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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 31 卷 第 24 期摇 摇 2011 年 12 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
柑橘黄龙病株不同部位内生细菌群落结构的多样性 刘摇 波,郑雪芳,孙大光,等 (7325)………………………
小兴安岭红松径向生长对未来气候变化的响应 尹摇 红,王摇 靖,刘洪滨,等 (7343)……………………………
污水地下渗滤系统脱氮效果及动力学过程 李海波,李英华,孙铁珩,等 (7351)…………………………………
基于生态系统服务的海南岛自然保护区体系规划 肖摇 燚,陈圣宾,张摇 路,等 (7357)…………………………
羌塘地区草食性野生动物的生态服务价值评估———以藏羚羊为例 鲁春霞,刘摇 铭,冯摇 跃,等 (7370)………
湖北省潜江市生态系统服务功能价值空间特征 许倍慎,周摇 勇,徐摇 理,等 (7379)……………………………
滇西北纳帕海湿地景观格局变化及其对土壤碳库的影响 李宁云,袁摇 华,田摇 昆,等 (7388)…………………
基于连接性考虑的湿地生态系统保护多预案分析———以黄淮海地区为例
宋晓龙,李晓文,张明祥,等 (7397)
………………………………………
……………………………………………………………………………
青藏高原高寒草甸生态系统碳增汇潜力 韩道瑞,曹广民,郭小伟,等 (7408)……………………………………
影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子及反照率参数化研究 张摇 杰,张摇 强 (7418)……………………
基于 GIS的下辽河平原地下水生态敏感性评价 孙才志,杨摇 磊,胡冬玲 (7428)………………………………
厦门市土地利用变化下的生态敏感性 黄摇 静,崔胜辉,李方一,等 (7441)………………………………………
我国保护地生态旅游发展现状调查分析 钟林生,王摇 婧 (7450)…………………………………………………
黄腹山鹪莺稳定的配偶关系限制雄性欺骗者 褚福印,唐思贤,潘虎君,等 (7458)………………………………
食物蛋白含量和限食对雌性东方田鼠生理特性的影响 朱俊霞,王摇 勇,张美文,等 (7464)……………………
具有捕食正效应的捕食鄄食饵系统 祁摇 君,苏志勇 (7471)………………………………………………………
桑科中 4 种桑天牛寄主植物的挥发物成分研究 张摇 琳,WANG Baode,许志春 (7479)………………………
栗山天牛成虫羽化与温湿度的关系 杨忠岐,王小艺,王摇 宝, 等 (7486)………………………………………
人工巢箱条件下杂色山雀的巢位选择及其对繁殖成功率的影响 李摇 乐,万冬梅,刘摇 鹤,等 (7492)…………
鸭绿江口湿地鸻鹬类停歇地的生物生态研究 宋摇 伦,杨国军,李摇 爱,等 (7500)………………………………
锡林郭勒草原区气温的时空变化特征 王海梅,李政海,乌摇 兰,等 (7511)………………………………………
UV鄄B辐射胁迫对杨桐幼苗生长及光合生理的影响 兰春剑,江摇 洪,黄梅玲,等 (7516)………………………
小麦和玉米叶片光合鄄蒸腾日变化耦合机理 赵风华,王秋凤,王建林,等 (7526)………………………………
利用稳定氢氧同位素定量区分白刺水分来源的方法比较 巩国丽,陈摇 辉,段德玉 (7533)……………………
2010 年冬季寒冷天气对闽江口 3 种红树植物幼苗的影响 雍石泉,仝摇 川,庄晨辉,等 (7542)………………
人参皂苷与生态因子的相关性 谢彩香,索风梅,贾光林,等 (7551)………………………………………………
芘对黑麦草根系几种低分子量有机分泌物的影响 谢晓梅,廖摇 敏,杨摇 静 (7564)……………………………
盐碱地柠条根围土中黑曲霉的分离鉴定及解磷能力测定 张丽珍,樊晶晶,牛摇 伟,等 (7571)…………………
不同近地表土壤水文条件下雨滴打击对黑土坡面养分流失的影响 安摇 娟,郑粉莉,李桂芳,等 (7579)………
煤电生产系统的能值分析及新指标体系的构建 楼摇 波,徐摇 毅,林振冠 (7591)………………………………
专论与综述
西南亚高山森林植被变化对流域产水量的影响 张远东,刘世荣,顾峰雪 (7601)………………………………
干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究进展 胡广录,赵文智,王摇 岗 (7609)……………………
利用农业生物多样性持续控制有害生物 高摇 东,何霞红,朱书生 (7617)………………………………………
研究简报
洪湖湿地生态系统土壤有机碳及养分含量特征 刘摇 刚,沈守云,闫文德,等 (7625)……………………………
氯氰菊酯和溴氰菊酯对萼花臂尾轮虫生殖的影响 黄摇 林,刘昌利,韦传宝,等 (7632)…………………………
学术信息与动态
SCOPE鄄ZHONGYU 环境论坛(2011)暨环境科学与可持续发展国际会议成功举办 (7639)……………………
《生态学报》3 篇文章入选 2010 年中国百篇最具影响国内学术论文摇 等 ( 玉 )………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*316*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2011鄄12
封面图说: 泥炭藓大多生长在多水、寒冷和贫营养的生境,同时有少数的草本、矮小灌木也生长在其中,但优势植物仍然是泥炭藓
属植物。 泥炭藓植物植株死后逐渐堆积形成泥炭。 经过若干年的生长演变,形成了大片的泥炭藓沼泽。 这种沼泽地
有黑黑的泥炭、绿绿的草甸和亮晶晶的斑块状水面相间相衬,远远看去就像大地铺上了锦绣地毯一样美丽壮观。
彩图提供: 陈建伟教授摇 国家林业局摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 31 卷第 24 期
2011 年 12 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 31,No. 24
Dec. ,2011
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家自然科学基金(40830957;40805009)
收稿日期:2011鄄03鄄27; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄19
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: gs鄄zhangjie@ 163. com
张杰, 张强.影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子及反照率参数化研究.生态学报,2011,31(24):7418鄄7427.
