全 文 ：山丘区苹果树花期冠层反射率的定量遥感反演*
王摇 凌摇 赵庚星**摇 朱西存摇 王瑞燕摇 陈红艳摇 常春艳
(山东农业大学资源与环境学院, 山东泰安 271018)
摘摇 要摇 采用山东省栖霞市苹果树花期不同分辨率的 TM 和 ALOS 影像,充分考虑坡向系数
和冠层花叶比,通过地形辐射校正获取地表反演反射率,再经混合像元分解获取苹果树冠层
的反演反射率,将 30 个果园样方的反演结果与同时段实测反射率及表观反射率进行比较,分
析反演效果和精度.结果表明:地形辐射校正有效减弱了地形和大气的影响,恢复了阴影处地
物,地表反演反射率影像的解析力大幅提高;无论是 TM 还是 ALOS 影像,冠层反演反射率的
绝对误差和相对误差均最小,所有波段的相对误差表现出一致性,且样方间变化趋势与实测
值最一致,说明混合像元分解是必要的.反演方法应用于不同分辨率影像,表现出相似的反射
率变化特点,高分辨率图像更具优势,但受波段限制,可与中分辨率影像结合使用.
关键词摇 苹果树摇 冠层反射率反演摇 地形辐射校正摇 混合像元分解摇 6S模型
文章编号摇 1001-9332(2012)08-2233-09摇 中图分类号摇 S127; TP79摇 文献标识码摇 A
Quantitative remote sensing retrieval of apple tree canopy reflectance at blossom stage in
hilly area. WANG Ling, ZHAO Geng鄄xing, ZHU Xi鄄cun, WANG Rui鄄yan, CHEN Hong鄄yan,
CHANG Chun鄄yan ( College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University,
Tai爷an 271018, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(8): 2233-2241.
Abstract: By using the TM and ALOS images with different resolutions at the prosperous blossom
stage of apple trees in Qixia City of Shandong Province, and taking the slope aspect coefficient and
the ratio of canopy flower to leaf into account, the ground surface reflectance was retrieved through
radiometric correction. The canopy reflectance of the apple trees was further retrieved by pixel
unmixing method, and the retrieval effect and accuracy were assessed by the comparison of the
retrieved reflectance with the measured canopy reflectance and apparent reflectance of 30 sample
apple orchards. The results showed that radiometric correction effectively weakened the effects of
atmosphere and topography, recovered the ground objects in the shadows, and obviously enhanced
the analytical ability of ground surface retrieval reflectance images. Either TM or ALOS images,
both the absolute and relative errors between retrieval reflectance and measured reflectance of apple
tree canopy were the smallest. The relative errors of all bands were consistent, and its variation
trend among the 30 sample apple orchards was also consistent with the measured reflectance, which
showed the necessary of pixel unmixing. Moreover, the changes of the reflectance among the sample
apple orchards showed similar characteristics when the retrieval method was used for different reso鄄
lution images. The images with high resolution were more superior, but, because of band limita鄄
tion, it would be better to integrate the high resolution images with moderate resolution images.
Key words: apple tree; canopy reflectance retrieval; terrain radiometric correction; mix鄄pixel
analysis; 6S Model.
*高校博士点基金项目(20103702110010)、国家高技术研究发展计
划项目(2008AA10Z203)、中国博士后基金项目(20110491616)和山
东省自主创新重大专项(2009ZHZX1B0801)资助.
**通讯作者. E鄄mail: zhaogx@ sdau. edu. cn
2012鄄01鄄19 收稿,2012鄄05鄄14 接受.
摇 摇 苹果是世界上最重要的水果之一,中国的种植
面积和产量分别占 40%和 33% . 近年来,随着需求
的增加和品质提升的要求,传统的生产管理模式难
以适应,快速准确地获取种植、长势等信息已成为苹
果科学管理的现实需求,而定量遥感提供了一条快
捷可行的途径.农业定量遥感反演在作物分类、长势
监测、灾害预测以及估产领域日益显示出应用优势,
但已有研究多集中于地面高光谱[1-4],难以满足较
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 8 月摇 第 23 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2012,23(8): 2233-2241
大尺度上的定量遥感需求.
