不同植被冠層多角度反射特性研究

楊秀云，張春影，孫仲秋

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

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不同植被冠層多角度反射特性研究

楊秀云，張春影，孫仲秋

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130024)

[摘要]為了比較不同植被冠層雙向反射分布的差異性和關(guān)聯(lián)性，為植被特征參數(shù)的反演提供依據(jù)，本研究通過使用ASD FS3光譜儀和東北師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室角度測量系統(tǒng)(NENULGS)獲取了植被冠層多角度反射信息。研究發(fā)現(xiàn)：(1)闊葉植被冠層各向異性特征比針葉明顯；(2)一般來說后向反射值大于前向，后向隨探測角增加陰影面積減小反射值增加，前向隨探測角增加陰影面積增加反射值降低；(3)入射角減小，冠層反射規(guī)律的變化闊葉比針葉明顯。(4)植被冠層雙向反射分布受探測條件和冠層形態(tài)的雙重影響。

[關(guān)鍵詞]冠層；多角度反射；各向異性特征

植被在環(huán)境變化、水土保持等方面具有重要作用，植被反射信息成為地球生態(tài)系統(tǒng)重要研究指標(biāo)之一。依據(jù)植被反射信息，不僅可以識別不同的地物植被或植被的不同特性[1]，還可以反演出植被結(jié)構(gòu)參數(shù)和生物量，獲取更為詳細(xì)的植被生長信息，進(jìn)行植被監(jiān)測[2-4]。傳統(tǒng)的遙感技術(shù)大都以垂直觀測為主，并假設(shè)被觀測地物為“朗伯體”[2]。實(shí)際上自然界中幾乎所有的地物都具有各向異性的反射特征[3,5]。因此，傳統(tǒng)的單一角度研究地物反射信息的方法已漸漸不能滿足研究的需要。多角度遙感包含了大量立體結(jié)構(gòu)信息，具備求解植被特征的潛力，可能避免傳統(tǒng)遙感面臨的“異物同譜、同物異譜”的困難[5]，能很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)遙感技術(shù)的不足，為遙感的應(yīng)用提供有效手段。

近年來，已有許多學(xué)者開展了關(guān)于植被的多角度反射特性研究，杜朋朋獲取并且分析了小麥葉片的多角度光學(xué)特性[6]；Breece and Holmes在375～1000 nm之間的19個波段內(nèi)研究了大豆玉米葉主平面方向的雙向反射特性[7]；東北師范大學(xué)閻國倩獲取了植被與土壤混合像元的多角度偏振反射信息[8]；趙娟等人探討了不同株型小麥的雙向反射分布函數(shù)特征[9]；北京大學(xué)閆彬彥等人從葉片著手分析了行播作物二向性反射的一體化模型[10]；田啟燕結(jié)合覃文漢“熱點(diǎn)”校正模型，給出了任意傾向長方形葉片的雙向反射率模型[11]。已有的研究雖均涉及植被多角度反射，但從中不難看出：(1)研究多數(shù)是單葉尺度而不是冠層尺度。(2)研究對象以大田農(nóng)作物為主，室內(nèi)景觀植物研究較少。與單葉相比，植被冠層反射信息較為完整，能較精確地反映植被自身特性，避免偶然性。另外，大田作物生長習(xí)性與室內(nèi)景觀植物存在差別，研究室內(nèi)植物反射特性同樣具有重要意義。因此本研究選取盆栽植被冠層——南洋杉(模擬針葉)和菜豆樹(模擬闊葉)為研究對象，在多角度反射測量的基礎(chǔ)上，獲得了植被冠層雙向反射信息。本文主要對不同植被冠層雙向反射特征的變化規(guī)律進(jìn)行討論。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選取菜豆樹(模擬闊葉)和南洋杉(模擬針葉)植被冠層為研究對象。菜豆樹：羽狀復(fù)葉，葉片革質(zhì)且全緣無毛，冠層較密[12-13]；南洋杉：葉片多為針狀，冠層較平整[14-15]。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器及方法

本實(shí)驗(yàn)使用ASD FS3系列光譜儀, 結(jié)合東北師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)室角度測量系統(tǒng)(NENULGS)[16-17]來獲取植被冠層多角度反射信息。實(shí)驗(yàn)所選方位角范圍0～360°，15°一個間隔；探測角范圍0～60°，10°一個間隔；又選擇了50°入射角和60°入射角進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)中0°、15°、345°方位角下40°探測角時因儀器自身構(gòu)造影響，發(fā)生擋光現(xiàn)象，三處反射值無法測量。因此，每個入射角環(huán)境下均可對樣本進(jìn)行142個方向的光譜測量，本研究主要依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1　入射角60°，垂直探測不同植被冠層反射光譜

