应用效果,能够快速有效地提取柑橘树冠参数信息。该研究可为使用无人机平台进行果园精准管理提供技术支撑。     

利用EOS-MODIS数据提取作物冠层温度研究

利用EOS-MODIS遥感数据，基于线性混合模型，提出了一种新的作物冠层温度反演方法。首先，利用EOS-MODIS数据提取了陆地表面温度LST和植被指数NDVI。然后，假定地表只有植被和裸地两种组分，通过植被指数温度VI-Ts方法来估算裸土的组分温度，作物冠层温度通过线性混合模型来求解。为了验证反演的地表温度和冠层温度的精度，把反演的地表温度与NASA MODIS地表温度产品进行差值运算，在差值图像中90%以上的像元灰度值分布在-1和1之间，像元灰度的平均值小于0.5；同时在河北固城农业气象试验站对冬小麦冠层温度进行同步观测，通过与反演的冠层温度进行比较，其误差在±1.5℃左右。结果表明，文中所提出的作物冠层温度反演方法精度较高，其结果能够满足有关作物生长模型以及土壤水分模型对输入参数的精度要求。     

GNSS双天线结合AHRS测量农田地形

为分析玉米雄穗对冠层可见光、近红外波段辐射传输特征的影响,运用四维轨道塔吊系统获取连续2 a玉米抽穗期的冠层光谱,并在抽穗初期和末期分别进行了3个梯度的剪穗试验,分析玉米抽穗期冠层二向反射率特征以及雄穗干物质含量特征。结果表明：1）比较抽穗期不同时间冠层反射率的模拟值和实测值得出,在抽穗初期实测值高于模拟值,随着生育期的推进,模拟值逐渐高于实测值。但在可见光波段整个抽穗期实测值均高于模拟值,在近红外波段模拟值总体高于实测值。2）分析不同穗梯度冠层二向反射率特征发现,在可见光波段,太阳主平面和垂直太阳主平面方向上,2个散射方向的无穗反射率值在所有观测角度上均最高,1/2穗次之,全穗最低;近红外波段,在太阳主平面方向,3个穗梯度反射率差异不大,但在垂直太阳主平面方向,后向散射方向反射率值总体高于前向散射方向反射率值,且无穗反射率值依然总体高于1/2穗和全穗;在垂直观测条件下得到相同的结果。3）分析PROSAIL模型模拟值和农学参数相关性,得出模拟值与叶绿素含量、叶面积指数在全波段呈显著负相关,无穗实测值和模拟值分别与叶面积指数和叶绿素含量相关性表现一致。4）在玉米整个抽穗期雄穗鲜质量变化差异较大,而干质量变化差异不大。研究可为修正辐射传输模型、提高模拟精度,使之更好地应用于植被理化参数反演提供科学依据。     

基于MODIS数据的东北地区大气水汽含量反演

利用2008年6-8月的MOD IS数据,通过两通道比值法和三通道比值法反演了东北地区的大气水汽含量,为了对比研究这两种方法,本文结合探空实测数据对反演结果进行了精度验证。结果表明,两通道比值法更适合东北地区的大气水汽含量反演,反演结果与探空实测数据线性方程的决定系数为0.81。进一步比较代表林地、农田、草地的探空站的反演值与实测值,发现两通道比值法均优于三通道比值法,其中林地的反演精度最高(方程的R2=0.92)。最后,利用两通道比值法的反演结果和土地利用分类数据对大气水汽含量的空间分布状况进行了分析,表明在其他条件相似时,大气水汽含量与土地利用类型之间有密切联系,各土地利用类型平均大气水汽含量的大小顺序在不同时间大致相同,除旱田外,均表现出水体水田湿地林地草地未利用地的变化规律,这与下垫面蒸散情况一致。     