Zhang J, Zhang Q. The relations of spectrum reflectance with inhomogeneous factors and albedo parameterization. Acta Ecologica Sinica,2011,31(24):
7418鄄7427.
影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子
及反照率参数化研究
张摇 杰1,*, 张摇 强2
(1. 气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京信息工程大学, 南京摇 210044; 2. 中国气象局兰州干旱气象研究所, 兰州摇 730020)
摘要:通过应用高光谱反射仪进行各种植被覆盖度地物的同期观测,分析不同地物光谱反射率和宽波段反照率的差异,得出:除
太阳高度角的影响外,植被的不同生育期及生长状况决定的叶绿素、细胞构造和含水量等要素都会影响植物光谱反射率;基于
归一化植被指数(NDVI)、归一化植被水分指数(NDWI)、土壤体积含水量以及参考对象的光谱曲线建立了植物光谱反射率的估
算模型,能较好地反映地物光谱反射率特征;基于地物波谱反射率估算得到的全波段反照率误差在 0. 02 范围内,可以作为反照
率遥感反演和转换的依据;该方法也为高光谱遥感在反照率等陆面过程参数尺度耦合和转换过程中应用奠定了基础。
关键词:地表反照率; 光谱反射率; 尺度转换; 归一化植被指数; 归一化植被水分指数; 非均匀地表
The relations of spectrum reflectance with inhomogeneous factors and albedo
parameterization
ZHANG Jie1,*, ZHANG Qiang2
1 Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education ( KLME ), Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing
210044, China
2 Institute of Arid Meteorology, China Meteorological Administration, Lanzhou, 730020, China
Abstract: Remote sensing of albedo over inhomogeneous surfaces is an important topic that involves core problems such as
assuring incidence angle, reflection angle and spectrum continuity. Hyper鄄spectral remote sensing is a good way to
investigate the spectral continuity effect on albedo retrieval. In this research, synchronized observations of a wide range of
soil and vegetative land cover were performed using the hyper鄄spectral instrument ASD FieldSpec Pro FRTM. Differences
between spectral reflectance and broad albedo were analyzed. Spectral curves show that there are large differences at visible
and near鄄infrared wavelengths; reflectance is low from 400 to 450 nm and from 650 to 700 nm due to strong chlorophyll
absorption; reflectance is high, from 750 to 1300 nm due to cell structure reflectance; and reflectance is low from 1360
to1470 nm, 1830 to 2080 nm, and 2350 to 2500 nm, due to water vapor absorption. In addition to the sun zenith angle,
chlorophyll, the cell structure of vegetation and water content are shown to be the main factors affecting the spectral
reflectance of underlying surfaces, which are determined by the different growth stages and conditions of the vegetation.
Therefore, chlorophyll, the cell structure of vegetation and water content are considered to be the important distinguishing
indices for describing the spectral reflectance of sparse vegetation and inhomogeneous surfaces. They can be described by
the normal difference vegetation index (NDVI), the normal difference vegetation water index (NDWI), and the soil water
content capacity (SWCC), respectively.
There is a good negative logarithmic relationship between albedo and SWCC when SWCC is larger than 0. 2, and a
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negative logarithmic relationship and linearity between albedo and both NDVI and NDWI. Based on the relationships, an
albedo retrieval model is estimated that relies on the reference spectral reflectance of the vegetation and soil. Spectral
wavelengths between 0. 3 and 2. 35 mm are divided into 12 sections; the broad albedo is estimated by combining the 12
reflectance bands with a weighting relationship. Testing shows that the model can readily reflect the spectral reflectance and
albedo, with an estimated value very closed to the observed value. The error in the albedo is less than 0. 02, and relative
error is from 8% to 13% , which shows that the model is fit for the retrieval of albedo. However, the model still needs to
improve. The estimated spectral reflectance at near infrared wavelengths (750 1000 nm) is a little large, and the
maximum absolute error is 0. 015, which means that the model cannot correspond to the cell structure of the vegetation. The
Aster spectrum library provides many kinds of land cover and spectral curves, which can be used for the model application.
As with other land process parameters, the theory of albedo retrieval for inhomogeneous surfaces is a basic problem
involving parameterization, scale conversion, and scale coupling. Regions of low vegetation coverage are assumed to be
mixed cells, and spectral reflectance can be expressed according to a model that may include reference vegetation, soil
spectral reflectance curves, NDVI, NDWI and SWCC. The model determines the effect factor and mechanism, and at the
same time, can be dependent on the retrieval of satellite albedo information. In addition, with the development of satellite
detection technologies, hyper鄄spectral remote sensing has good prospects. This work can support the application of hyper鄄
spectral remote sensing techniques to scale conversion and scale coupling of land process parameters over inhomogeneous
surfaces.
