林下植被對遙感估算馬尾松LAI的影響

耿 君, 王 磊, 田慶久,* , 涂麗麗, 黃 彥, 王 龑, 呂春光,楊冉冉, 楊閆君

1 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210046 2 南京大學(xué)江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210046

林下植被對遙感估算馬尾松LAI的影響

耿 君1,2, 王 磊1,2, 田慶久1,2,*, 涂麗麗1,2, 黃 彥1,2, 王 龑1,2, 呂春光1,2,楊冉冉1,2, 楊閆君1,2

1 南京大學(xué)國際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所, 南京 210046 2 南京大學(xué)江蘇省地理信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210046

葉面積指數(shù)是一項(xiàng)極其重要的描述植被冠層結(jié)構(gòu)的植被特征參量。根據(jù)植被物候規(guī)律，利用中國環(huán)境衛(wèi)星CCD多光譜影像和野外馬尾松樣區(qū)調(diào)查數(shù)據(jù)，通過建立不同季節(jié)和不同郁閉度樣區(qū)馬尾松LAI和影像NDVI經(jīng)驗(yàn)回歸模型，并利用一個新的LAI觀測方式定量比較喬木層LAI和生態(tài)系統(tǒng)總LAI(包括草本層、灌木層和喬木層)的差異，研究林下植被對馬尾松反演的影響程度。結(jié)果表明：(1)由于林下植被的物候變化，冬季林下植被對馬尾松LAI反演影響最小，馬尾松NDVI和LAI線性關(guān)系R2維持在0.65；夏季林下植被影響最大，線性關(guān)系R2只有0.25；春季和秋季影響居中，NDVI和LAI線性關(guān)系R2在0.47附近。但是，受林下植被影響較小的A類樣區(qū)4個季節(jié)內(nèi)NDVI和LAI線性關(guān)系基本都在0.60以上(夏季略低于0.60)；(2)喬木層LAI和總LAI差距非常大，最大差距達(dá)到2.93，相差的比例最大達(dá)到了2.45倍；(3)總LAI和NDVI相關(guān)關(guān)系顯著，其中線性關(guān)系R2達(dá)到0.66，對數(shù)關(guān)系R2可達(dá)到0.68，而喬木層LAI和NDVI相關(guān)關(guān)系較差，線性關(guān)系R2只有0.30。分別建立冬季和其它季節(jié)實(shí)測總LAI和NDVI的關(guān)系，可以估算出林下植被對馬尾松LAI反演的影響程度。

林下植被; 馬尾松; 葉面積指數(shù)(LAI); 遙感; 郁閉度; 物候期; 不確定性

葉面積指數(shù)(LAI)是一項(xiàng)極其重要的描述植被冠層結(jié)構(gòu)的植被特征參量[1]。LAI不僅可以直接反映出生態(tài)系統(tǒng)多樣化尺度的植物冠層中的能量、CO2及物質(zhì)環(huán)境，還可以反映植物生長和發(fā)育的動態(tài)變化和健康狀況，同時，在生態(tài)系統(tǒng)光合作用、水分及能量平衡研究中，LAI也作為非常關(guān)鍵的生物物理參數(shù)[2]。隨著全球變化研究的深入，LAI 常常作為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、能量交換、水文和氣候等模型中重要的參數(shù)而成為模型中不可缺少的組成部分[3]。

近年來，利用遙感技術(shù)估測區(qū)域乃至全球森林LAI已成為國內(nèi)外學(xué)者們研究LAI的主要手段之一[4-10]。然而，遙感信號中往往受到林下植被、土壤、巖石、枯落物和水體等森林背景目標(biāo)物的干擾，傳感器探測到的森林總反射率，往往不能準(zhǔn)確地代表森林冠層反射率，尤其是在郁閉度較低的森林，由于像元混合嚴(yán)重，遙感反演出的森林冠層參數(shù)存在較大誤差。例如，馬健德指出森林背景所造成的噪音信號對樹冠LAI的反演會產(chǎn)生不可忽視的影響，并利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)合成多角度遙感影像得到了250 m分辨率森林背景反射率[11]；Brown等利用短波紅外波段構(gòu)建減化比值植被指數(shù)(RSR)，有效地減少了背景反射率影響，并反演出較為準(zhǔn)確的森林冠層LAI[12]。Law等指出利用遙感研究LAI、光合有效輻射時，應(yīng)將林下植被和上層樹冠區(qū)分研究，否則會造成很大誤差[13]；Pisek等指出森林背景反射率對喬木層LAI反演影響非常大，并利用MODIS合成BRDF(Birectional Reflectance Distribution Function)數(shù)據(jù)，研究了北歐地區(qū)北方森林林下植被反射率的季節(jié)動態(tài)[14]。