从地面光谱到卫星影像光谱均受大气和地形的
显著影响,导致反演精度降低,因而采取合理的辐射
校正方法至关重要. 国内外学者提出了多种校正方
法,其中,地形校正模型中以 Dozier 算法最为成
熟[5-6],大气辐射传输模型中以 6S(second simulation
of the satellite signal in the solar spectrum)模型应用
较广且精度较高[7] . 许多学者利用 6S 模型大气校
正后的影像提取植被指数[8]、地表反射率[9]及估测
作物产量[10]等,取得了较好效果. 将大气辐射参数
与地形校正模型结合进行地形辐射校正反演山地地
表辐照度和反射率已逐渐成为研究趋势[11-12] .
地表反射率是像元内多种地物的混合光谱.混
合像元分解研究以线性模型应用最广[13],而目前将
混合像元分解与地形辐射校正相结合用于反演植物
反射率的研究尚不多见,对于苹果树冠层反射率反
演的研究鲜见报道. 苹果树的花期是光谱明显区别
于其他生长期和其他植被的重要阶段,是开展营养
诊断的关键时期[1] . 本文以山东省栖霞市为研究
区,结合地面高光谱数据和 DEM数据,以 6S辐射传
输模型和地形校正算法为依据,充分考虑坡向系数
和冠层花叶比,对苹果花期不同分辨率的 TM 和
ALOS影像进行辐射校正,并通过混合像元分解获
取地表苹果冠层近似真实的反演反射率,探索苹果
冠层反射率反演的流程与方法,以期为苹果树营养
诊断和估产提供可靠的基础数据.
1摇 材料与方法
利用地物光谱仪实测苹果树高光谱数据,获取
同时段的 TM 和 ALOS 影像,利用 6S 模型获得的大
气辐射参数对影像进行地形辐射校正,获取地表反
演反射率,经 GPS定位和混合像元分解后获得苹果
冠层反演反射率,最后将其与地面实测反射率、地表
反演反射率和表观反射率进行精度对照. 具体流程
见图 1.
1郾 1摇 地面高光谱数据的获取
1郾 1郾 1 高光谱测定摇 山东省栖霞市(37毅05忆—37毅32忆
N,120毅33忆—121毅15忆 E)主要为丘陵山地,平均海拔
178 m,最高海拔 814 m. 栖霞市号称“中国苹果之
都冶,苹果种植面积为 4郾 4 万 hm2,多位于海拔 260 m
以下、日照充足的中缓坡棕壤区,主要苹果品种为红
富士,花期为 4 月下旬至 5 月上旬.
于 2009 年 4 月 28—30 日对花期红富士苹果树
进行采样.由于苹果园内管理一致,冠形、营养状况
等接近,平均株距 4 m,平均行距 3 m,树高 1郾 5 ~
2郾 2 m,冠层修剪为椭球形,因而以果园为基本采样
单元,基于布点均匀、优劣兼顾的原则,全市选取 30
个果园(图 2).在每个果园选取有代表性的 30 m ´
30 m样方 1 个,用 GPS 测定中心点位坐标,每个样
方随机取 3 棵苹果树作为样本,按方位均布的原则
在每棵树的冠层外围采集叶和花各 50 片,放入保鲜
袋.同时在 30 个样方中随机取 10 个裸土光谱采
样点.