Key Words: albedo; continuum spectral reflectance; scale conversion and scale coupling; NDVI; NDWI;
inhomogeneous surface
地表反照率是表征地球表面对太阳辐射的反射能力的参数,是一个广泛应用于地表能量平衡、中长期天
气预测和全球变化研究的重要参数[1鄄4]。 反照率主要受下垫面物理状况、入射辐射光谱分布、太阳天顶角等
因素影响。 定点观测的反照率可以为认识单一、均匀下垫面反照率特征提供依据,但由于实际下垫面的非均
匀性,导致定点观测结果与卫星像元尺度和模式尺度反照率之间存在较大的差异[3],差异的存在在一定程度
上影响了陆面过程模式和气候模式的发展,因此,有必要进行反照率参数的空间尺度耦合和尺度转化[1鄄2]。
随着遥感技术的发展, 反照率遥感反演的方法逐渐取代传统的通过实测资料结合地表覆盖类型推算的方法,
成为监测全球地表短波反照率唯一可行的方法[2]。 目前,基于遥感资料进行陆面参数的尺度分析方法通常
有图示法、回归分析、变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波变换[4鄄8]等。 但是,上述方法在实现参数空
间尺度耦合和转换方面,不能满足模式尺度划分的需求,因此,对反照率进行尺度耦合还需要从影响地物反照
率差异的因子和机理方面进一步分析探究。
进行反照率遥感反演所涉及的核心问题是确定入射、反射角和保证观测光谱的连续性[9]。 搭载在 Terra
卫星上的多角度成像光谱辐射计(The Multiangle Imaging SpectroRadiometer, MISR) MISR 可同时进行 4 个波
段 9 个角度的观测, 为多角度反照率的反演和验证提供了新的途径[10鄄11]。 然而,由于卫星传感器仅能收集有
限离散光谱波段的信息,难以直接获取地物的连续光谱,所以用有限波段权重表示反照率也存在一定的缺
憾[12鄄13]。 为弥补光谱信息的不足, Zhao 等[14]采纳光谱弥补的方法和 6S模式模拟方法得到光谱反射率,这一
结果不仅可以得到宽波段反照率,而且可以通过分析光谱反射率的曲线变化揭示影响光谱反射率差异和反照
率空间尺度耦合、尺度转换的决定因素。 由于陆面参数尺度转化在发展数值模式中具有重要意义,本文将重
点研究尺度转化问题。
本研究将在考虑太阳天顶角和观测角度的基础之上,从光谱反射率特征出发,应用高光谱反射仪进行各
种植被覆盖度的地物反射率光谱同期观测,分析不同地物连续光谱反射率的差异,寻找光谱反射率的转换关
系,以用于遥感像元尺度的升尺度和降尺度转换,力求满足各种尺度的模式应用。
9147摇 24 期 摇 摇 摇 张杰摇 等:影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子及反照率参数化研究 摇
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1摇 观测及方法
国家自然科学基金重点项目“黄土高原陆面过程观测试验研究冶为了探索空间尺度耦合和升尺度转化过
程[1],主要选择黄土高原的董志塬作为典型试验区域(107. 73毅E ,35. 3毅N)。 位于黄土高原上的董志塬是目
前世界上保存最完整、面积最大的黄土塬区,其空间尺度在 100 km 左右,面积近 1000 km2,地形平坦,是较为
理想的尺度转化试验区(图 1a)。 区域内植被稀少,其非均匀性特征主要体现在植被覆盖度低、植被含水量受
外界条件影响较敏感、土壤湿度日变化显著等。 同时,该项目以中国气象局兰州干旱气象研究所定西干旱气
象与生态环境试验基地(104. 62毅E,35. 58毅N)和兰州榆中(104. 14毅E ,35. 95毅N)为辅助站,同步进行了为期 2a
的局地观测和试验、LAS平均通量观测、MODIS 卫星遥感反演等工作。 项目观测区设有 16 m 高的气象观测
塔,塔上安装了常规气象梯度、开路涡动相关观测系统及其数据采集器(CR5000,为美国 Compbell 公司生
产); CO2和土壤热通量、地表温度观测等设备;同时配备的辐射观测系统(美国 Eppley公司生产)可以观测包
括太阳总辐射、反射辐射、地表长波辐射、大气长波辐射等辐射,通过反射辐射与太阳总辐射比值可得到全波
段反照率。 所选取的研究区域属于半干旱雨养农业区,年降水量 300 mm左右,植被覆盖度小,为了便于观测
不同覆盖度的作物光谱特征,对该地区适宜种植的土豆、小麦、玉米等农作物分别进行分块种植,每块面积约
666. 7m2,同时增加了 5 m 伊 10 m 大小的对比区域。 对作物的光谱观测采用美国 ASD(AnalyticalSpectral
Device)公司的 ASD FieldSpec Pro FRTM高光谱地物波谱仪,光谱波段包括了大部分太阳短波和近红外波段,
波段值为 350—2500 nm。 其中,350—1000 nm光谱采样间隔为 1. 4 nm ,光谱分辨率为 3 nm;1000—2500 nm
光谱采样间隔为 2 nm,光谱分辨率为 10 nm,可以用于全波段反照率的研究。 本研究采用 2009 年 7 月 16 至 8
月 14 晴空每日白天时隔 1 h不同覆盖度土豆共 600 个样本的光谱观测资料、300 个土壤光谱观测样本和每 30
min的辐射观测资料, 研究不同覆盖度土豆的光谱反射率特征,进行基于光谱反射率的宽带反照率估算。 图
1b给出 28 个样本的光谱曲线,其中细线代表的光谱曲线为研究参考样本,用于光谱曲线估算模型应用,粗线
代表的光谱曲线为模型估算结果的检验样本,各样本光谱曲线差异波动显著,反映了该时间段里不同覆盖度
的土豆生长状况,所取样本具有一定的代表性。
归一化植被指数 NDVI在一定程度上消除了云等因素的影响,能较真实地反映植被叶绿素含量和健康
状况:
NDVI =
Rn - Rr
Rn + Rr
(1)
式中, NDVI 、 Rn 、 Rr 分别为归一化植被指数、近红外波段(841—876 nm)和红光波段(620—670 nm)的反射
率,两个波段范围与 MODIS卫星设置的波段相同,波段光谱较窄,避开了近红外波段的水汽吸收带,对稀疏植
被区域更加敏感。
通过研究分析发现:植被细胞结构对水分变化较为敏感,主要表现为一个近红外波段 1(750—950 nm)与
另一个近红外波段 2(1220—1280 nm)之间的相对变化。 在 MODIS卫星传感器上,设置了波段 5(1230—1250
nm)反射率反映大气中水分吸收特征[16鄄17],用近红外波段 2(841—876 nm)反应植被生长状况。 为了利用卫
星资料反映细胞结构对水分变化的敏感性,本研究采用 Gao 等[18]方法将两个波段反射率构建了一个反映该
特征的指标,即归一化植被水分指数:
NDWI =
Rn - Rw
Rn + Rw
(2)