而在上述森林背景目標(biāo)物中，一方面，由于林下植被往往作為綠色植被和森林冠層一起被傳感器所探測，導(dǎo)致利用常見植被指數(shù)(如歸一化植被指數(shù)(NDVI)估算出的森林冠層LAI存在較大誤差；另一方面，由于相對于土壤、巖石等變化非常復(fù)雜，林下植被對遙感輻射傳輸?shù)挠绊懘嬖谥蟮臅r空異質(zhì)性[15]，進(jìn)而會在一定程度上影響到諸多陸地生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)模型的精度。因此，有必要將林下植被單獨(dú)作為研究對象，來探討其對遙感估算森林冠層LAI的影響。

馬尾松(Pinusmassoniana)是我國松屬樹種中分布最廣的一種，也是我國亞熱帶東部濕潤地區(qū)典型的針葉鄉(xiāng)土樹種，其面積居我國針葉林首位[16]。本文根據(jù)蘇皖地區(qū)馬尾松林下植被的物候特點(diǎn)，連續(xù)獲取不同季節(jié)實(shí)驗(yàn)樣區(qū)的馬尾松冠幅、樹高、郁閉度、LAI和林下植被覆蓋度等數(shù)據(jù)，利用中國環(huán)境衛(wèi)星(HJ-1)CCD多光譜影像的高時空分辨率的優(yōu)勢，建立不同季節(jié)、不同郁閉度下馬尾松樣區(qū)LAI和NDVI回歸模型，研究林下植被對遙感估算馬尾松LAI的影響程度，為今后開展實(shí)地觀測和遙感反演森林LAI研究提出新的認(rèn)識。

1 研究區(qū)介紹

滁州市位于安徽省東部，地處江淮之間，處于北緯31°51′—33°13′和東經(jīng)117°09′—119°13′之間(圖1)。滁州市屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，陽光充足，雨量豐富，年平均氣溫為15.40 ℃，最熱7月份的月平均溫度為28.50 ℃，最冷1月份的月平均溫度為1.70 ℃，年均降水量1035.50 mm，梅雨期約23 d，年均日照總時數(shù)2073.40 h，年均無霜期210 d[17]。由于上述氣候條件，滁州市適合馬尾松的生長，林下植被以一年生草本和落葉灌木組成，其中狗尾草(Setariaviridis)、一年蓬(Erigeronannuus)、青蒿(Artemisiacarvifolia)、野菊花(Dendranthemaindicum)、蛇莓(Duchesneaindica)、刺莧(Amaranthusspinosus)、白茅(Imperatacylindrica)、合萌(Aeschynomeneindica)、鼠李(RhamnusdavuricaPall)和野山楂(Crataegicuneatae)較為常見。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)馬尾松以中齡林和成熟林為主，林下植被生長差異明顯，且具有明顯的季節(jié)性變化特征。因此，該地區(qū)適合開展林下植被對遙感估算馬尾松LAI影響研究。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study areas

實(shí)驗(yàn)樣區(qū)分為A類樣區(qū)和B類樣區(qū)，A類樣區(qū)是指郁閉度大于80%及郁閉度小于80%且林下植被覆蓋度小于33%的樣區(qū)；B類樣區(qū)是指郁閉度小于80%且林下植被覆蓋度大于33%的樣區(qū)。具體在實(shí)驗(yàn)設(shè)計中詳細(xì)說明。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)來源