摇 摇 采用美国 ASD公司的 Field Spec 3 便携式地物
光谱仪测定样本高光谱,波长为 350 ~ 2500 nm. 室
外冠层和裸土光谱测定时间为 10:00—14:00,光谱
仪探头视场角 25毅,探头垂直向下,根据冠幅大小调
整探头与树冠间的距离,确保视场覆盖主体冠层.纯
图 1摇 苹果树冠层反射率反演流程
Fig. 1摇 Retrieval process of apple tree canopy reflectance郾
图 2摇 苹果园样点分布
Fig. 2摇 Spatial distribution of apple orchard plots郾
4322 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
花、纯叶高光谱的测定在暗室内进行,样品均匀无缝
隙地置于黑色橡胶上,视场角 25毅,探头垂直向下,
距样品表面 0郾 10 m,光源为 50 W卤化灯,光源垂直
高度 0郾 40 m,入射角度 45毅,光源距离样品中心
0郾 50 m.定时进行白板优化校正,每个样本记录 10
组重复采样光谱,剔除异常数据组后取平均值,并根
据白板的反射比获取绝对反射率.
1郾 1郾 2 高光谱重采样摇 根据 TM 1 ~ 5、7 波段(TM1:
0郾 45 ~ 0郾 52 滋m,TM2:0郾 52 ~ 0郾 60 滋m,TM3:0郾 63 ~
0郾 69 滋m, TM4: 0郾 76 ~ 0郾 90 滋m, TM5: 1郾 55 ~
1郾 75 滋m,TM7:2郾 08 ~ 2郾 35 滋m)和 ALOS 1 ~ 4 波段
(ALOS1:0郾 45 ~ 0郾 50 滋m,ALOS2:0郾 52 ~ 0郾 60 滋m,
ALOS3:0郾 61 ~ 0郾 69 滋m,ALOS4:0郾 76 ~ 0郾 89 滋m)的
光谱范围和响应函数,将冠层、纯花、纯叶和裸土的
高光谱绝对反射率重采样,取 3 棵果树的平均反射
率代表样方的整体实测反射率,用于反演反射率的
验证.
1郾 2摇 影像预处理
选择与地面高光谱探测同一时段的不同分辨率
影像,根据卫星的运行周期,选取 2009 年 4 月 26 日
30 m分辨率的 Landsat5 TM 影像和 2009 年 5 月 5
日 10 m分辨率的 ALOS AVNIR鄄2 影像.利用研究区
1 颐 2郾 5 万地形图对 TM 影像进行几何精校正,选取
控制点 90 个,利用 30 m 分辨率的 DEM 数据对
ALOS进行正射校正,误差均控制在 1 个像元内.采
用增益系数和偏差系数进行辐射定标,分别得到研
究区的 TM和 ALOS辐亮度影像.
1郾 3摇 6S模型辐射参数获取
输入参数中选择 Uw and UO3(水汽和臭氧含
量)大气模式、陆地气溶胶类型.参照中国气象科学
数据共享服务网(http: / / new鄄cdc郾 cma郾 gov郾 cn)MO鄄
DIS / Terra气溶胶、水汽、臭氧全球 1毅 伊1毅格点日值
数据集 2009 年 4 月 26 日和 5 月 5 日的水汽、臭氧
和气溶胶光学厚度数据. TM和 ALOS的参数分别设
为:水汽含量 0郾 796 和 0郾 707 g·cm-2,臭氧含量
0郾 379 和 0郾 360 cm鄄atm,550 nm 气溶胶光学厚度
0郾 239 和 0郾 228.运行 6S 模型(http: / / www鄄loa郾 univ鄄
lille1郾 fr / Wsixs),获得各波段的大气辐射参数,包括
到达地表的太阳直接辐射、大气散射辐射、路径辐射
和光学厚度等.
1郾 4摇 地形辐射校正与地表反射率反演
将大气和地形对地物反射率的影响统一考虑,
利用 6S模型参数和 DEM进行地形辐射校正获取地
表反演反射率,包括辐照度校正和反射率校正.
1郾 4郾 1 辐照度校正摇 坡面像元接收的总辐射可分为
太阳直射辐射、大气散射辐射和周围地形的反射辐
射[14] .
1郾 4郾 1郾 1 太阳直射辐射 摇 受坡度、坡向及成像时太
阳位置的影响,坡面像元所接收到的直接辐射分阳
坡( I <90毅)和阴坡( I >90毅)两种情况,公式如下:
Ed = Esd·cosI摇 摇 ( I <90毅)
Ed =0摇 摇 ( I >90毅) (1)
cosI=cosZS·cosS+sinZS·sinS·cos(AS-A)
式中:Esd为到达地表的太阳直接辐射;I 为太阳入射
角;ZS和 AS是成像时的太阳天顶角和方位角;S 和 A
分别为像元坡度和坡向.