式中, NDWI 、 Rn 、 Rw 分别为归一化植被水分指数、近红外波段(841—876nm)和水分吸收波段(1230—1250
nm)的辐射值。 图 1 给出 NDWI与裸地、低覆盖度土豆、高覆盖度土豆区域土壤体积含水量的关系及趋势线
分布,二者有较好的散点关系,但是也存在差异。 说明该指数可以大体反映土壤和植被水分的特征,也能反映
植被细胞结构的波段反射率对水分变化有响应。
为了便于理解,在对比分析植被反射率变化曲线时分别给出研究样本的覆盖度,覆盖度的计算采用
Gutman G等[19]提出的公式:
0247 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 31 卷摇
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图 1摇 试验地概况和土豆光谱特征(粗线是估算所需的参考样本,实线是检验样本)
Fig. 1摇 Survey of experiment region and tomato spectrum (thick line is for reference and thin line is for testing of estimated result)
摇 图 2摇 NDWI与土壤体积含水量Ws的散点关系
Fig. 2 摇 relation of vegetation water index and soil water
content capacity
f =
NDVI - NDVImin
NDVImax + NDVImin
(3)
2摇 结果与分析
2. 1摇 典型地物光谱反射率的特征
图 3 给出 2009 年 7 月 27 日观测的土壤、两种覆盖
度土豆的日平均光谱反射率特征。 裸地、低覆盖度植
被、高覆盖度植被的归一化植被指数分别为 0. 10、
0郾 51、0. 87,对应的覆盖度分别为 0. 02、0. 44、0. 81。 由
图可见:不同覆盖度植物的光谱曲线变化趋势有一致
性;土壤光谱曲线不同于植被光谱曲线,在可见光、近红
外波段上都有很大差异。 由于色素吸收决定着植被可
见光波段的光谱反射率,而 400—450 nm、650—700 nm
谱段是叶绿素的强吸收带,故该波段植被的反射率很
低;细胞结构决定近红外波段的光谱反射率, 所以植被
在 750—1300 nm谱段具有强烈反射的特性,同时,因为
水分吸收,出现了两个低反射率区域;水汽吸收决定了
1247摇 24 期 摇 摇 摇 张杰摇 等:影响黄土高原地物光谱反射率的非均匀因子及反照率参数化研究 摇
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短波红外的光谱反射率特性,因此,在 1360—1470 nm、1830—2080 mn、2350—2500 mn 谱段的低反射率与含
水量的强吸收有关。 由上述分析可知,决定绿色植物反射率的因素主要是叶绿素、细胞构造和含水量;不同种
类植物反射光谱曲线的变化趋势相同,而植物与其它地物的反射光谱曲线显著不同,这也是遥感估测生物量
的基础。
与高覆盖度植被相比,低覆盖度植被在近红外波段 750—1300 nm光谱反射率偏低,而在可见光和其它近
红外波段光谱反射率偏高,说明低覆盖度相对高覆盖度的土豆含水量有所减少,叶绿素含量也有所减少,细胞
的结构有明显差别。 受此影响,由可见光和近红外波段产生的归一化植被指数也会显著减小,进一步分析可
以看出:归一化植被指数能反映植物的覆盖度和生长状况。 低覆盖度植被的光谱反射率里包括大量土壤的光
谱反射率特征,属于非均一下垫面的反射率特征。 这种非均匀下垫面是自然界存在的主要形式,卫星遥感和
数值模式所需要的像元尺度和模式尺度信息包括类似的结构。
2. 2摇 植被光谱反射率的时间变化特征
图 4 是 2009 年 7 月 27 日 11:00—19:00 每 2 h 的高覆盖度土豆的光谱反射率曲线,土豆的覆盖度为
0郾 81。 由图可以看出,一天中,光谱曲线变化趋势既有一致性又有差异:在近红外波段的光谱反射率差异较
大,具体表现为光谱反射率从早上开始逐渐减小,15:00达到最低值,然后开始增加,说明反射率的变化与太阳
高度角的变化有密切关系;在可见光波段的光谱反射率变化较小。 据此可得:太阳高度角对反射率有很大影
响。 与 15:00 之前的波谱反射率相比,15:00之后的水汽吸收波段和色素吸收波段的光谱反射率差异较小;植
物波谱曲线在近红外波段(750—950 nm)与近红外波段(1220—1280 nm)之间有显著不同,前者反射率偏高,
后者反射率偏低。 出现这种情况的原因可能是午后太阳辐射较强,植被有明显的水分变化,而半干旱区植被
水分较少,为了保持自身的水分,植物通过气孔活动来调节自身与外界的水分、二氧化碳、氧气交换,将水分保
持在体内,导致了水分对太阳光吸收增加,从而造成了近红外反射率变化差异较大,也说明细胞波段的变化较
水分反射波段变化更为敏感。 MODIS卫星传感器上设置了 1280 nm 的光谱波段用于观测水汽的吸收特征,
在地物的波谱特征方面也可以反映地物的水分状况。
图 3摇 不同植被覆盖度的土豆日平均光谱反射率曲线
Fig. 3 摇 Daily spectrum reflectance of potato with different
vegetation cover
摇 图 4摇 不同太阳高度角观测的 2009 年 7 月 27 日土豆光谱反射率
特征
Fig. 4 摇 Spectrum reflectance of potato under different zenith
angle on July 27 2009
假设在连续 4 d之内植被光谱反射率的变化主要是由植被细胞结构变化、土壤水分与植被体内水分变化
引起的。 图 5 给出不同土壤湿度下土豆光谱反射率特征。 四天的土壤体积含水量分别为 0. 220、0. 202、
0郾 195、0. 190,最大土壤含水量差为 0. 03,由于连续几日太阳辐射较强,土壤蒸发和植物蒸腾较强,土壤逐日
体积含水量分别减少 0. 018、0. 007、0. 005,相应地,植被的含水量也有所减少。 土豆逐日的平均光谱曲线变
化趋势有一致性和差异,在可见光和大于 1300 nm的近红外波段的光谱反射率略有增加,在 1360—1470 nm、
1830—2080nm、2350—2500nm等主要水汽吸收波段上反射率也略有增加;在 750—1300 nm 近红外波段光谱
反射率差异较大,有明显的增加,其中,在近红外波段(750—950 nm)的反射率增加趋势明显大于近红外波段
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(1220—1280 nm)的反射率。 这种差异说明植被细胞结构有明显的日变化,一方面是因为植被生长旺盛,细
胞结构日变化显著,另一方面是因为植被生长与土豆生长的土壤水分供给、植物含水量等很多因素有关,随着