2結(jié)果與分析

2.1植被冠層反射光譜曲線

南洋杉與菜豆樹在60°入射角、垂直探測時反射光譜曲線如圖1所示，橫軸表示不同波段，縱軸表示反射比，即在相同條件下地物向某一方向反射的強(qiáng)度與該方向理想的漫反射強(qiáng)度之比[5]。

南洋杉和菜豆樹在350～2500 nm范圍內(nèi)均表現(xiàn)出典型的植被光譜反射特征，即在可見光波段內(nèi)，出現(xiàn)“紅谷”、“藍(lán)谷”、“綠峰”，在近紅外區(qū)內(nèi)出現(xiàn)高反射平臺[18-20]。其中，750～1300 nm波譜段內(nèi)，由于水或氧的吸收帶影響，植被光譜曲線具有波狀起伏的特點(diǎn)[18]?？傮w上，反射曲線呈“五谷四峰”的變化，反射率受到植被本身的色素含量、細(xì)胞結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，所以兩種植被冠層的反射值顯現(xiàn)一定的差異性[19-20]。

謝曉金曾提出：380～760 nm時植被反射值多與葉綠素的吸收有關(guān)，760～1350 nm時多與植物本身的細(xì)胞構(gòu)造有關(guān)，1400 nm以后主要受含水量的影響[18]。楊紅飛研究證明可見光波段，生物量大、葉綠素高導(dǎo)致反射值低[19]。而本實(shí)驗(yàn)中，菜豆樹較為茂盛，冠層較密，其生物量大于南洋杉，相對的葉綠素含量高于南洋杉，因此可見光波段闊葉植被反射值低于針葉。近紅外波段反射值的差異與細(xì)胞結(jié)構(gòu)和含水量有關(guān)，南洋杉葉片呈針狀，與菜豆樹相比，含水量相對較小，近紅外部分對光的吸收較弱，因此反射值高于闊葉。與可見光相比，近紅外處兩種植被冠層反射值的差異更明顯，因此近紅外波段可以為植被冠層的區(qū)分提供參考依據(jù)。

2.2主平面反射特性分析

主平面方向(即前向180°方位和后向0°方位構(gòu)成的平面)攜帶了豐富的光學(xué)信息[6,9]。本研究選取670 nm、865 nm進(jìn)行分析，60°入射時主平面方向植被冠層反射比與探測角的關(guān)系如圖2所示。180°方位，標(biāo)識為正值；0°方位，標(biāo)識為負(fù)值。

Nolin[21]和孫仲秋[22]先后研究過“各向異性反射系數(shù)”。本研究中，為了比較植被冠層在不同波段對探測角的敏感性，亦引入“各向異性反射系數(shù)”(各探測角度觀測值與0°探測觀測值之比)。反射系數(shù)與探測角的關(guān)系如圖3所示。

圖2　入射角60°，反射比隨探測角度的變化

圖3　入射角60°，各向異性反射系數(shù)示意圖

670 nm：前向散射方向(180°方位)上，針葉植被冠層隨探測角增加陰影面積增大導(dǎo)致反射值先減小，后因單次散射光的影響反射值增加[17]。闊葉植被冠層隨探測角增加反射值增加，主要是因?yàn)椴硕箻淙~片平整，蠟質(zhì)層較明顯，容易產(chǎn)生鏡面反射，而葉片的表面不是絕對的鏡面反射體，所以探測角度越大鏡面反射越明顯，反射值越高[23]；后向散射方向(0°方位)上，針葉和闊葉植被冠層均隨探測角增加陰影面積減小導(dǎo)致反射值增加。

865 nm：前向反射規(guī)律與670 nm有所不同。在前向，隨探測角增加，闊葉植被冠層反射值先增加到峰值后又逐漸減小[23]，針葉植被冠層因陰影面積一直增加導(dǎo)致反射值持續(xù)降低。

兩種植被冠層在670 nm和865 nm波段，后向反射值均高于前向，這主要與陰影面積的變化有關(guān)。

整體比較兩個波段，865 nm冠層反射值明顯高于670 nm，與上文2.1中提出的近紅外區(qū)出現(xiàn)高反射平臺規(guī)律相符。出現(xiàn)高反射平臺與植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，可理解為植物防灼傷的自衛(wèi)本能[18-19]。

由圖3可知，670 nm時兩條曲線起伏較大，865 nm時較平緩，即兩種植被冠層在670 nm對探測角的敏感性要比865 nm高。

2.3植被冠層雙向反射分布

雙向反射分布圖中，0°、15°、345°方位的40°探測角測量時，因儀器構(gòu)造影響發(fā)生擋光現(xiàn)象，測量值無法得到，圖上對應(yīng)的空白范圍即為未知值。