基于光谱特征分析的苹果树叶片营养素预测模型构建

该文旨在利用光谱分析技术建立高精度苹果叶片营养素预测模型,为苹果树的精细管理提供技术支持。在苹果树年度生长周期的坐果期、生理落果期和果实成熟期等重要物候期,采集了180个果树叶片样本并测量了果树叶片在可见光和近红外波段的反射光谱,同时在实验室采用化学方法获取了果树叶片的氮素以及叶绿素含量。对于聚类后样本,分别分析了果树叶片反射光谱以及经小波滤波后的反射光谱与叶绿素以及氮素之间的相关关系,而后利用偏最小二乘和支持向量机（SVM,support vector machine）方法分别建立了果树叶片叶绿素和氮素含量的回归模型。研究发现,随着生长阶段的推进,在可见光处的反射率逐渐升高,在近红外处的反射率逐渐降低,且基于小波滤波反射光谱的营养素SVM回归模型精度最高：建立的叶绿素回归模型,其测定系数R2达到0.9920,均方根误差 RMSE为0.0039,验证精度R2达到0.9036,RMSE为0.1979;建立的氮素回归模型,其测定R2和验证R2也达到0.74以上,模型的回归RMSE为0.0554,验证RMSE为0.1215。结果表明,采用支持向量机回归模型可以精确估计果树叶片叶绿素含量,对氮素含量的估计精度也达到了实用化水平。     

Seasonal variation in canopy reflectance and its application to determine the water status and water use by citrus trees in the Western Cape, South Africa

This study describes the diurnal and seasonal dynamics of the canopy reflectance, water use and water status of Midknight Valencia citrus trees under semi-arid conditions. Hyperspectral canopy reflectance data was collected on 30 trees at monthly intervals over a period of 16 months in a commercial orchard in South Africa. The mean canopy reflectance in the wavelength range 350-2500 nm followed a clear seasonal trend influenced by environmental conditions and tree phenology. Mean monthly reflectance peaked in summer (∼22%) while the lowest value (∼15%) was reached in winter with the seasonal changes in the sun's position accounting for a significant proportion of the variations. A sensitivity analysis of a Penman-Monteith transpiration model showed that water use by individual trees changed by up to 13% when the canopy reflectance was varied over the seasonal range of measured values. This suggested that the seasonal changes in tree water use influenced the seasonal trend of the canopy reflectance. Thus monitoring the canopy reflectance of citrus trees could offer information on the tree water status. To test this, sap flow data of water uptake and loss by the trees were compared with the canopy spectra. Sap flow data showed a heavy reliance by the citrus trees on the internally stored water with up to 25% of the daily total transpiration withdrawn from the trees’ internal water storage pools when soil water was limited. This depletion of internally stored water, and hence the change in tree water status, was detected using spectral indices based on the first order derivatives of the canopy reflectance centered at two and, at most, four spectral bands. We conclude that even if citrus trees are evergreen, their canopy reflectance changes significantly throughout the year with a considerable impact on tree energy balance and water use. In addition, the contribution of the internally stored water to daily transpiration is a possible indicator of drought stress for citrus trees detectable from changes in canopy reflectance and it has potential applications in irrigation scheduling using canopy level spectral information.     

台湾花东纵谷河床新兴地果园内之风向与风速变化

研究自2007年11月至2010年1月于台湾东部花东纵谷区域之台东县鹿野乡河床新兴地番荔枝栽植区,择定一面积32 000 m²之番荔枝果园为试区（22°56’56.4″N,121°8’56.4″E）,果树平均高度为2.2 m,树龄5 a以上。先利用观测铁塔于距离地面2.5 m及6 m处来测定风向及风速,再藉分析以探讨该果园内之气流行进分布特性。结果表明:花东纵谷南部区域河床新兴地于每日出现逐时平均风速趋近静风状态时,可作为区分昼夜间风场特性之依据,而昼夜间之时段分别为7:00—19:00及20:00至翌日6:00。当强盛偏北气流行进至花东纵谷区域河床新兴地之风场内,区域内风速会在1.0 h内激增,且于果园试区内果树冠层上0.3 m高度之风速达3.8 m/s,对于果树之枝干将产生摇曳不止的情形,将造成果实易受磨损及不利果树生长。     

果园仿形变量喷雾与常规风送喷雾性能对比试验

为深入研究不同果园喷雾机的喷雾性能及影响规律,探究仿形变量喷雾技术在果园植保作业中的适应性,该文采用一种基于(LiDAR)扫描探测技术的果园自动仿形变量喷雾机,与常用的传统风送果园喷雾机、定向风送喷雾机进行对比,分析了3种机具的主要喷雾指标:药液消耗、冠层内部沉积、仿形喷雾效果、地面流失及空中飘移.试验结果表明:与常规喷雾方式相比,仿形变量喷雾有效地提高了农药利用率和作业效率,最多可节省药液45.7％;传统和定向风送喷雾机纵向沉积呈现从上部到下部逐渐增加的趋势,仿形变量喷雾机能够根据树冠特征实时调节喷雾参数,纵向沉积呈仿形分布;与传统风送喷雾机和定向风送喷雾机相比,仿形变量喷雾机的雾滴飘移分别减少23.2％和42.7％,地面流失分别减少67.4％和58.8％.该研究为果树病虫害防治减量施药提供新方法与新装备,为精准植保机具的结构设计和性能优化提供参考.     