土壤和植被水分的减少,两个近红外波段的反射率差异有增大趋势。 据此,基于上述两个波段的反射率建立
的 NDWI (公式(2))较好地反映了植被水的吸收特性;较单一的水分吸收波段的反射率更能反映植被光谱对
水分的响应的敏感性。
摇 图 5摇 不同土壤湿度下土豆光谱反射率曲线
Fig. 5 摇 Spectrum reflectance of potato under different soil
humidity摇
2. 3摇 影响地物反照率的因素
由上述光谱反射率分析可得:除了太阳高度角对反
射率有影响外,绿色植物光谱反射率的变化与植物生长
的土壤水分供给、植被细胞变化、叶绿素、植物含水量等
很多因素有关;单位面积上叶绿素含量的多少与植被的
覆盖度和归一化指数 NDVI 以及植被的健康状况有关;
土壤体积含水量可以间接地反应出植被含水量大小。
同时由图 2 可以看出植被细胞结构对水分变化较为敏
感,可根据相应的近红外和水分吸收波段构建 NDWI
(Normalized Difference Water Index)来反映。 这些因素
通过影响波谱反射率,进而影响到全波段的反照率。
图 6 给出观测的反照率与归一化植被指数的散点
关系,由图可以看出:除部分样本较为离散外,大部分散点反映出二者的对数关系,复相关系数达 0. 84;另外,
对于不完全植被覆盖区,土壤也是反照率的主要贡献者,这也可能是部分反照率与归一化植被指数离散的原
因之一。 图 6 给出反照率与土壤体积含水量的散点关系,可以看出:反照率与土壤体积含水量也呈现出对数
关系,但是,在土壤体积含水量低于 0. 2 时,二者关系较差,复相关系数达 0. 34。 说明当土壤体积含水量大于
0. 2 时对反照率的影响比较显著。 图 6 给出反照率与 NDWI的散点关系,图中反映出反照率与 NDWI 呈相关
关系,有个别点较为离散,复相关系数达 0. 83。 由上述可知,归一化植被指数、土壤体积含水量、 NDWI 等因
子也会影响地物反照率,以上因素可用于估算和模拟植物光谱反射率和全波段反照率。
图 6摇 反照率与归一化植被指数和土壤体积含水量 NDWI的散点关系
Fig. 6摇 Relation of albedo with NDVI, soil water content capacity and normalized difference water index
2. 4摇 光谱反射率和全波段反照率的估算
由上述光谱反射率的变化趋势和全波段反照率的影响因素可以看出:反射率的变化与植物生长的土壤水
分供给、生育期所决定的植被细胞变化、叶绿素、植物含水量等很多因素有关。 因此,土壤体积含水量、 NDWI
和反映植被叶绿素的归一化植被指数可以作为估算植物光谱反射率和全波段反照率的主要参考依据。 反照
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率是包括了可见光波段、近红外和中红外波段的反射率,TM、NOAA / AVHRR、EOS / MODIS 卫星的反照率产品
都是基于这些波段的光谱反射率转换而来。 稀疏植被区下垫面边界条件复杂,植被作为土壤背景基质上的异
质, 其形态、温度、湿度等性质在空间上有系统性不均匀分布, 造成了地表反照率等分布不均匀性[4]。 将植
被光谱反射率与土壤波谱反射率进行对比分析发现,植物的波谱曲线表现为两大特征:一种是在 750—1300
nm谱段上植物的波谱反射率大于裸地反射率,反映了植物的细胞结构独有的高反射特性;另一种是波谱反射
率在可见光和近红外波段上土壤反射率大于植被反射率,反映了植被叶绿素和水分的吸收特性。 本研究基于
同期土壤和已知的不同覆盖度土豆光谱反射率估算不同覆盖度土豆的反射率光谱,建立关系如下:
Rx = a
NDVIx
NDVIa
Rg - R( )s + R
æ
è
ç
ö
ø
÷
s
Wsx
Ws
æ
è
ç
ö
ø
÷
a
1 -
NDWIx
NDWI
æ
è
ç
ö
ø
÷
a
(4)
式中, Rg 、 Rs 、 Rx 分别代表参考的植被光谱反射率、植被区域土壤光谱反射率、待估对象的光谱反射率;
NDVIa 、 NDWIa 、 Wsa 、分别为参考对象的归一化植被指数、归一化植被水分指数、植被区土壤体积含水量;
NDVIx 、 NDWIx 、Wsx分别为待估对象的归一化植被指数、归一化植被水分指数和植被区土壤体积含水量。 在
估算大范围反射率时,前二者可以由 MODIS 卫星遥感反演得到,本研究采用与 MODIS 光谱波段一致的光谱
反射率计算得到,后者用当地观测资料代替; a为修正函数,当参考对象和待估对象不属于同一植被类型时考
虑,根据植被类型确定。 公式 4 的意义是地物光谱反射率与待估对象归一化植被指数呈正比、与植被水分指
数呈反比、与土壤体积含水量呈反比、与待估对象相对于土壤反射率的差异呈正比。
图 1b中是以 11 个高覆盖度、10 个低覆盖度土豆的光谱反射率作为参考样本(细线),7 个低覆盖度土豆
光谱曲线作为估算检验样本(粗线)。 从 28 个样本中计算得到 NDVI 和 NDWI,并收集 28 个样本的土壤含水
量资料,运用公式(4)与参考样本的光谱曲线,结合参考样本和估算样本的土壤含水量、NDVI 和 NDWI,分别
模拟 7 个低覆盖度土豆的光谱反射率曲线,共得到 21伊7 =147 个模拟结果,对 7 组样本的结果进行平均,最终
得到 7 个模拟样本曲线,将模拟结果与实际观测结果进行对比,所得结果见图 7。 图 7(a)为基于一个高覆盖
度和一个低覆盖度土豆样本模拟的一个典型晴天的光谱反射率曲线分别为(c2)和(c1),将他们与观测得到
的光谱反射率(o)进行对比(高、低覆盖度的平均值分别为 0. 80 和 0. 46,观测样本的覆盖度为 0. 51)可以看
出:两种样本的估算结果都非常接近,特别是和观测个例覆盖度比较接近的样本的估算误差很小,植被覆盖度
较高的样本的估算误差在可见光和部分近红外波段上误差较小,在近红外波段上误差偏大,最大绝对值为 0.
015。 图 7(b)和(c)给出基于高覆盖度和低覆盖度土豆共 21 个样本对低覆盖度的 7 个样本估算结果的方差
分布和平均光谱曲线,可以看出:植被覆盖度较高的参考样本得到的估算误差在可见光和部分红外波段上误
差较小,在 750—1000 nm近红外波段上误差略大,最大绝对值为 0. 013;低覆盖度植被参考样本得到的估算
结果的误差最大绝对值为 0. 009,也位于 750—1000 nm 近红外波段上。 由此说明该公式基本能反映植物的
光谱反射率分布,但不能很好地反应植被细胞结构特征,有待进一步改进。
太阳辐射的能量主要集中在可见光区,其中 0. 38—0. 76 滋m的可见光能量占太阳辐射总能量的 46% ,到
达地面的太阳辐射主要集中在 0. 3—3. 0 滋m 波段,包括近紫外、可见光、近红外和中红外波段。 阿布都瓦斯
提吾拉木和秦其明[10]将 0. 3—4 滋m波段分成 13 个连续波谱区域,采用 6S辐射传输模式和 ETM资料模拟了