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與地面數(shù)據(jù)獲取

本研究在2012年9月至2013年10月(表1)，利用LAI-2000冠層分析儀共進(jìn)行5次馬尾松樣區(qū)LAI觀測。為避免復(fù)雜天氣和地形對輻射傳輸和LAI地面觀測造成影響，本研究野外采樣均選在全陰天，選擇的樣區(qū)坡度均小于5°。

(1)本文以中國HJ-1 CCD多光譜影像一個像元(30 m×30 m)作為一個實(shí)驗(yàn)樣區(qū)；為反映一個像元內(nèi)馬尾松LAI總體情況，并避免人為主觀選擇觀測位置，本研究利用對角線法，在記錄著的每個觀測點(diǎn)東北-西南方向前后各約10 m位置處，再進(jìn)行兩次LAI觀測(圖2)，用3個位置觀測的LAI平均值代表一個樣區(qū)(像元)內(nèi)馬尾松LAI。

表1 5次觀測實(shí)驗(yàn)及對應(yīng)影像的日期

圖2 30 m×30 m樣區(qū)內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計Fig.2 Experimental design in a 30 m×30 m quadrat

(2)由于林地郁閉度對LAI觀測影響很大，在每個樣點(diǎn)觀測位置使用LAI-2000的180°鏡頭蓋在水平方向上分別相向觀測兩次，以此代表該觀測點(diǎn)附近馬尾松LAI。

(3)為研究馬尾松林下植被的季節(jié)動態(tài)，需要保證每次LAI觀測位置嚴(yán)格一致。本研究在第1次觀測LAI時，在手持GPS輔助下，在第一次樣點(diǎn)觀測位置插桿或噴漆標(biāo)記，后期實(shí)驗(yàn)在同一位置進(jìn)行LAI觀測。野外樣區(qū)實(shí)驗(yàn)獲取得到的馬尾松LAI在FV-2200軟件下處理，計算出樣區(qū)內(nèi)LAI[18]。

(4)考慮到林下植被對遙感傳感器信號的影響跟郁閉度有很大關(guān)系，利用拍照法記錄每個觀測點(diǎn)位置的馬尾松郁閉度(距地面1.70 m高處用魚眼相機(jī)豎直向上拍照)和林下植被生長狀況(距地面1.70 m高處用普通數(shù)碼相機(jī)豎直向下拍照)，后期對樣區(qū)照片進(jìn)行處理：①結(jié)合樣地樹高、冠幅和密度信息，在Fisheye軟件中將半球照片處理為平面二值黑白圖像，照片中天空為0，冠層為1，再計算出樣區(qū)的冠層郁閉度；②豎直向下的照片利用Photoshop sp3圖像處理工具和ENVI 5.0圖像分類工具提取出林下植被，并計算出林下植被所占照片中森林背景的比例，即林下植被覆蓋度。用3個觀測點(diǎn)位置的冠層郁閉度和林下植被覆蓋度的平均值，分別代表該樣區(qū)內(nèi)的馬尾松郁閉度和林下植被生長狀況。本文參考了Spanner對冠層郁閉度的分類標(biāo)準(zhǔn)[19]，并經(jīng)過反復(fù)嘗試，發(fā)現(xiàn)以郁閉度為80%作為劃分界限最合適。將郁閉度大于80%及郁閉度小于80%且林下植被覆蓋度小于33%的樣區(qū)，統(tǒng)稱為A類樣區(qū)(圖3)；將郁閉度小于80%且林下植被覆蓋度大于33%的樣區(qū)統(tǒng)稱為B類樣區(qū)(表2中*標(biāo)注)。本研究共觀測樣區(qū)48個，其中A類樣區(qū)21個，B類樣區(qū)27個(表2)。

圖3 不同郁閉度樣區(qū)的半球相片對比 Fig.3 Comparison of hemispherical photographs of quadrats with different canopy closure

