基于高分一号时序数据和PROSAIL模型的水稻田叶面积指数反演

摘要

缨帽三角 (Tasseled Cap Triangle，TCT)–叶面积指数(Leaf Area Index，LAI)等值线模型是一种反映植被叶面积指数等值线在红光(Red)–近红外(NIR)波段反射率组成的二维光谱空间中分布规律的模型。在此基础上建立 LAI 遥感反演模型相较常用的统计关系模型更加精确。LAI 等值线在红光-近红外光谱空间中的分布（斜率、截距）受到植被覆盖度的影响，而水稻在不同生长阶段的植被覆盖度不同。研究水稻田整个生育期内红光–近红外波段反射率随时间变化的轨迹特征，建立适用于水稻田整个生长期的TCT–LAI等值线模型，对于大面积反演LAI、水稻田生长监测和农业估产有着重要的意义。　　本研究基于PROSAIL模型与时序实测数据，通过引入植被覆盖度信息，验证了PROSAIL模型对于不同生育期水稻田的适用性。结合sobol全局敏感性分析、模型适宜性分析与实测数据范围，给出适用于水稻田遥感反演的PROSAIL模型参数组合模式，建立水稻田整个生育期内的红–近红外反射率与叶面积指数的缨帽三角数值模式。据此进行了时间序列的高分一号遥感影像水稻田叶面积指数反演，并利用实测LAI分别对模型精度和LAI反演精度进行了验证。主要研究结论如下：　　(一) 在水稻田的整个生育期内，叶面积指数总体呈先增大后减小趋势。叶绿素含量在整个生育期内不断波动，在抽穗期灌浆期达到峰值。平均叶倾角在整个生育期内呈先增大后减小再增大的趋势。水稻植株高度呈先增大后减小或趋于平稳的趋势。基于实测光谱计算得到的水稻田时间序列NDVI与基于影像像元计算得到的时序NDVI轨迹特征均呈先增大后减小的趋势，在拔节抽穗期达到最大值。　　(二) 相同时相的Landsat 8 OLI 水稻田红–近红外波段反射率与高分一号WFV水稻田的红–近红外波段反射率线性相关，相关系数分别为0.65、0.83。　　(三) 当植被覆盖度较大时，实测冠层光谱曲线（考虑植被覆盖度）与模拟光谱曲线的匹配结果较好，匹配量化值 RMSE 小于 0.04，两条曲线的形态也近乎相同。当植被覆盖度较小时，水稻田生长背景（水体或湿土）对冠层光谱的影响较大，模拟光谱曲线和实测光谱曲线匹配结果较差，相应RMSE值也较大。　　(四) 叶绿素含量是影响可见光波段范围冠层反射率的主要因素，对冠层反射率的总敏感度约为85%。叶面积指数LAI、平均叶倾角ALA和叶片干物质含量Cm是影响近红外波段冠层反射率的3个主要参数，其中叶面积指数和平均叶倾角对冠层反射率的总敏感度超过80%。　　(五) 高分一号 WFV 影像水稻田反演叶面积指数在水稻田的整个生育期内呈先增加后减小的趋势，在拔节期达到最大值，LAI时序变化特征符合水稻生长发育进程。　　(六) 常乐镇实测LAI与基于实测光谱反演的LAI具有良好的线性相关关系，复相关系数R2为0.91；东园乡实测LAI与反演LAI相关性较低，R2为0.61。观测样点对应高分一号WFV影像中水稻田单个像元的反演LAI值在整个时间序列上与实测LAI值变化趋势一致，均呈先增大后减小的趋势，在拔节抽穗期达到最大值。

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