研究区域的光谱反射率,并计算了 13 个区域反射率权重,实现了宽波段反照率的反演。 其表达式为:
A =移
13
i = 1
棕iR i + R0 (5)
式中, 棕i 、 R i 、 R0 分别为第 i个波段(滋m)的权重和反射率以及反射率常数项, R0 = 0. 002
本研究采用该方法将高光谱波段分为 12 个部分,根据其在 0. 3—4 滋m 的光谱波段所占的权重关系估算
出宽波段反照率。由图8( a)可知,由上述方法估算的宽波段反照率与实际观测的光谱反射率转换得到的宽
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图 7摇 土豆反射率光谱曲线估算个例的结果对比(a)及基于高覆盖度(b)和低覆盖度(c)土豆共 21 个样本估算结果的方差分布
Fig. 7摇 The contrast of estimation reflectance with observed reflectance of a case (a) and the average spectrum reflectance and variance
distribution from high vegetation cover(b) and low vegetation cover(c)
表 1摇 宽波段反照率的转换的各波段反射率权重[ 10]
Table 1摇 Wavelength weight for broad albedo conversion
棕i 0. 3—0. 45 0. 45—0. 515 0. 515—0. 525 0. 525—0. 606 0. 605—0. 63 0. 63—0. 69
Ri 0. 133 0. 095 0. 013 0. 109 0. 031 0. 069
棕i 0. 69—0. 775 0. 775—0. 9 0. 9—1. 55 1. 55—1. 75 1. 75—2. 09 20. 9—2. 35
Ri 0. 083 0. 097 0. 25 0. 033 0. 034 0. 015
波段反照率结果很相近,散点分布在依0. 015 的范围内,平均误差为 0. 007。 将模拟和观测的光谱反射率得到
的宽波段反照率与定点观测的反照率对比得到的散点图见图 8(b),二者的结果也比较相近,散点分布在
依0. 02的范围内,平均误差为 0. 011, 本研究所测得的反照率在 0. 15 与 0. 25 之间,因此,散点分布在 8%—
13%范围内,平均误差为 5. 5% 。 由此可见,基于光谱反射率能够较好地估算宽波段反照率,ASTER 光谱库提
供了 0. 3—14 滋m 范围的各类地表类型 BRDF和方向半球反照率数据, 有助于得到不同植被类型的波谱反射
率和宽波段反照率。
3摇 结论与讨论
本研究通过应用高光谱波谱仪进行各种植被覆盖度地物的同期观测、分析不同地物光谱反射率的差异、
寻找光谱反射率的影响因素并建立了光谱反射率和宽反照率的估算关系,得出以下结论:
除了太阳高度角外,决定绿色植物光谱反射率的主要因素有叶绿素、细胞构造、含水量以及植物生长的土
壤水分、物理和化学属性等;根据植物波谱特征的时间变化的差异,本研究用以归一化植被指数、归一化植被
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图 8摇 基于估算光谱反射率与观测光谱反射率得到的全波段反照率结果(a)及其与观测的反照率(b)的散点关系(m0 和 m1 为理想曲线)
Fig. 8摇 relation of albedo from estimation reflectance and observed reflectance(a) and estimated albedo and observed albedo(b) (m0 and
m1 are ideal line)
水分指数以及土壤体积含水量作为稀疏植被区光谱曲线的判别指标。
根据植被与土壤光谱反射率差异,以及归一化植被指数、归一化植被水分指数以及土壤体积含水量与全
波段反照率的关系,建立了基于已知植被波谱反射率和土壤波谱反射率曲线的波谱反射率估算模型,估算结
果与观测结果基本接近,虽然在近红外波段上存在一定的误差,但并没有影响全波段反照率的估算。
非均匀下垫面的反照率等陆面过程参数是进行尺度耦合和尺度转换中有待解决的主要问题。 在假定光
谱观测的低植被覆盖度区域为小的混合像元的基础上,本研究用已知植物和土壤波谱结合待估对象的土壤含
水量、NDVI和 NDWI将低植被覆盖度混合像元的波谱反射率表示出来,揭示影响全波段反照率的因子的作用
机理,为推广应用到卫星像元尺度上的波谱反射率和全波段反照率估算方面奠定了基础,有助于接触波谱库
资料和卫星资料获得的 NDVI和 NDWI反演不同尺度的陆面过程参数。 另外,随着卫星探测技术的发展,高光
谱卫星遥感发展前景良好,基于光谱反射率的估算方法可以实现高光谱遥感在反照率等陆面过程参数尺度耦
合和转换过程中的应用。
致谢: 感谢王胜、王小平和李宏宇对资料处理的帮助。
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ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 31,No. 24 December,2011(Semimonthly)
CONTENTS
The community structure of endophytic bacteria in different parts of huanglongbing鄄affected citrus plants
LIU Bo, ZHENG Xuefang,SUN Daguang,et al (7325)
………………………………
……………………………………………………………………………
A research on the response of the radial growth of Pinus koraiensis to future climate change in the XiaoXing忆AnLing
YIN Hong, WANG Jing, LIU Hongbin, et al (7343)
…………………
………………………………………………………………………………
Efficiency and kinetic process of nitrogen removal in a subsurface wastewater infiltration system (SWIS)
LI Haibo, LI Yinghua, SUN Tieheng, et al (7351)
……………………………
…………………………………………………………………………………
Designing nature reserve systems based on ecosystem services in Hainan Island
