基于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)研究

魏高磊，吳太夏，王樹(shù)東，楊瑩瑩

（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101）

空間尺度效應(yīng)就是隨著遙感影像空間分辨率的變化，獲得的參數(shù)也隨之改變的現(xiàn)象。在某一尺度上人們得到的性質(zhì)、原理或規(guī)律，在另一尺度上可能有效、相似，也可能需要被修正[1]。任何一種觀測(cè)手段都具有尺度代表性，其只能在某一固定的尺度內(nèi)運(yùn)用[2-3]。如果在一定空間尺度構(gòu)建的模型被不加考慮地運(yùn)用到其他尺度，就會(huì)產(chǎn)生因空間尺度差異而帶來(lái)的誤差。隨著遙感數(shù)據(jù)源越來(lái)越多，多源影像的協(xié)同利用也越發(fā)受到重視，然而這受到空間尺度效應(yīng)的制約，致使海量遙感數(shù)據(jù)無(wú)法得到充分應(yīng)用，因此有必要對(duì)空間尺度效應(yīng)進(jìn)行研究。植被指數(shù)是為增強(qiáng)植被信息而對(duì)多個(gè)波段的光譜反射率作出的組合運(yùn)算，是大范圍反演葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、葉綠素含量等植被理化參數(shù)的重要方式?？臻g尺度效應(yīng)對(duì)植被指數(shù)的影響最終會(huì)反映到由植被指數(shù)估算的這些植被參數(shù)上。此外，在與植被指數(shù)有關(guān)的多尺度協(xié)同及尺度轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)景中，空間尺度效應(yīng)也是難以避開(kāi)的問(wèn)題。所以植被指數(shù)的空間尺度效應(yīng)研究具有重要的應(yīng)用潛力和科研價(jià)值，更加需要被重視。

當(dāng)前對(duì)植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的研究多是基于不同空間分辨率的多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)或由單一影像模擬而來(lái)的數(shù)據(jù)。張婧等[4]對(duì)同一區(qū)域SPOT、MODIS、TM、ALOS、IKONOS 五種分辨率的衛(wèi)星影像分別計(jì)算了NDVI，發(fā)現(xiàn)隨著分辨率的降低，NDVI 的取值范圍不斷收攏，表明圖像的對(duì)比度在下降，提取植被信息的效果在降低。Van 等[5]利用模擬的不同空間分辨率的MERIS 數(shù)據(jù)集研究了空間尺度變化對(duì)植被指數(shù)的影響，結(jié)果顯示植被指數(shù)隨著空間尺度的變化保持不變。齊婧冰等[6]基于TM 影像計(jì)算了5 種植被指數(shù)，并使用最鄰近采樣法分別生成分辨率為60、120、240、480、960 m 的圖像，通過(guò)信息熵度量了不同空間尺度下植被指數(shù)圖像的信息量，結(jié)果顯示隨著空間分辨率降低，240 m 分辨率后植被指數(shù)圖像的信息量逐漸減少。有的研究未使用遙感影像，而是單純通過(guò)數(shù)值模擬的方式對(duì)植被指數(shù)的空間尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究。Kenta 等[7]研究了區(qū)域平均NDVI 的單調(diào)性與空間分辨率的關(guān)系，通過(guò)公式推導(dǎo)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)尺度效應(yīng)不僅與光譜特征有關(guān)，還與像元的分割規(guī)則有關(guān)。

然而，不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)之間存在因傳感器不同而產(chǎn)生的偏差，使用來(lái)自同一傳感器的數(shù)據(jù)可避免這種不確定性[8]。模擬數(shù)據(jù)也不能真正反映實(shí)際情況。而且這些研究所用數(shù)據(jù)的空間分辨率一般為米級(jí)甚至千米級(jí)，缺少對(duì)mm、cm 級(jí)這類(lèi)超高空間分辨率下植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的研究。而在mm、cm 級(jí)的空間分辨率下圖像的紋理結(jié)構(gòu)更加清晰，顯示的地表覆蓋更為復(fù)雜，陰影、類(lèi)內(nèi)光譜差異的影響也更加突出，使得植被覆蓋度對(duì)植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的影響更加顯著。Chen 等[9]認(rèn)為將粗分辨圖像中建立的關(guān)系應(yīng)用到細(xì)分辨率圖像中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。因此，在m、km 級(jí)空間尺度下獲得的植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)未必適用于mm、cm 級(jí)這類(lèi)超高分辨率的空間尺度。