1郾 4郾 1郾 2 大气散射辐射摇 分为各向异性与各向同性
两部分[15],分别指发生在太阳周边与直射光方向接
近的散射光和从天空各个方向接收均同性的散射光.
假定与直射光入射方向相同,环日各向异性散
射公式如下:
ES鄄C =ESS·cosI·F摇 ( I <90毅)
ES鄄C =0摇 ( I >90毅) (2)
式中:ES鄄C为环日各向异性散射辐射;ESS为到达地表
的大气散射辐射;F为各向异性指数,用到达地表的
太阳直接辐射与大气顶部的辐照度之比表示.
各向同性散射主要与地形的遮蔽有关[12],其公
式如下:
ES鄄I = ESS·(1-F)·VS (3)
VS =移
16
i = 1
(
琢i
2仔 伊 cos茁i)
式中:ES鄄I为各向同性散射辐射;VS为天空可见因子,
参照闫广建等[16]的方法,搜索观测点周围 5伊5 像元
16 个方向的最大高度角;琢i为 i 方向在水平圆周中
所占的方向角;茁i为 i方向的最大高度角.
1郾 4郾 1郾 3 邻近像元的反射辐射摇 邻近像元的反射辐
射与坡向、坡度、距离等因素的关系复杂,基于 Proy
等[17]的方法计算周围 5伊5 像元的反射辐射.假设坡
面在小范围内是朗伯体,忽略相邻坡面间的多次散
射,则相邻像元 P对中心像元 M的反射辐射 Er计算
公式为:
Er =移
n
i = 1
[CPi 伊 (Li - Lp) 伊 e
子 / cosZv 伊 cosTM i 伊
cosTP i 伊 SP i] / ( rMP i) 2 (4)
式中:CP i为坡向系数,因相邻像元与中心像元的方
位、坡向关系而异.由图 3 可以看出,P1和 P2相对于
M方位与 M坡向一致,P1与 M坡向相对,因此 CP1 =
1 ;P2与M坡向一致,因此CP2 = 0;P3相对于M方位
53228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 凌等: 山丘区苹果树花期冠层反射率的定量遥感反演摇 摇 摇 摇 摇
图 3摇 相邻像元辐射的坡向关系
Fig. 3摇 Aspect relationships between center pixel and adjacent
pixel郾
M:中心像元 Center pixel; P1 ~ P3:不同方位的相邻像元 Adjacent
pixel on different directions; TM1:M 法线与 MP1连线的夹角 Intersec鄄
tion angle between normal of M and MP1; TP1: P1坡面法线与MP1连线
的夹角 Intersection angle between normal of P1 and MP1; CP1 ~ CP3:
P1、P2、P3相对于 M的坡向系数 Slope aspect coefficient of P1, P2 and
P3 relative to M郾
与 M坡向相对,因此 CP3 = 0. Li为点 Pi的辐亮度;Lp
为大气路径辐射;子为总的大气光学厚度;Zv为观测
天顶角;TM i、TP i分别表示 M及 Pi坡面法线与 MPi连
线的夹角;SP i为像元 P的面积;rMP i为点M和 Pi的距
离;n为相邻像元的个数.
1郾 4郾 2 反射率校正摇 任一坡面像元发出的总辐射 L0
的计算公式:
L0 =[籽d·Ed+籽s·(Es+Er)] / 仔 (5)
式中:籽d和 籽s分别为坡面像元对直射辐射和散射辐
射的反射率;Ed、Es和 Er分别为坡面像元接收的直
接辐射、散射辐射和邻近像元的反射辐射.