(5)為了進(jìn)一步定量地研究林下植被對兩類樣區(qū)馬尾松LAI反演的影響程度，本研究于2012年9月對馬尾松樣區(qū)進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計：在馬尾松LAI觀測點(diǎn)同一位置，再對樣區(qū)所有地上部分植被(包括草本層、灌木層和喬木層)的LAI進(jìn)行一次觀測(圖4)。為區(qū)別起見，本文稱傳統(tǒng)利用LAI-2000觀測森林LAI觀測方式(即對森林冠層LAI觀測)為喬木層LAI觀測，稱新的實(shí)驗(yàn)觀測方式為生態(tài)系統(tǒng)的總LAI觀測，顯然總LAI應(yīng)該包括森林冠層LAI和林下植被LAI。

2.2 遙感數(shù)據(jù)獲取

中國環(huán)境(減災(zāi))衛(wèi)星(簡稱HJ)CCD多光譜影像具有非常高的時間分辨率和較高的空間分辨率，A星和B星的重訪周期均為4 d，CCD多光譜影像空間分辨率均達(dá)到30 m。因此，即便在陰雨天氣較多的夏季，擁有如此高重訪周期的HJ衛(wèi)星也能獲取到若干幅質(zhì)量較高的多光譜影像，對于監(jiān)測森林參數(shù)的動態(tài)變化具有非常明顯的優(yōu)勢。

表2 不同類型樣區(qū)數(shù)量

圖4 喬木層LAI和總LAI觀測示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement of tree layer′s and all layer′s LAI

分別獲取與野外地面數(shù)據(jù)獲取時間相近的高質(zhì)量HJ-1 CCD多光譜影像，并結(jié)合最新發(fā)布CCD的輻射定標(biāo)系數(shù)和研究區(qū)地面GPS控制點(diǎn)，在ENVI 5.0中對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何精校正等處理，獲得觀測樣區(qū)對應(yīng)像元的各個波段反射率，并計算出對應(yīng)像元的NDVI。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同季節(jié)林下植被對LAI反演的影響

利用2013年1月至10月連續(xù)4個季節(jié)馬尾松樣區(qū)的觀測與對應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)，分別建立不同時期所有樣區(qū)LAI(本文提到的LAI除非特別指明，均代表馬尾松LAI)和NDVI經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計模型和A類樣區(qū)LAI和NDVI經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計模型。研究結(jié)果表明：林下植被對遙感估算馬尾松LAI的影響程度存在明顯的季節(jié)差異(圖5)。

(1)冬季，所有樣區(qū)的LAI與NDVI關(guān)系總體較好(圖5:冬季中所有圓)，線性關(guān)系決定系數(shù)R2達(dá)到0.65，而A類樣區(qū)的LAI與NDVI關(guān)系(圖5:冬季中實(shí)心圓)跟所有樣區(qū)的關(guān)系相近，R2達(dá)到0.61。這是由于冬季林下植被基本枯萎，樣區(qū)內(nèi)植被基本只有馬尾松，加上涵蓋了不同郁閉度的樣區(qū)，LAI差距明顯，因此，樣區(qū)所有樣點(diǎn)的關(guān)系比A類樣區(qū)的關(guān)系稍好；

(2)春季，林下植被開始生長，對郁閉度較低的馬尾松樣區(qū)的影響逐漸顯現(xiàn)。圖5春季左下方的空心圓是受到林下植被影響的直接反應(yīng)，這些點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)測冠層LAI較低但像元NDVI較高，因此，消弱了所有樣區(qū)LAI和NDVI關(guān)系，R2降為0.47，但受林下植被影響較小的A類樣區(qū)與NDVI的回歸模型決定系數(shù)R2保持在0.64；

(3)夏季，林下植被生長最為茂盛，其對遙感估算馬尾松LAI影響程度最為嚴(yán)重，受到B類樣區(qū)，尤其是圖5夏季左上方空心圓的影響，所有樣區(qū)線性回歸散點(diǎn)圖分布非常發(fā)散，線性關(guān)系的決定系數(shù)R2僅為0.25，但A類樣區(qū)對應(yīng)的關(guān)系較好，R2為0.57；