本研究利用無(wú)人機(jī)獲取了3 個(gè)空間尺度的高光譜數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)可通過(guò)調(diào)整飛行的高度來(lái)獲得不同空間分辨率的圖像，因此獲取的數(shù)據(jù)之間不存在傳感器誤差。同時(shí)，用于研究的數(shù)據(jù)均為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，這比模擬數(shù)據(jù)更加可信。本文研究的目標(biāo)主要有3 個(gè)，分別是：①探究不同植被指數(shù)隨空間分辨率的變化規(guī)律；②探索不同植被覆蓋度下植被指數(shù)的空間尺度效應(yīng)；③比較各植被指數(shù)受空間尺度效應(yīng)影響的程度。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

2018-07-10 ，本研究利用大疆經(jīng)緯M600 型號(hào)無(wú)人機(jī)在江蘇南京分別于120 m、240 m 和480 m 高度獲取了實(shí)驗(yàn)所需的遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率分別為5 cm、10 cm 和21 cm。無(wú)人機(jī)上搭載的是Headwall Photonics公司的Nano-Hyperspec 微型機(jī)載高光譜成像儀，其光譜范圍為400～1 000 nm，光譜波段數(shù)為270，光譜分辨率為6 nm。

獲取的無(wú)人機(jī)原始圖像在Headwall 提供的后處理軟件中進(jìn)行了輻射定標(biāo)，并通過(guò)GPS/IMU 模塊記錄的成像儀姿態(tài)信息對(duì)采集的條帶進(jìn)行了幾何校正。為了便于研究和分析，對(duì)三個(gè)空間尺度的圖像在ENVI 中進(jìn)行了幾何配準(zhǔn)，并利用標(biāo)準(zhǔn)反射白板進(jìn)行了光譜數(shù)據(jù)的校正，獲得了反射率圖像，如圖1 所示。

圖1 在3 個(gè)空間尺度獲取的無(wú)人機(jī)圖像

1.2 植被覆蓋度的確定

為了探究植被覆蓋度對(duì)植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的影響，對(duì)120 m 高度的反射率圖像進(jìn)行了SVM 監(jiān)督分類(lèi)，提取出了植被覆蓋區(qū)域，然后在圖1 中三幅圖像的相同位置選擇了8 塊樣地，每塊樣地的大小為6 m×6 m，分別對(duì)應(yīng)0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9這8 個(gè)植被覆蓋度，每個(gè)植被覆蓋度樣方如圖2 所示。

圖2 植被覆蓋度為0.2～0.9 的8 個(gè)樣方

1.3 植被指數(shù)的選擇

到目前為止定義的植被指數(shù)已經(jīng)有上百個(gè)，由于篇幅所限，對(duì)每個(gè)植被指數(shù)都探究其空間尺度效應(yīng)并不實(shí)際。為了體現(xiàn)代表性，研究中選擇了一些常用的寬波段植被指數(shù)，包括數(shù)值計(jì)算型的NDVI、SR、DVI、RDVI，土壤調(diào)節(jié)型的MSAVI、OSAVI，以及大氣修正型的EVI、GEMI?；诟吖庾V數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，研究中還選擇了一些窄波段植被指數(shù)，包括紅邊指數(shù)VOG1、VOG2，三角植被指數(shù)TVI，類(lèi)胡蘿卜素反射指數(shù)CRI1，光化學(xué)植被指數(shù)PRI 和水波段指數(shù)WBI。這些植被指數(shù)的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 研究中使用的14 種植被指數(shù)

1.4 空間尺度效應(yīng)影響評(píng)價(jià)