坡度和观测天顶角不同,造成坡面直接辐射对
传感器的出射角 E 不同,从而导致同类地物的反射
率不同,需将坡面上的直接反射率 籽d转换为出射方
向上的直接反射率 籽ed .由于观测天顶角接近 0,地表
真实反射率 籽 近似等于 籽ed . 散射辐射能量较小,
Shepherd等[18]认为,当太阳高度角为 50毅 ~ 70毅时,
水平面上的散射反射率可近似等于直接辐射反射
率,TM 和 ALOS 成像时太阳高度角分别为 59毅和
65毅,因此假定 籽s等于 籽. L0经过大气衰减后到达传感
器,同时大气路径辐射也会进入传感器,由此得出地
表反演反射率为:
籽=[仔·(Ll– Lp)·e子 / cosZv] / (Ed·cosE+Es+Er)
(6)
式中:Ll为落到传感器上的辐射量,用辐亮度代替;E
为出射角.
1郾 5摇 混合像元分解
地表反演反射率可表示为端元组分的光谱特征
和各自面积百分比的函数[19] . 由于苹果园管理精
细,地物构成简单,因此可分为 2 种端元:苹果树冠
和树间土壤.
1郾 5郾 1 冠层花叶比计算摇 花期的苹果树冠层组分包
括叶、花、树干,由于纯花的 NDVI ( TM: 0郾 164;
ALOS: 0郾 161 ) 远小于纯叶 ( TM: 0郾 799; ALOS:
0郾 784),导致由植被指数得出的植被覆盖度偏小,
因此应考虑花的比例.由于从正上方俯看冠层,树干
比例较小,所以忽略不计.
参照雷彤等[3]的方法,对同期拍摄的数码照片
进行监督分类,获取 30 棵代表性的苹果树冠层花叶
比.对重采样后的冠层反射率进行光谱指数构建与
筛选,发现 T73指数 [ T73 = ( TM7 - TM3 ) / ( TM7 ·
TM3)]与花叶比相关性较好,TM7反射率与 ALOS3
反射率构建的 A73指数[A73 =(TM7-ALOS3) / (TM7·
ALOS3)]与花叶比也有较好的相关性,相关系数分
别为 0郾 717 和 0郾 704.因此,分别以 T73和 A73为自变
量、花叶比(h)为因变量建立模型,如图 4.
1郾 5郾 2 混合像元线性分解模型摇 以地表反演反射率
为基础,采用线性模型对混合像元进行分解:
籽t i =(籽i-籽s i·Fs) / F t (7)
F t =TSAVI·(1+ah) / TSAVImax
a=(NDVIy– NDVIh) / NDVIy
h=0郾 6381e-0郾 1315b·T73(TM) 或
h=0郾 6070e-0郾 1316b·A73(ALOS)
T73(A73)= (籽t 7-籽t 3) / (籽t 7·籽t 3)
式中:籽i为像元 i波段的地表反演反射率;籽t i和籽s i
图 4摇 花叶比与光谱指数关系模型
Fig. 4摇 Models of the ratio of flower to leaf and spectral index郾
6322 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
分别为 i波段苹果冠层反演反射率和土壤反射率;
F t和 Fs为苹果树覆盖度和土壤面积百分比,两者之
和为 1;TSAVI 为转换型土壤调整植被指数,可降低
土壤背景对植被的影响;参照赵英时[20]植被指数与
覆盖度的计算关系式,假定研究区存在植被覆盖度
为 100%的像元,其 TSAVI为 TSAVImax;由于苹果花
导致 TSAVI 偏小,计算覆盖度时需考虑花叶比 h;a
为花叶比系数,由纯叶(NDVIy)和纯花(NDVIh)的
NDVI差值确定;T73、A73为光谱指数;b 为影像调整
系数,因影像而异.
样区土壤为棕壤,其反射率因含水量、腐殖质含
量、机械组成等不同,但对于较大尺度来说可以忽
略.取 10 个裸土样本的 TM 6 个波段和 ALOS 4 个
波段反射率平均值 ( TM: 0郾 108、 0郾 154、 0郾 200、
0郾 278、0郾 381 和 0郾 346;ALOS: 0郾 091、0郾 148、0郾 195
和 0郾 282)代表土壤反射率,其中,TM前 3 个波段与
棕壤典型波谱 0郾 112、0郾 144 和 0郾 191[21]相近.