XIAO Yi, CHEN Shengbin, ZHANG Lu, et al (7357)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Assessing ecological services value of herbivorous wild animals in Changtang grassland: a case study of Tibetan antelope
LU Chunxia, LIU Ming, FENG Yue, et al (7370)
……………
…………………………………………………………………………………
Spatial characteristics analysis of ecological system service value in QianJiang City of Hubei Province
XU Beishen,ZHOU Yong, XU Li,et al (7379)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Landscape pattern change and its influence on soil carbon pool in Napahai wetland of Northwestern Yunnan
LI Ningyun, YUAN Hua, TIAN Kun, et al (7388)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Multi鄄scenarios analysis for wetlands ecosystem conservation based on connectivity: a case study on HuangHuaiHai Region, China
SONG Xiaolong, LI Xiaowen, ZHANG Mingxiang, et al (7397)
…
……………………………………………………………………
The potential of carbon sink in alpine meadow ecosystem on the Qinghai鄄Tibetan Plateau
HAN Daorui, CAO Guangmin,GUO Xiaowei, et al (7408)
………………………………………………
…………………………………………………………………………
The relations of spectrum reflectance with inhomogeneous factors and albedo parameterization ZHANG Jie, ZHANG Qiang (7418)…
Groundwater ecological sensitivity assessment in the lower Liaohe River Plain based on GIS technique
SUN Caizhi,YANG Lei,HU Dongling (7428)
………………………………
………………………………………………………………………………………
Ecological sensitivity of Xiamen City to land use changes HUANG Jing, CUI Shenghui, LI Fangyi, et al (7441)……………………
Investigation and analysis on situation of ecotourism development in protected areas of China
ZHONG Linsheng,WANG Jing (7450)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Handicapping male鄄cheaters by stable mate relationship in yellow鄄bellied prinia, Prinia flaviventris
CHU Fuyin,TANG Sixian, PAN Hujun,et al (7458)
……………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of dietary protein content and food restriction on the physiological characteristics of female Microtus fortis
ZHU Junxia, WANG Yong,ZHANG Meiwen,et al (7464)
……………………
…………………………………………………………………………
Predator鄄prey system with positive effect for prey QI Jun,SU Zhiyong (7471)…………………………………………………………
Volatile constituents of four moraceous host plants of Apriona germari ZHANG Lin, WANG Baode, XU Zhichun (7479)……………
Relationship between adult emergence of Massicus raddei (Coleoptera: Cerambycidae) and temperature and relative humidity
YANG Zhongqi, WANG Xiaoyi,WANG Bao, et al (7486)
………
…………………………………………………………………………
Nest site selection and reproductive success of Parus varius in man鄄made nest boxes
LI Le, WAN Dongmei, LIU He, et al (7492)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………………
A study on bio鄄ecology of the stopover site of waders within China忆s Yalu River estuary wetlands
SONG Lun,YANG Guojun, LI Ai, et al (7500)
……………………………………
……………………………………………………………………………………
The spatial鄄temporal change variations of temperature in Xilinguole steppe zone