1.4.1 空間尺度效應(yīng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

對(duì)于一個(gè)植被指數(shù)來(lái)說(shuō)，在某一植被覆蓋度下的值隨空間尺度升高的變化相對(duì)其他植被覆蓋度較大，則表明這個(gè)植被指數(shù)在該植被覆蓋度下受到空間尺度效應(yīng)的影響也較大。因此，可以用相鄰空間尺度植被指數(shù)的絕對(duì)變化來(lái)表征同一個(gè)植被指數(shù)在不同植被覆蓋度下空間尺度效應(yīng)的強(qiáng)弱，計(jì)算公式如下：

式中，VI1和VI2分別表示較高和較低空間分辨率下的植被指數(shù)。

由3 個(gè)空間尺度數(shù)據(jù)可以得到2 次空間尺度變化。為了獲得更合理的結(jié)果，需要對(duì)2 次植被指數(shù)的絕對(duì)變化一起分析。但是對(duì)于一些植被指數(shù)來(lái)說(shuō)，兩次絕對(duì)變化的取值范圍并不一致，有的甚至相差很大，這給結(jié)果的展示和分析帶來(lái)了困難。因此，研究中對(duì)240 m相對(duì)于120 m 空間尺度以及480 m 相對(duì)于240 m 空間尺度的植被指數(shù)絕對(duì)變化進(jìn)行了歸一化處理，公式為：

式中，VI表示植被指數(shù)；i表示植被覆蓋度；max（|ΔVI|）表示所有植被覆蓋度中植被指數(shù)絕對(duì)變化的最大值。

1.4.2 植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)強(qiáng)弱比較

由于14 種植被指數(shù)的值域并不相同，這使得無(wú)法直換比較它們受空間尺度效應(yīng)影響的強(qiáng)弱，而相鄰尺度植被指數(shù)的相對(duì)變化可使得其具有可比性，相對(duì)變化越大說(shuō)明空間尺度效應(yīng)的影響越大。相對(duì)變化的計(jì)算公式為：

式中，VI1,i和VI2,i分別表示在植被覆蓋度i下較高空間分辨率圖像和較低空間分辨率圖像中的植被指數(shù)值。

2 植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)分析

2.1 不同空間尺度植被的光譜曲線

如圖3 所示，根據(jù)研究區(qū)植被的光譜特征，選擇435 nm、677 nm 和801 nm 處的反射率分別作為表1公式中藍(lán)光、紅光和近紅外處的光譜反射率。在整個(gè)光譜范圍（400～1 000 nm）480 m 空間尺度植被的光譜反射率最大，240 m 次之，120 m 最小。植被光譜的這種差異可能與冠層陰影有關(guān)。如圖4 所示，隨著空間尺度的升高，像元逐漸混合，在120 m 空間尺度顯示出的冠層陰影升高到480 m 后已經(jīng)完全體現(xiàn)不出來(lái)。也就是說(shuō)冠層陰影隨著空間分辨率的降低而不斷減弱，使得對(duì)應(yīng)像元區(qū)域的反射率逐漸升高。

圖3 120 m、240 m 和480 m 三個(gè)空間尺度植被的光譜曲線

圖4 三個(gè)空間尺度圖像中的同一像元區(qū)域

2.2 植被指數(shù)隨空間尺度的變化規(guī)律

如圖5 所示，除VOG2 外，各植被指數(shù)整體上均隨著植被覆蓋度的增大而變大，但隨著空間尺度升高的變化趨勢(shì)卻不盡相同。NDVI 隨著空間尺度升高在植被覆蓋度為0.2 ～0.8 時(shí)逐漸增大，即與低分辨率圖像相比，高分辨率圖像計(jì)算的NDVI 較低，這和Emmanouil 等[23]的結(jié)論一致。隨著空間分辨率降低，SR、CRI1 逐漸減小，DVI、RDVI、EVI、GEMI、MSAVI、OSAVI、VOG1、VOG2、TVI 和PRI 則表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。WBI 在120 m 和240 m 空間尺度的值相差不大，但在480 m 空間尺度的值顯著減小。

