基于模型模拟和OLI遥感影像的植被叶绿素含量估算研究

摘要

地球的陆地表面约有70％的面积覆盖着植被，因此绿色植被就成为了地球陆地生态系统的一个基本组成成分。植被在土壤形成、制造氧气、涵养水源、保持水土、净化空气、消除噪音、调节气候、防风固沙、提供木材、动物栖息与消毒杀菌等方面均起到了重要作用。植被内部包含着叶绿素、水分、干物质等物质以及氮、碳等微量元素，这些物质称为植被的生化组分。叶绿素含量能够反映植被受营养胁迫程度、植被光合作用能力、植被所处生长发育阶段与外界环境影响等。
　　2013年5月，通过在石家庄市栾城县野外实地测量，获得了采集点的经纬度、高程、冬小麦的LAI、株高、平均叶倾角MTA、光合有效辐射(PAR)等数据。通过设定一定的参数，使用PROSPECT+SAIL模型进行了模拟，获得了植被冠层波谱，分析了植被叶绿素含量与各种植被指数、观测天顶角、LAI的关系，构建了植被叶绿素含量的估算模型。利用2013年5月19日的Landsat-8OLI影像，估算了冬小麦叶绿素含量。主要的研究结论如下:
　　(1)通过野外实测，获得了冬小麦的光谱和生理生化参数。研究区实测小麦LAI范围是2.135-6.445，均值是4.161。小麦叶倾角MTA范围是28°-63.5°，均值是56.16°。小麦株高范围是64-83cm，均值是76.373cm。
　　(2)使用PROSPECT与SAIL模型进行了模拟，获取了植被的冠层反射率。模型模拟时，选择了冬小麦实测值LAI为4和6这两个典型值。观测天顶角的取值，则参考了CHRIS传感器的成像角度，选择了0°、36°、55°这三个角度作为观测天顶角。又选取了三个观测天顶角40°、60°、90°。此研究可对利用多角度估算叶绿素含量提供理论基础。
　　(3)分析了植被冠层反射率与叶绿素含量和观测天顶角的关系。在同一波段范围内，冠层反射率随着观测天顶角的增加而增加。在680-2400nm波段范围内，在不同观测天顶角条件下，40μg/cm2与65μg/cm2两种叶绿素含量下的冠层反射率差异不大。因此在可见光波段，叶绿素是影响冠层反射率的主要因素，随着叶绿素含量的增加，冠层反射率下降。随着LAI的增加，冠层反射率受观测天顶角的影响减小，即当植被稀疏(LAI=1)时，冠层反射率对观测天顶角的敏感性更高。在相同的观测天顶角下，LAI较高时植被冠层反射率也较高。
　　(4)分析了不同叶绿素含量与观测天顶角条件下，NDVI与LAI的关系。叶绿素含量一定的情况下，NDVI呈现出随LAI的增加而增加的趋势。LAI一定时，NDVI随观测天顶角的增加，而呈现出下降的趋势。当叶绿素含量≥35μg/cm2且LAI＞1.5时，观测天顶角越小，其所对应的NDVI值越大;当叶绿素含量≥35μg/cm2且LAI≤1.5时，观测天顶角越小，其所对应的NDVI值越小，在叶绿素含量一定时，随着LAI从1到7逐渐增加，0°-90°观测天顶角范围内的NDVI变化幅度缓慢增加。随着LAI的增加，不同观测天顶角对应的NDVI在叶绿素含量较高时，其变化幅度较小。
　　(5)分析了叶绿素含量与多种植被指数的关系。当叶面积指数LAI是4和6时，估算叶绿素含量较好的指数是MCARI705和CIrededge，在不同的观测天顶角下，它们之间的相关性均接近1，其次是GRVI和MCARI670，最差的是DVI。
　　(6)利用Landsat-8OLI影像建立了叶绿素含量估算模型。利用RVI、GRVI与NDVI的估算模型，得到研究区叶绿素含量分布图。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 遥感估算植被叶绿素的原理与优势

1．3 国内外研究概况

1．3．1 叶绿素含量传统估算方法

1．3．2 叶绿素含量遥感估算方法

1．4 研究内容和技术路线

2 研究区概况

2．1 地理位置

2．2 气候特征

2．3 土壤类型和农作物

3 研究区数据采集

3．1 野外实测数据

3．2 实验室叶绿素提取

3．3 CHRIS数据

3．4 Landsat-8 OLI数据

4 模型模拟及数据处理

4．1 模型介绍

4．1．1 叶片光学物理模型PROSPECT

4．1．2 SAIL模型

4．2 模型参数设置

4．3 Landsat-8 OLI数据的处理

4．4 植被指数的选取和计算

4．4．1 植被指数的选取

4．4．2 植被指数计算

5 基于模型模拟的叶绿素含量与各相关因子的关系

5．1 不同叶绿素含量与观测天顶角条件下冠层反射率的对比

5．2 相同叶绿素含量与不同LAI条件下冠层反射率的对比

5．3 不同叶绿素含量和观测天顶角条件下，NDVI与LAI之间的关系

5．4 叶绿素含量与植被指数的关系

5．4．1 不同植被指数随叶绿素含量的变化

5．4．2 基于模型模拟的叶绿素含量估算模型

5．5 实测与模型模拟的植被光谱比较

6 基于OLI影像的叶绿素含量估算与成图

6．1 基于OLI影像的叶绿素估算模型的建立

6．2 研究区叶绿素含量成图

6．3 叶绿素含量估算值与实测值的统计分析

7 结论与展望

7．1 结论与讨论

7．2 展望

参考文献

后记

硕士学习期间论文情况