1郾 6摇 苹果冠层反射率反演分析
将样区的 GPS点位经坐标转换后定位到 TM和
ALOS地表反演反射率影像,误差控制在一个像元
内.若定位点位于像元的中心位置,则以此像元为
准;若定位点位于像元的边界处,则取相邻像元的平
均值;同时避开明显受道路等反射率高的地物影响
的像元.据此获取 30 个样方的地表反演反射率,经
混合像元分解后分别得到基于 TM 和 ALOS 影像的
苹果树冠层反演反射率.
获取样方的表观反射率(即传感器高度的反射
率,未消除大气和地形影响),将表观反射率、地表
反演反射率和冠层反演反射率分别与地面实测数据
比较,进行反演精度分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 地表反演反射率
将表观反射率、地表反演反射率影像经 4、3、2
波段假彩色合成后与 DEM进行比较,发现地势平坦
区的影像类似,但地形起伏区差异明显.截取典型区
域,从图 5c和 5e 可以看出,地形影响有效减弱,恢
复了阴影处的地物,清晰度和对比度较图 5b 和 5d
有明显提高,说明地形辐射校正对 TM 和 ALOS 影
像的效果都很显著. 分析各波段校正前后反射率变
化差值的空间分布,发现除波段 1 外校正后的反射
率明显提高,其高值区位于阴影和坡度大的区域,且
TM和 ALOS影像的对应波段变化特点一致.受篇幅
所限,只列出波段 4 的反射率差值空间分布图,见图
5f和 5g.
摇 摇 为定量说明,随机选取阴影区的 20 个像元,统
计表观反射率和地表反演反射率的差异(图 6). 整
体上,校正后反射率呈升高趋势,尤其是 4 波段和
NDVI,说明植被得到恢复;但 1 波段反射率均降低,
其原因可能与此波段散射强有关. TM和 ALOS 影像
各波段反射率的变化趋势相似,表明此地形辐射校
正方法可行有效.
图 5摇 地形辐射校正前后反射率差异比较
Fig. 5摇 Comparison of reflectance difference before and after radiometric correction郾
a)DEM分布图 Spatial distribution of DEM; b)TM 表观反射率 Apparent reflectance of TM; c) TM 地表反演反射率 Ground retrieval reflectance of
TM; d)ALOS表观反射率 Apparent reflectance of ALOS; e)ALOS地表反演反射率 Ground retrieval reflectance of ALOS; f)TM4 反射率差值空间分
布 Reflectance difference distribution of TM4; g)ALOS4 反射率差值空间分布 Reflectance difference distribution of ALOS4 郾
73228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 凌等: 山丘区苹果树花期冠层反射率的定量遥感反演摇 摇 摇 摇 摇
图 6摇 辐射校正前后波段反射率比较
Fig. 6摇 Comparison of band reflectance before and after radio鄄
metric correction郾
玉:TM表观反射率 Apparent reflectance of TM; 域:TM地表反演反射
率 Ground retrieval reflectance of TM; 芋:ALOS 表观反射率 Apparent
reflectance of ALOS; 郁:ALOS地表反演反射率 Ground retrieval reflec鄄
tance of ALOS郾
2郾 2摇 冠层反演反射率
2郾 2郾 1 波段平均值比较 摇 将 30 个样方的表观反射
率、地表反演反射率和冠层反演反射率取波段平均
值后与实测冠层反射率平均值进行比较(图 7). 总
体上看,冠层反演反射率与实测值最接近.表观反射
率的 TM1和 ALOS1远大于实测值,而 TM4和 ALOS4
远小于实测值;地表反演反射率各波段均比实测值
高,尤其是 TM5和 TM7波段;各波段冠层反演反射率
均比实测值略高,但二者差值较地表反演反射率与
实测值的差值大幅减小.