(4)秋季，與春季類似，林下植被開始枯萎，所有樣區(qū)LAI和NDVI線性關(guān)系R2有所上升，R2為0.47，而A類樣區(qū)關(guān)系R2保持在0.61。

總體而言，由于研究地區(qū)自然氣候特點(diǎn)，林下植被基本由一年生草本和落葉灌木組成，受季節(jié)更替其生長有明顯規(guī)律性變化，而馬尾松生長緩慢且是常綠喬木，一年內(nèi)LAI變化較小，所以導(dǎo)致了不同季節(jié)林下植被對LAI反演的影響程度差異有上述明顯規(guī)律。

圖5 不同季節(jié)一類樣區(qū)和二類樣區(qū)LAI與NDVI關(guān)系Fig.5 Relationships between A. quadrats and B. quadrats圖中圓點(diǎn)(包括空心圓和實(shí)心圓)表示所有觀測樣區(qū)的喬木層LAI及對應(yīng)像元NDVI的關(guān)系，其中實(shí)心圓表示A類樣區(qū)LAI和NDVI；實(shí)線表示A類樣區(qū)LAI與NDVI線性關(guān)系；虛線表示所有樣區(qū)LAI與NDVI線性關(guān)系; 觀測具體時間：冬季：2013年1月22日，春季：2013年4月20日；夏季：2013年7月22日；秋季：2013年10月18日

3.2 林下植被對馬尾松LAI反演的定量影響研究

利用本文2.1節(jié)第5部分具體介紹的新實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案，試圖研究林下植被對馬尾松LAI反演的定量影響。新實(shí)驗(yàn)設(shè)計在夏秋交替之際，此時滁州地區(qū)馬尾松林下植被生長茂盛。

(1)圖6定量地描述出了A類樣區(qū)和B類樣區(qū)中喬木層LAI和生態(tài)系統(tǒng)總LAI的差距，這些差距既代表林下植被的LAI，也代表林下植被對馬尾松反演的影響程度：

①在A類樣區(qū)中(圖6中實(shí)心圓)，喬木層LAI和總LAI均保持在1∶1關(guān)系線附近，總LAI整體略大于喬木層LAI。這是由于當(dāng)采用新觀測方式時，總LAI中增加少量樹干影響，再加上零星的林下植被影響，會略大于該位置的喬木層LAI；

②在B類樣區(qū)中(圖6中空心圓)，喬木層LAI和總LAI差距顯著：喬木層LAI普遍較小，LAI在1.11—2.98范圍變化，主要集中在1.70—2.21；而總LAI整體明顯較大，LAI在1.91—4.96范圍變化，且主要集中在2.60—4.50。其中，LAI最大差距達(dá)到2.93，相差的比例最大也達(dá)到了2.45倍(此時喬木層LAI為2.03時，總LAI為4.96)。

(2)圖7表示B類樣區(qū)中喬木層LAI和總LAI與NDVI線性回歸關(guān)系。從圖7中可以得出：

①B類樣區(qū)的喬木層LAI與NDVI關(guān)系不顯著，線性關(guān)系決定系數(shù)R2為0.30。這說明在用LAI-2000以傳統(tǒng)觀測方式得到實(shí)測LAI與影像NDVI建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系時，由于林下植被的存在，會導(dǎo)致一定程度的誤差，尤其是在林下植被生長旺盛的季節(jié)，傳統(tǒng)方法得到的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系會造成相當(dāng)大的誤差；

②總LAI與NDVI關(guān)系顯著，其中線性關(guān)系的R2為0.66，對數(shù)關(guān)系的R2更是達(dá)到了0.68以上，且在對數(shù)關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)測LAI超過4時，NDVI趨于飽和，這符合前人建立的馬尾松LAI與NDVI經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[20]。這說明，在郁閉度較低的B類樣區(qū)，影像NDVI和樣區(qū)總LAI成線性正相關(guān)關(guān)系?？紤]到馬尾松生長緩慢，如果假設(shè)馬尾松從冬季到夏季半年內(nèi)LAI幾乎不變，通過以上經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系，于是對于B類樣區(qū)理論上有以下結(jié)論：