基于多时相和多角度光谱信息的作物株型遥感识别初探

作物群体具有一定的冠层几何结构(株型)，对于不同株型的品种，在相同的叶面积指数时冠层反射光谱往往不同，使得利用冠层反射光谱来反演叶面积指数等生物物理和生物化学参数时存在不同株型产生的误差，该文定量研究了不同叶面积指数条件下，作物株型对冠层反射光谱的影响，并提出运用波长800 nm处起身期的冠层反射光谱与该波长处拔节期和起身期冠层反射光谱的比值，可以初步实现高密度披散型品种、低密度披散型品种、高密度中间型品种、低密度中间型品种、高密度直立型品种和低密度直立型品种的遥感识别，结合一定条件下选取的15°、30°和45°观测天顶角下，与可见光和近红外波段(波长)处的二向反射冠层反射光谱数值大小进行结合，可以初步实现作物株型的遥感识别。     

Leaf and canopy optical characteristics as crop‐N‐status indicators for field nitrogen management in corn

The primary constraint of predicting the economic optimum nitrogen rate (EONR) for corn (Zea mays L.) is the high variability of soil nitrogen (N) supply due to environments, soil types, manure, and cropping histories. Portable instruments have been developed to measure leaf and canopy optical characteristics for determining plant N status. The objectives of this field study were to: (1) evaluate leaf and canopy optical properties including transmittance, reflectance, and fluorescence as indicators of corn N status with soil types, developmental stages, and N‐application rates, (2) compare the efficiency of two commercial radiometers that are designed to measure canopy reflectance, and (3) assess the constraints of these crop‐based indicators as a possible guide for real‐time N sidedressing in corn. Field experiments with different levels of N, soil types, and corn hybrids were conducted at three sites in Ottawa, ON, Canada, in 2004 and 2005. Leaf chlorophyll concentrations (SPAD chlorophyll meter), chlorophyll fluorescence (OS‐30), leaf area, and canopy reflectance (NDVI measured by CropScan and GreenSeeker radiometers) were simultaneously measured at several growth stages, while grain yield was determined at harvest. Our results show that canopy reflectance (NDVI) displayed similar efficiency as an indicator of N status on both soil types and corn hybrids in the two consecutive years. The chlorophyll readings often differentiated N‐deficient from N‐sufficient plots and therefore were a promising indicator for predicting corn N requirements. The fluorometer device evaluated in this study was unable to characterize corn N status.     

Effects of anthropogenic land use on forest birds and butterflies in Subic Bay, Philippines

Despite the loss of 83% of native forests in the Philippines, little is known on the effects of this massive habitat loss and degradation on its forest biotas. This is a cause for concern because of the threat posed to the country’s large number of endemic taxa. To investigate the impacts of anthropogenic disturbance, forest birds and butterflies were surveyed in closed and open canopy forests, as well as suburban, rural and urban areas within the Subic Bay Watershed Reserve and Olongapo City in western Luzon. Measures of forest species richness and population densities for both taxa were similar in the two forest types, but showed different patterns in the other habitats. Indirect gradient analysis showed that forest bird species were positively correlated with vegetation variables (i.e., canopy cover, tree density, height to inversion and ground cover), while forest butterflies were not strongly correlated to any of the measured habitat variables. Community composition of birds in forests was distinct from those in modified habitats, while butterfly communities were more similar. A simulation showed that canopy cover of 60% or higher was required by 24 of the 26 bird species that were sensitive to canopy loss. Endemicity and nesting strata were the significant predictors of vulnerability to habitat disturbance for birds, while endemicity and larval hostplant specificity were significant for butterflies. Both taxa were negatively affected by anthropogenic disturbance but may respond to different components in the habitat (i.e., structure and resources), and thus cannot be used as surrogates of each other. Conservation of forests with contiguous canopy cover should be prioritized, and more ecological research is needed to improve the knowledge on the effects of disturbance on Philippine biodiversity.