摇 摇 从表 1 可以看出,虽然冠层反演反射率的 TM4
和 ALOS4绝对误差(反演值-实测值)分别为 0郾 048
和 0郾 065,但其相对误差[(反演值-实测值) /实测
值]0郾 143 和 0郾 195 与其他波段(0郾 008 ~ 0郾 231)表
现一致. 表观反射率各波段相对误差为-0郾 262 ~
1郾 232,地表反演反射率各波段相对误差为0郾 009 ~
图 7摇 3 类反射率的波段平均值与实测值比较
Fig. 7 摇 Comparison of average band reflectance of three types
with measured reflectance郾
玉:实测反射率 Measured reflectance; 域:表观反射率 Apparent reflec鄄
tance; 芋:地表反演反射率 Ground retrieval reflectance; 郁:冠层反演
反射率 Canopy retrieval reflectance郾 下同 The same below郾
0郾 770,均大于冠层反演反射率相对误差变动范围,
说明这一冠层反演方法具有波段稳定性.
2郾 2郾 2 样方比较 摇 将各波段 30 个样方的表观反射
率、地表反演反射率和冠层反演反射率与实测值进
行比较(图 8).波段 1、2、3、5 和 7 的苹果冠层反演
反射率最接近实测值;波段 4 的地表反演反射率最
接近实测值,而其冠层反演反射率在样方间的变化
趋势最一致,各波段表现与波段平均值一致.
计算每一样方各波段的反射率与实测值的残差
平方和,TM中有 26 个样方的冠层反演反射率的残
差平方和最小,均<0郾 011,且整体上远低于其他 2
类反射率. ALOS1、ALOS2和 ALOS3的冠层反演反射
率与实测值很接近,但由于 ALOS4绝对误差大于地
表反演反射率绝对误差,导致其冠层反演反射率残
差平方和与地表反演反射率的残差平方和相差不
大,因此 ALOS 中共有 26 个样方的残差平方和低于
表观反射率.说明这一方法适用于绝大多数样方.
表 1摇 3 类反射率波段平均值与实测值的绝对误差和相对误差
Table 1摇 Absolute and relative errors between average band reflectance of three types and measured value
波段
Band
反射率绝对误差 Absolute error of reflectance
表观
Apparent
地表反演
Ground retrieval
冠层反演
Canopy retrieval
反射率相对误差 Relative error of reflectance
表观
Apparent
地表反演
Ground retrieval
冠层反演
Canopy retrieval
TM1 0郾 062 0郾 029 0郾 013 1郾 091 0郾 517 0郾 231
TM2 0郾 017 0郾 032 0郾 013 0郾 179 0郾 335 0郾 134
TM3 0郾 034 0郾 061 0郾 018 0郾 429 0郾 770 0郾 223
TM4 -0郾 088 0郾 003 0郾 048 -0郾 262 0郾 009 0郾 143
TM5 0郾 002 0郾 069 0郾 002 0郾 010 0郾 314 0郾 011
TM7 0郾 042 0郾 094 0郾 004 0郾 327 0郾 736 0郾 032
ALOS1 0郾 067 0郾 011 0郾 000 1郾 232 0郾 201 0郾 008
ALOS2 0郾 012 0郾 019 0郾 007 0郾 121 0郾 190 0郾 069
ALOS3 0郾 020 0郾 035 0郾 002 0郾 246 0郾 431 0郾 020
ALOS4 -0郾 066 0郾 028 0郾 065 -0郾 198 0郾 085 0郾 195
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图 8摇 30 个样方各波段的表观反射率、地表反演反射率和冠层反演反射率
Fig. 8摇 Apparent, ground retrieval and canopy retrieval reflectances of 30 plots in different bands郾
2郾 3摇 TM和 ALOS的反演比较
TM 1 ~4 波段和 ALOS 1 ~ 4 波段的属性接近,
进行比较后发现,30 个样方的 TM 和 ALOS 冠层反
演反射率变化趋势基本一致;与 TM 相比,ALOS 的
地表反演反射率和冠层反演反射率更接近实测值;
ALOS的冠层反演反射率与地表反演反射率的差值
小于 TM(图 9).