夏季樣區(qū)NDVI的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)≈夏季總LAI≈夏季馬尾松LAI+夏季林下植被LAI

(1)

夏季馬尾松LAI≈冬季馬尾松LAI≈冬季樣區(qū)NDVI的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)

(2)

綜合(1)式和(2)式得到：

夏季林下植被LAI≈夏季樣區(qū)NDVI的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)-冬季樣區(qū)NDVI的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)

(3)

同理，春、秋季林下植被影響程度也可以用上述公式表達(dá)并計算。總體而言，利用的新觀測方案分別觀測兩類樣區(qū)喬木層LAI和總LAI，可以清晰地表明馬尾松樣區(qū)受林下植被的影響程度。

圖6 兩類樣區(qū)的喬木層LAI和總LAI比較 Fig.6 Compare between tree layer′s and all layer′s LAI of two kinds of quadrats實(shí)心點(diǎn)表示A類樣區(qū)喬木層LAI(葉面積指數(shù), Leaf Area Index)和總LAI，空心點(diǎn)表示B類樣區(qū)喬木層LAI和總LAI; 觀測時間為2012年9月19日

圖7 B類樣區(qū)兩種觀測位置下LAI與NDVI關(guān)系 Fig.7 The relationship between LAI and NDVI under different measuring position in B. quadrats空心圓表示喬木層LAI和NDVI，實(shí)線表示喬木層LAI和NDVI線性關(guān)系；空三角形表示總LAI和NDVI，虛線分別表示總LAI和NDVI線性和對數(shù)關(guān)系; 觀測時間為2012年9月19日

4 結(jié)論

本文利用植被物候變化規(guī)律和國產(chǎn)HJ-1 CCD多光譜影像高時空分辨率的優(yōu)勢，在科學(xué)的地面樣區(qū)實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案支持下，以地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過建立LAI與遙感植被指數(shù)的關(guān)系，研究林下植被對馬尾松LAI反演影響的時空異質(zhì)性，并分析了造成不同影響程度的原因。

通過觀測不同季節(jié)馬尾松樣區(qū)郁閉度、LAI、樹高、冠幅和林下植被覆蓋度等數(shù)據(jù)，將48個馬尾松樣區(qū)分為A類和B類樣區(qū)，分析了不同季節(jié)兩類樣區(qū)的林下植被對LAI反演的影響程度；設(shè)計了一個新的觀測方案，在林下植被生長旺盛的季節(jié)，分別觀測了兩類樣區(qū)的喬木層LAI和總LAI，試圖研究林下植被對遙感反演LAI的影響程度。結(jié)果表明：

(1)受物候期影響，林下植被對馬尾松LAI反演的影響存在明顯的季節(jié)規(guī)律：冬季研究區(qū)林下植被基本枯萎，對LAI反演結(jié)果影響最小，實(shí)測LAI和影像NDVI關(guān)系顯著，線性回歸模型決定系數(shù)為0.65；夏季林下植被生長最為茂盛，對LAI反演結(jié)果影響最嚴(yán)重，實(shí)測LAI和NDVI關(guān)系不顯著；春、秋兩季影響居中；

(2)由于B類樣區(qū)馬尾松相對稀疏且受林下植被干擾嚴(yán)重，利用新觀測方式得到的總LAI和傳統(tǒng)方式得到的喬木層LAI差距非常大，最大差距達(dá)到2.93，相差的比例最大也達(dá)到了2.45倍；

(3)實(shí)測喬木層LAI和NDVI關(guān)系不顯著，但是實(shí)測總LAI和NDVI有明顯正相關(guān)關(guān)系，其中，總LAI和NDVI線性回歸關(guān)系的R2為0.66，對數(shù)關(guān)系決定系數(shù)R2達(dá)到0.68以上，且當(dāng)LAI超過4時，LAI和NDVI關(guān)系有飽和趨勢；分別建立冬季和某季節(jié)的實(shí)測總LAI和NDVI的關(guān)系，可以估算出林下植被對馬尾松LAI反演的影響程度。