從柱狀圖中可以看出，隨著空間尺度升高，各植被指數(shù)變化幅度的變化也有所差別。NDVI 和VOG1在各植被覆蓋度下的變化幅度有升高也有降低，但總體來(lái)說(shuō)它們的變化增大了。PRI 和WBI 在480 m 相對(duì)于240 m 空間尺度的絕對(duì)變化要遠(yuǎn)大于240 m 相對(duì)于120 m 空間尺度的絕對(duì)變化，這表明隨著空間尺度的升高，這2 個(gè)植被指數(shù)的變化幅度在增大，空間尺度效應(yīng)的影響更加明顯。隨著空間分辨率降低，DVI、RDVI、GEMI、MSAVI、OSAVI 和TVI 在0.2～0.4 低植被覆蓋下的變化幅度相差不大，但在0.5～0.9 中高植被覆蓋下變化幅度明顯減小，這意味著在中高植被覆蓋下對(duì)于這些植被指數(shù)來(lái)說(shuō)空間尺度效應(yīng)的影響是減弱的。SR、EVI 和CRI1 的變化幅度差異較小，而VOG2 在植被覆蓋度0.2、0.3、0.7、0.8 下的變化幅度減小，在其他植被覆蓋度下的變化幅度相差不大。

2.3 植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)隨植被覆蓋度的變化規(guī)律

如圖6 所示，對(duì)于SR、DVI、EVI、GEMI、MSAVI、VOG2、TVI、CRI1 來(lái)說(shuō)，植被覆蓋度大于（等于）0.5 的點(diǎn)更靠近1∶1 線的右上端，RDVI 和OSAVI 除了植被覆蓋度為0.9 的點(diǎn)外也表現(xiàn)出這種特征，這說(shuō)明這些植被指數(shù)在中高植被覆蓋下受空間尺度效應(yīng)的影響較大。而SR和CRI1 的植被覆蓋度為0.8 和0.9 的點(diǎn)在1∶1 線上和其他點(diǎn)相距很遠(yuǎn)，意味著這2 個(gè)植被指數(shù)在高植被覆蓋下受空間尺度效應(yīng)的影響要比在中低植被覆蓋下大的多。WBI 的植被覆蓋度為0.2 和0.4 的點(diǎn)位于1∶1 線的右上端，而為0.9 的點(diǎn)更換近原點(diǎn)，表明在低植被覆蓋下空間尺度效應(yīng)對(duì)WBI 的影響較大。相對(duì)而言，NDVI 的點(diǎn)的分布更為隨機(jī)，VOG1 除植被覆蓋度為0.9 的點(diǎn)外其他點(diǎn)都位于1∶1 線的右上端，PRI 的所有點(diǎn)都在1∶1 線的右上端，表明隨著植被覆蓋度增大，空間尺度效應(yīng)對(duì)NDVI的影響沒(méi)有什么規(guī)律，對(duì)VOG1 和PRI 的影響較小。

總而言之，cm 級(jí)的空間分辨率下，對(duì)于大部分的植被指數(shù)來(lái)說(shuō)，在植被覆蓋度大于（等于）0.5 的中高植被覆蓋下受空間尺度效應(yīng)的影響更大。這或許是因?yàn)樵谥懈咧脖桓采w下植被類(lèi)內(nèi)光譜差異和冠層陰影的影響更加顯著，而同一區(qū)域土壤光譜的差別很小，這使得中高植被覆蓋下這種復(fù)雜的異質(zhì)性要比單純植被土壤間的異質(zhì)性更加突出。而有些植被指數(shù)如RDVI、OSAVI、VOG1、WBI 在植被覆蓋度為0.9 時(shí)，受空間尺度效應(yīng)的影響較小，可能是因?yàn)橹脖桓采w度為0.9 的樣地包含的是一片LAI 較高的濃密冠層，其植被內(nèi)部的光譜差異和冠層陰影的影響相對(duì)較小。

圖5 3 個(gè)空間尺度植被指數(shù)隨植被覆蓋度增大的變化折線圖（對(duì)應(yīng)左軸）和相鄰尺度植被指數(shù)的絕對(duì)變化柱狀圖（對(duì)應(yīng)右軸）

