植被跟太陽輻射的相互關係有別於其他物質,如裸土、水體等,比如植被的「紅邊」現象,即在<700nm附近強吸收,>700nm高反射。很多因素影響植被對太陽輻射的吸收和反射,包括波長、水分含量、色素、養分、碳等。
研究植被的波長範圍一般為400 nm to 2500 nm,這也是感測器設計選擇的波長範圍。這個波長範圍可範圍以下四個部分:
近紅外(near-infrared——nir):700 nm to 1300 nm
其中nir和swir-1的過渡區(1400nm附近)是大氣水的強吸收範圍,衛星或者航空感測器一般不獲取這範圍的反射值。swir-1 和 swir-2的過渡區(1900nm附近)也是大氣水的強吸收範圍。
植被可分為三個部分組成:
這三個部分是植被分析的基礎,下面對他們詳細介紹。
植物葉片包括葉、葉柄以及其他綠色物質,不同種類的葉片具有不同的形狀和化學成份。對波譜特徵產生重要影響的主要化學成份包括:色素(pigments)、水分(water)、碳(carbon)、氮(nitrogen),這也是遙感反演的基礎,如用植被指數來估算葉子的化學成份。
葉色素主要包括葉綠素、葉黃素和花青素。這些都是植被的健康的指標,比如含高濃度葉綠素的植被一般很健康,相反,葉黃素和花青素常常出現在健康較差的植被,瀕臨死亡的植被出現紅色、黃色或棕色。
葉色素只影響可見光部分(400nm~700nm),圖1為幾種葉色素在可見光範圍的相對光譜吸收特徵。
圖1 部分葉色素的相對光譜吸收特徵
葉子的幾何特性、冠層結構和對水的需求影響植被的水分含量。水分對植被反射率的影響波段範圍在nir和swir(圖2)。在1400nm和1900nm附近有吸收波谷,但是感測器一般會避開這兩個波段範圍。在970nm和1190nm附近也有強吸收特徵,可利用這兩個波段範圍監測植被水分。
植物中的碳是以很多形式存在,包括糖,澱粉,纖維素和木質素等。纖維素和木質素的吸收特徵表現在短波光譜範圍內容(圖3)。
圖2 葉片水和碳(纖維素和木質素)相對光譜吸收特徵
葉子中的氮元素一般包含在葉綠素、蛋白質以及其他分子中。植被指數(vi)對包含在葉綠素中的氮元素很敏感(大約含6%氮)。包含在蛋白質中的氮元素在1500nm~1720 nm範圍內對葉片波譜特徵影響比較大。
從上可以看出,植被與輻射的相互作用主要體現在葉片的波譜特徵,因此,在可見光譜段內,主要太陽輻射的吸收來自葉綠素、葉黃素和花青素,形成450nm和670nm附近的吸收谷;在近紅外譜段內,主要太陽輻射的吸收來自水分,形成970nm和1190nm兩個水吸收帶;在短波紅外譜段內,除了水分,各種形式存在的碳和氮也對太陽輻射的吸收有一定的貢獻,形成1400nm和1900nm吸收谷。圖3是葉片反射率與透射光譜(transmittance spectra)對比例子,木本植被和草本植被在色素、水分、氮等含量不一樣,反射率與透射光譜關係也不一樣。
圖3 木本植物(a)和草本植物(b)的葉片反射率與透射光譜
單片葉子的反射特性對植被冠層光譜特徵是重要的,此外,葉子數量和冠層結構對植被冠層的散射、吸收也有重要的影響。比如不同的生態系統中,森林、草原、或農業用地等都具有不同的反射特性,雖然它們單個葉子很類似。
有很多植被模型用於描述冠層光譜特徵。兩個最重要的是葉面積指數(lai)和葉傾葉角分布(lad)。lai指每單位面積地上綠葉面積,這表現了冠層中綠色植被的總數;lad描述了樹葉所有型別的定向,常用平均葉傾角(mla)近似。mla表示冠層中的每個葉片角度與水平方向的差值的平均值。
圖4表示lai和lad對植被冠層的影響效果,mla近似lad。在近紅外譜段內,植被強反射太陽輻射,植被冠層在可見光和swir-2是強吸收。使用可見光和swir-2的植被指數對上層林冠非常敏感。
圖4lai (a) 和mla (b) 的增減對植被冠層的影響
在自然界裡,還包括佔了全球植被覆蓋一半的衰老或死亡植被,它們被稱為非光合作用植被(簡稱npv)。npv的冠層也具有木本森林結構,如樹幹,莖,和樹枝等。
npv主要包含碳元素,以澱粉,纖維素和木質素形式存在,npv的光譜特徵主要受這些物質支配。在短波紅外內的波動比較大,與綠色植被相反,swir-1 和swir-2範圍內散射佔主導。圖5顯示了綠色植被和npv冠層光譜特徵。
圖5 透射綠色植被和幹植被的冠層反射特性的變化(400nm~2500nm)
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