研究結(jié)果證實(shí)，當(dāng)根據(jù)樣區(qū)實(shí)測LAI和影像NDVI建立統(tǒng)計關(guān)系來反演森林LAI時，必須要考慮不同生長季的不同郁閉度下林下植被的生長情況，并分別建立不同類型樣區(qū)(如本文中A類和B類樣區(qū))的實(shí)測喬木層LAI和總LAI與遙感植被指數(shù)的回歸模型，才能更準(zhǔn)確地估算出森林冠層LAI。

5 討論

遙感的本質(zhì)就是反演，利用遙感手段反演目標(biāo)物特征參數(shù)，不可避免的會存在各種不確定性問題，對于森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演來說，林下植被就是一個不確定性問題。一方面，林下植被本身會作為綠色植被和森林冠層一起被傳感器所探測，從而一定程度上增加了遙感反演森林冠層參數(shù)的誤差；另一方面，由于林下植被的時空異質(zhì)性非常強(qiáng)，因此，造成的混合像元問題往往比巖石、土壤等森林背景更難解決。由于上述原因，通過植被的物候規(guī)律并利用多時相遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，很好地描述了林下植被帶來的影響。然而，植被反射率往往受到其生長期的影響，即便對于常綠喬木，一年內(nèi)反射率會因物候期不同而異，因此，利用多時相遙感植被指數(shù)反演植被參數(shù)時，必須要結(jié)合近期的地面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本文以連續(xù)季節(jié)的地面實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過建立其與對應(yīng)影像植被指數(shù)的關(guān)系，研究林下植被對馬尾松LAI反演影響的時空異質(zhì)性，為日后深入進(jìn)行遙感定量估算森林LAI提供了新的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案和研究思路。作者認(rèn)為有以下幾方面值得進(jìn)一步探討：

(1)本文所制定的郁閉度分類標(biāo)準(zhǔn)，是在參考前人研究成果基礎(chǔ)上，嘗試了多個其它劃分標(biāo)準(zhǔn)后得到的一個相對可靠的分類標(biāo)準(zhǔn)，因此，此分類標(biāo)準(zhǔn)只針對本研究區(qū)，當(dāng)在其它樣區(qū)進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)結(jié)合樣區(qū)實(shí)際情況而設(shè)定郁閉度分類標(biāo)準(zhǔn)。理論上，可以結(jié)合樹冠形狀、樹冠內(nèi)部結(jié)構(gòu)、樹冠密度及衛(wèi)星傳感器觀測天頂角等參數(shù)構(gòu)建幾何光學(xué)模型，求出林下植被對冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)反演影響程度的郁閉度分類標(biāo)準(zhǔn)。但在自然界中，即便對于純林，其樹冠形狀、樹冠內(nèi)部結(jié)構(gòu)及樹冠密度存在很大的時空異質(zhì)性，用傳統(tǒng)觀測手段獲取這些參數(shù)會不可避免地產(chǎn)生很大誤差。條件允許下，可以結(jié)合地面激光雷達(dá)技術(shù)對樣區(qū)內(nèi)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量，構(gòu)建準(zhǔn)確的幾何模型，進(jìn)而設(shè)定更科學(xué)的郁閉度分類標(biāo)準(zhǔn)；

(2)不同林下植被的光譜差異對本文結(jié)果會產(chǎn)生影響，但一方面由于林下植被混雜嚴(yán)重；另一方面受林下光照條件限制，利用目前的地面光譜測量儀器很難得到準(zhǔn)確的林下植被光譜。未來在條件允許下，應(yīng)對林下植被進(jìn)行分類并結(jié)合其光譜特性來開展更準(zhǔn)確的地面實(shí)驗(yàn)；

(3)后期將利用多源遙感數(shù)據(jù)(如多角度、多時相、高分辨率光學(xué)及激光雷達(dá)等遙感數(shù)據(jù))，結(jié)合不同植被的結(jié)構(gòu)和物候特點(diǎn)，構(gòu)建研究區(qū)更精確的林分反射率模型，深入探討林下植被帶來的不確定性問題，更深層地研究林下植被對森林冠層LAI反演的影響。

