提高葉面積指數(shù)遙感反演精度的方法對(duì)比

王毅　朱姝　徐菲

【摘 要】葉面積指數(shù)是表征植被冠層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，準(zhǔn)確地反演某一地區(qū)的葉面積指數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重要的意義。因此，文章重點(diǎn)對(duì)比了不同植被指數(shù)與不同統(tǒng)計(jì)模型在葉面積指數(shù)反演精度上的差異，并篩選出最優(yōu)的反演模型，有助于為進(jìn)一步的研究工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】葉面積指數(shù)；植被指數(shù)；統(tǒng)計(jì)模型

一、葉面積指數(shù)概念簡(jiǎn)述

葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是指陸地生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)可以直觀地反映出植被的冠層結(jié)構(gòu)信息、生長(zhǎng)狀況、以及光合作用能力等，因此在氣候、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水文等領(lǐng)域的研究中有著重要的意義，同時(shí)也是表征一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，有效提高地區(qū)葉面積指數(shù)的反演精度具有重要的意義。

二、反演方法簡(jiǎn)述

目前，葉面積指數(shù)的遙感反演方法可大致分為兩種：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê臀锢砟Ｐ头āＮ锢砟Ｐ头ㄎ锢硪饬x明確，基于輻射傳輸與幾何光學(xué)理論，對(duì)大氣、植被冠層以及地表對(duì)電磁波的作用進(jìn)行詳細(xì)闡釋與模擬，通過(guò)輸入植被的生化參數(shù)、大氣參數(shù)、土壤背景等一系列參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葉面積指數(shù)的反演工作。因此，物理模型法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能夠較好的依據(jù)事物的客觀本質(zhì)，但由于輸入?yún)?shù)較多，且部分參數(shù)難以獲取，因此目前對(duì)于面積較小地區(qū)的葉面積指數(shù)反演，較為常用的方法依然是以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头橹?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄊ悄壳皩?duì)小地區(qū)葉面積指數(shù)反演的主要方法，該方法的實(shí)現(xiàn)主要依靠建立葉面積指數(shù)與植被指數(shù)（vegetation index）之間的統(tǒng)計(jì)模型，將野外實(shí)測(cè)的葉面積指數(shù)以及遙感影像不同波段之間運(yùn)算得到的植被指數(shù)分別帶入統(tǒng)計(jì)模型中，最后計(jì)算得到回歸方程的各項(xiàng)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)地區(qū)葉面積指數(shù)的反演。

三、實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头m然輸入?yún)?shù)較少、易于實(shí)現(xiàn)、可操作性強(qiáng)，但反演精度易受時(shí)間、空間、回歸方程類型、以及模型輸入因子等因素改變的影響，因此文章將不同植被指數(shù)引入不同回歸方程中計(jì)算得到回歸方程以及決定系數(shù)，通過(guò)對(duì)比不同的結(jié)果并以此來(lái)討論如何提高模型的反演精度。

選取較為常見(jiàn)的歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）、修正土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）三種植被指數(shù)作為模型因子，三種植被指數(shù)的計(jì)算公式如表一所示。

式中，和分別代表影像的紅色和近紅外波段的反射率。再選取線性、二次多項(xiàng)式、指數(shù)、對(duì)數(shù)這四種常見(jiàn)的回歸方程分別建立葉面積指數(shù)與三種植被指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)模型，并比較其精度，計(jì)算結(jié)果如表二所示。

四、結(jié)論與分析

文章選取了三種植被指數(shù)與四種回歸方程建立葉面積指數(shù)與植被指數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)模型，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表二中可以很直觀地看出，在不同植被指數(shù)之間的比較方面，歸一化植被指數(shù)（NDVI）在使用同一種回歸方程建模的條件下，其模型的反演精度要高于其他兩種植被指數(shù)，原因在于計(jì)算歸一化植被指數(shù)時(shí)不同波段之間的非線性運(yùn)算能夠很好地描述植被的反射光譜在紅光波段到近紅外波段之間的顯著變化趨勢(shì)；在不同回歸方程的比較方面，非線性回歸模型對(duì)方程的擬合精度在整體上要高于線性回歸模型，原因在于葉面積指數(shù)與植被指數(shù)之間的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，雖然整體上有一定的相同變化趨勢(shì)，但還受如大氣條件、土壤背景等多方面因素的影像，因此在擬合度最優(yōu)的原則上，非線性模型更具優(yōu)勢(shì)，其中以二項(xiàng)式回歸方程的擬合精度最高，其次是指數(shù)回歸方程，然后是對(duì)數(shù)回歸方程，線性回歸方程的整體擬合精度相比于其他方法最低。在文章嘗試的所有方法中，反演精度最高的是以歸一化植被指數(shù)為輸入?yún)?shù)的二項(xiàng)式回歸模型，決定系數(shù)R2=0.634，相比于其他方法能夠有效的提高研究區(qū)葉面積指數(shù)反演的精度，對(duì)評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)、林業(yè)等生態(tài)環(huán)境相關(guān)情況具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 包剛，覃志豪，周義等.基于高光譜數(shù)據(jù)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的草地葉面積指數(shù)反演[J].國(guó)土資源遙感，2012（02）：7-11.

[2] 王希群，馬履一，賈忠奎等.葉面積指數(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（05）：537-541.

[3] 王修信，孫濤，朱啟疆等.林地葉面積指數(shù)遙感估算方法適用分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（16）：4612-4619.

[4] 朱高龍，居為民，Jing M.Chen等.帽兒山地區(qū)森林冠層葉面積指數(shù)的地面觀測(cè)與遙感反演[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，21（08）：2117-2124.

作者簡(jiǎn)介：王毅（1989.11- ），男，四川達(dá)州人，成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院碩士研究生。