WANG Haimei, LI Zhenghai,WU Lan, et al (7511)
………………………………………………………
………………………………………………………………………………
The growth and photosynthetic responses of Cleyera japonica Thunb. seedlings to UV鄄B radiation stress
LAN Chunjian, JIANG Hong, HUANG Meiling,et al (7516)
………………………………
………………………………………………………………………
Photosynthesis鄄transpiration coupling mechanism of wheat and maize during daily variation
ZHAO Fenghua, WANG Qiufeng, WANG Jianlin, et al (7526)
……………………………………………
……………………………………………………………………
Comparison of the methods using stable hydrogen and oxygen isotope to distinguish the water source of Nitraria Tangutorum
GONG Guoli,CHEN Hui,DUAN Deyu (7533)
…………
………………………………………………………………………………………
Effects of cold weather on seedlings of three mangrove species planted in the Min River estuary during the 2010 winter
YONG Shiquan, TONG Chuan, ZHUANG Chenhui, et al (7542)
……………
…………………………………………………………………
Correlation between ecological factors and ginsenosides XIE Caixiang,SUO Fengmei,JIA Guanglin,et al (7551)……………………
Effects of pyrene on low molecule weight organic compounds in the root exudates of ryegrass (Lolium perenne L. )
XIE Xiaomei, LIAO Min, YANG Jing (7564)
……………………
………………………………………………………………………………………
Isolation of phosphate solubilizing fungus (Aspergillus niger) from Caragana rhizosphere and its potential for phosphate solubili鄄
zation ZHANG Lizhen, FAN Jingjing, NIU Wei, et al (7571)……………………………………………………………………
Effect of raindrop impact on nutrient losses under different near 鄄surface soil hydraulic conditions on black soil slope
AN Juan, ZHENG Fenli, LI Guifang,et al (7579)
………………
…………………………………………………………………………………
Emergy analysis of coal鄄fired power generation system and construction of new emergy indices
LOU Bo,XU Yi,LIN Zhenguan (7591)
…………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Review and Monograph
The impact of forest vegetation change on water yield in the subalpine region of southwestern China
ZHANG Yuandong, LIU Shirong, et al (7601)
…………………………………
……………………………………………………………………………………
Reviews on spatial pattern and sand鄄binding effect of patch vegetation in arid desert area
HU Guanglu, ZHAO Wenzhi,WANG Gang (7609)
……………………………………………
…………………………………………………………………………………
Sustainable management on pests by agro鄄biodiversity GAO Dong, HE Xiahong, ZHU Shusheng (7617)……………………………
Scientific Note
Characteristics of organic carbon and nutrient content in five soil types in Honghu wetland ecosystems
LIU Gang,SHEN Shouyun,YAN Wende,et al (7625)
………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of cypermethrin and deltamethrin on reproduction of Brachionus calyciflorus
HUANG Lin, LIU Changli, WEI Chuanbao, et al (7632)
……………………………………………………
…………………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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生摇 态摇 学摇 报
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第 31 卷摇 第 24 期摇 (2011 年 12 月)
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Vol郾 31摇 No郾 24摇 2011
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