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Impact of the understory on estimation of leaf area index ofPinusmassonianausing remote sensing technology

GENG Jun1,2, WANG Lei1,2, TIAN Qingjiu1,2,*, TU Lili1,2, HUANG Yan1,2, WANG Yan1,2, Lü Chunguang1,2, YANG Ranran1,2, YANG Yanjun1,2

1InternationalInstituteforEarthSystemScience,NanjingUniversity,Nanjing210046,China2JiangsuProvincialKeyLaboratoryofGeographicInformationScienceandTechnology,NanjingUniversity,Nanjing210046,China

Leaf area index (LAI), defined as half the total developed area of green leaves per unit ground horizontal area, is an extremely important vegetation characteristic parameter that describes the construction of vegetation canopy. For the past few years, LAI has been estimated operationally at a regional or even global scale by means of various retrieval methods using remotely sensed optical imagery. Understory vegetation (e.g., grasses, herbs, shrubs, etc.) is the layer of foliage below the forest canopy. As a background signal source in remote sensing, understory has had a serious impact on estimating many forest canopy parameters by remote sensing techniques for two reasons. on the one hand, it has very similar characteristics with those of the forest canopy because they are all vegetation. on the other hand, it has greater spatial-temporal heterogeneity than other backgrounds in remote sensing, e.g., soil, water, rock and litter, etc. The purpose of this paper is to determine the impact of understory on LAI inversion of forests with different canopy closures in different seasons. In this study, data from five field investigations and corresponding Chinese HJ-1 CCD remote sensing images were collected and analyzed to study the impact of understory on LAI inversion ofPinusmassonianaduring the period September 2012 to October 2013 in Chuzhou, Anhui province. By building empirical models of LAI ofPinusmassonianawith different canopy closures and Normalized Difference Vegetation Indices (NDVI) in different seasons based on the phenology of the understory and comparing the difference of LAI of tree layers and the LAI of all layers of the ecosystem using a new way of LAI measurement, the impact of understory on the calculation of LAI ofPinusmassonianawith different canopy closures and in different seasons was found. The results show that: (1) Understory had minimal impact on LAI inversion ofPinusmassonianain winter; R2of the linear relationship between NDVI and LAI was 0.65. Understory had the most serious impact in summer;R2of the linear relationship was only 0.25. The impact of understory in spring and autumn was greater than in winter and lower than in summer,R2of linear relationship was about 0.47. However,R2of linear relationship in the quadrats A, which were less affected by understory, was almost higher than 0.60 in all seasons (slightly less than 0.60 in summer). The reason was that the phenology of the understory caused different impacts in different seasons; (2) A significant difference between tree layer LAI and LAI of all layers in the same season was found, and the biggest gap was 2.93 and the maximum multiple was 2.45; (3) theR2of the linear relationship between LAI of all layers and NDVI was about 0.66, andR2of the logarithmic relationship was more than 0.68. However, the correlation between tree layers and NDVI was poor (R2was only 0.30).These findings indicate that the impact of understory on LAI inversion ofPinusmassonianacan be calculated when relationships between the LAI of all layers and NDVI in winter and other seasons are determined. Finally, the difficulties of studying understory impact on forest LAI retrieval are discussed, and several suggestions are proposed for future studies.

understory;Pinusmassoniana; leaf area index (LAI); remote sensing; canopy closure; phenology; uncertainty

國家科技重大專項(xiàng)(30-Y20A01-9003-12/13)

2014-01-10;

日期:2014-11-19

10.5846/stxb201401100078

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tianqj@nju.edu.cn

耿君, 王磊, 田慶久, 涂麗麗, 黃彥, 王龑, 呂春光,楊冉冉, 楊閆君.林下植被對遙感估算馬尾松LAI的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(18):6007-6015.

Geng J, Wang L, Tian Q J, Tu L L, Huang Y, Wang Y, Lü C G, Yang R R, Yang Y J.Impact of the understory on estimation of leaf area index ofPinusmassonianausing remote sensing technology.Acta Ecologica Sinica,2015,35(18):6007-6015.