3摇 讨摇 摇 论
本文以 6S辐射传输模型和地形校正算法为依
据对苹果花期 TM和 ALOS 影像进行地形辐射校正
得到地表反演反射率,经混合像元分解获取了近似
真实的苹果冠层反演反射率,对于果园宏观基础数
据获取具有应用价值.
地形辐射校正有效减弱地形和大气的影响[16],
恢复了近似真实的地表反演率,邻近像元的反射辐
射虽在坡面像元所接收的总辐射中所占比例较小,
但对崎岖地形影响较大,相互间的坡向关系应予以
考虑.大气参数的准确性直接关系到地形辐射校正
93228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 凌等: 山丘区苹果树花期冠层反射率的定量遥感反演摇 摇 摇 摇 摇
图 9摇 TM和 ALOS影像反演反射率比较
Fig. 9摇 Comparison of retrieval reflectance between TM and ALOS images郾
玉:TM实测反射率 Measured reflectance of TM; 域:ALOS实测反射率 Measured reflectance of ALOS; 芋:TM地表反演反射率 Ground retrieval re鄄
flectance of TM; 郁:TM冠层反演反射率 Canopy retrieval reflectance of TM; 吁:ALOS 地表反演反射率 Ground retrieval reflectance of ALOS; 遇:
ALOS冠层反演反射率 Canopy retrieval reflectance of ALOS郾 a)波段 1 Band 1; b)波段 2 Band 2; c)波段 3 Band 3; d)波段 4 Band 4郾
精度,随卫星遥感的发展,大气参数的获取已较方
便,反演精度不断提高,但影像拍摄时的即时大气参
数仍难以获取.
混合像元分解是提高遥感应用精度必须解决的
问题[20],也是由地表反演反射率到冠层反演反射率
的必要途径. 线性模型简单且实用,提高了反演精
度,对管理精细的大部分果园适用,但有些果园端元
组分较复杂,如存在的作物和杂草会影响反演精度.
苹果花可使冠层 NDVI 和覆盖度减小,反演过程中
不容忽视,花叶比模型有效纠正了这一偏差,但花叶
比模型精度有待提高.
基于 TM和 ALOS 影像的反演结果,整体上均
为冠层反演反射率与实测值最接近,绝对误差较其
他两类反射率大为减小,所有波段的相对误差表现
出了一致性,波动范围最小,且样方间变化趋势与实
测值最一致,说明此反演方法具有必要性和稳定性.
理论上实测高光谱与影像拍摄应在同一时间,
但由于卫星运行周期的限制,2 ~ 5 d 的间隔可能会
因冠层花量、叶量变化而影响反演精度,以后的研究
中应事先充分考虑此因素,尽可能选择同一时间.
反演系统具有复杂性,其受到数据获取时间、卫
星参数、大气参数、GPS定位准确性等因素的限制和
影响,只要尽可能减少影响,此方法仍不失为一种可
行的数据获取途径,而且随着相关技术和参数的完
善,精确度会不断提高.
4摇 结摇 摇 论
反演方法应用于不同分辨率的 TM 和 ALOS 影
像,表现出了相似的反射率变化特点,由表观反射率
到地表反演反射率再到冠层反演反射率,平均误差
越来越小,说明地形辐射校正和混合像元分解对于
山丘区苹果树冠层反射率反演是必要的,前者是后
者不可或缺的基础;对于任一类反射率始终是
ALOS更接近实测值,表明高分辨率影像在反演方
面具有优势,但受波段限制,可与中分辨率影像结合
使用.
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作者简介摇 王摇 凌,女,1975 年生,博士研究生. 主要从事农
业遥感信息与环境生态研究,发表论文 6 篇. E鄄mail: ling鄄
wang@ sdau. edu. cn
责任编辑摇 孙摇 菊
14228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王摇 凌等: 山丘区苹果树花期冠层反射率的定量遥感反演摇 摇 摇 摇 摇