2.3.1雙向反射特征分析

由圖4、圖5可知，不同植被冠層雙向反射分布特征差異較大?？傮w來看闊葉的各向異性反射特征(即地物反射強(qiáng)度隨光線入射角和觀測角的不同而變化的特性[3,5,9])要明顯強(qiáng)于針葉，這可能與植被冠層的葉片形態(tài)和內(nèi)在細(xì)胞結(jié)構(gòu)有關(guān)，葉子形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色素、含水量等特征不同，反射率也各有特點(diǎn)[20]。

由于菜豆樹與南洋杉葉片表面比較均勻，以主平面為軸，軸線兩側(cè)冠層雙向反射均呈現(xiàn)較好的對稱性。杜朋朋也曾證明，葉片表面粗糙分布對稱性會形成較為對稱的雙向反射分布[6]。

針葉冠層反射最高值分布在后向0°附近，最低值分布在前向180°附近。而闊葉冠層反射最高值出現(xiàn)在330°和30°方位角附近，最低值出現(xiàn)在255°和105°方位角附近，即極值并不集中分布在主平面方向，與針葉存在較大差別，這與植被冠層自身特性有關(guān)。

圖4　入射角60°，670 nm不同植被冠層雙向反射分布

圖5　入射角60°，865 nm不同植被冠層雙向反射分布

2.3.2入射角對針葉植被冠層雙向反射分布的影響

為了說明觀測反射分布變化，這里以針葉樹為研究對象。觀察圖6可知，入射角的變化并不影響針葉植被冠層雙向反射分布的整體規(guī)律(規(guī)律如上文2.2中所述)。但隨著入射角減小，反射值整體減小，且極值愈加集中在主平面方向。張紅和朱啟疆在對玉米、大豆、棉花研究中也證明，入射角變大，近紅外的反射值均增大，且在相對入射方向的反射方向出現(xiàn)峰值[23]。

圖6　入射角為50°和60°，670 nm針葉植被冠層雙向反射分布

3結(jié)論

(1)不同植被冠層雙向反射特征差異很大。與針葉相比，闊葉植被冠層各向異性更明顯。針葉植被冠層：60°入射：后向反射值大于前向；反射極值較集中的分布在主平面方向；后向隨探測角增加反射值增加；前向規(guī)律因波段而有差別，670 nm處，探測角增加反射值先減小后增加，865 nm處，探測角增加反射值降低。

(2)闊葉植被冠層：60°入射：后向反射值大于前向；反射最高值出現(xiàn)在距主平面的后向30°方位角附近，最低值出現(xiàn)在距主平面的前向75°方位角附近；后向隨探測角增加反射值增加；前向規(guī)律因波段而有差別，670 nm處，探測角增加反射值增加，865 nm處，探測角增加反射值先增加后降低；不同植被冠層反射分布受入射角影響，即隨著入射天頂角增加，反射增大。

本文主要對不同種植被冠層的反射特性進(jìn)行對比研究，實(shí)際中還可考慮同為針葉或闊葉植被冠層，若其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、處的生長期等不同，則反射特征也會有差別。因此，研究同種植被冠層反射分布的差異及影響因素也是非常有意義的。

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Study on Different Vegetation Canopy Multi-angle Reflection Characteristics

YANG Xiu-yun，ZHANG Chun-ying，SUN Zhong-qiu

(School of Geographical Sciences of Northeast Normal University，Changchun Jilin 130024，China)

Abstract:In order to compare the difference and correlation of bidirectional reflectance distribution of different vegetation canopy and provide the basis for the inversion of vegetation characteristic parameters. In this study, we use the ASD FS3 spectrometer and the Northeast Normal University laboratory angle measurement system (NENULGS) to obtain the reflection information of multi-angle of vegetation canopy. The study shows that:(1) The anisotropic characteristics of the broad leaf canopy was more obvious than the needle.(2)Generally, the backward reflection value is greater than the forward direction, and in the backward reflection, with the increase of the detection angle, the shadow area decrease and the reflected value increase. The forward reflection is opposite to the backward. (3)With the decrease of the incidence angle, the change of the reflection law of broad leaf canopy was more clear than the needle. (4) The bidirectional reflectance distribution of vegetation canopy is impacted by the detection conditions and canopy morphology.

Key words:canopy; multi-angle reflection; anisotropic characteristics

[收稿日期]2016-03-07

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金委員會青年基金項(xiàng)目“粒徑大小對顆粒表面偏振反射光譜特性影響機(jī)制研究”(41401379)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于植硅體分析的昂昂溪文化期古人類生存環(huán)境的復(fù)原與重建——以洪河遺址為例”(201510200052)。

[作者簡介]楊秀云(1994- )，女，東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院學(xué)生，從事定量遙感實(shí)驗(yàn)與研究。

[通訊作者]孫仲秋(1986- )，男，講師，博士，從事偏振光遙感與定量遙感研究。

[中圖分類號]TP72

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)06-0185-06

注：本研究為國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。項(xiàng)目組成員：劉旭、楊秀云、段天男、熊志飛、歷丹丹；指導(dǎo)教師：介冬梅。