圖6 尺度不同植被覆蓋度下植被指數(shù)絕對(duì)變化的歸一化值

2.4 植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)強(qiáng)弱比較

如圖7 所示，無(wú)論是240 m 相對(duì)于120 m 空間尺度，還是480 m 相對(duì)于240 m 空間尺度，CRI1、EVI的相對(duì)變化都比較大，而NDVI、SR、VOG1、VOG2的相對(duì)變化都比較小，表明空間尺度變化對(duì)CRI1、EVI 的影響較大而對(duì)NDVI、SR、VOG1 和VOG2 的影響較小。其他植被指數(shù)的相對(duì)變化介于這兩類(lèi)植被指數(shù)之間。其中，PRI 和WBI 的240 m 相對(duì)于120 m空間尺度的相對(duì)變化曲線的位置較低，但是480 m 相對(duì)于240 m 空間尺度的相對(duì)變化曲線的位置相對(duì)較高。而DVI、TVI、MSAVI 的相對(duì)變化要高于RDVI、OSAVI 和GEMI，意味著DVI、TVI 和MSAVI 受空間尺度效應(yīng)的影響相對(duì)更大。

注意到受空間尺度效應(yīng)影響較小的NDVI、SR、VOG1 和VOG2 均是由波段以相對(duì)簡(jiǎn)單的比值形式構(gòu)成，而受空間尺度效應(yīng)影響較大的CRI1、EVI、DVI、RDVI、GEMI、MSAVI、OSAVI、TVI 要么由波段以差值形式組成，要么計(jì)算公式的非線性程度較高。因此，以相對(duì)簡(jiǎn)單的比值形式構(gòu)成的植被指數(shù)更能抵抗空間尺度效應(yīng)的影響，而增加公式的復(fù)雜性會(huì)降低這種能力。

同時(shí)注意到對(duì)類(lèi)胡蘿卜素敏感的CRI1 和反映葉綠素吸收的TVI 的相對(duì)變化均較大，而對(duì)活植物的類(lèi)胡蘿卜素尤其是黃色色素非常敏感的PRI 和與900 nm 處冠層水分吸收有關(guān)的WBI 從240 m 上升到480 m 空間尺度的相對(duì)變化也較大，這說(shuō)明對(duì)色素和冠層水分敏感的窄波段容易受到空間尺度效應(yīng)的影響。

圖7 14 種植被指數(shù)隨植被覆蓋度的相對(duì)變化

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用高空間分辨率的無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)，研究了14 種植被指數(shù)在不同植被覆蓋度下隨空間尺度升高的變化規(guī)律，并分析了植被覆蓋度對(duì)植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的影響，以及比較了各植被指數(shù)空間尺度效應(yīng)的強(qiáng)弱，得到以下結(jié)論：

1）隨著空間尺度升高，不同植被指數(shù)的變化趨勢(shì)和幅度并不一致。

2）cm 級(jí)的空間分辨率下，由于植被類(lèi)內(nèi)光譜差異和冠層陰影的影響，植被指數(shù)在植被覆蓋度大于等于0.5 的中高植被覆蓋下受空間尺度效應(yīng)的影響更大。

3）由相對(duì)簡(jiǎn)單的比值形式構(gòu)成的植被指數(shù)如NDVI、SR 等，具有抵抗空間尺度效應(yīng)的能力，增加計(jì)算公式的復(fù)雜性會(huì)降低這種能力。

4）對(duì)色素和冠層水分敏感的窄波段容易受到空間尺度效應(yīng)的影響，進(jìn)而使得由這些窄波段構(gòu)成的植被指數(shù)對(duì)空間尺度變化更為敏感。

本文得出的上述結(jié)論涉及了超高空間分辨率下植被覆蓋度、植被指數(shù)的組成波段及構(gòu)成形式與空間尺度效應(yīng)的關(guān)系，可為與尺度相關(guān)的研究在選擇合適的植被指數(shù)及植被覆蓋度時(shí)提供依據(jù)和參考。