基于CASI數(shù)據(jù)的黑河綠洲區(qū)葉面積指數(shù)反演

楊雨薇， 戴曉愛，2， 牛育天， 劉漢湖， 楊曉霞， 蘭 燕

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059； 2.國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

基于CASI數(shù)據(jù)的黑河綠洲區(qū)葉面積指數(shù)反演

楊雨薇1， 戴曉愛1，2， 牛育天1， 劉漢湖1， 楊曉霞1， 蘭 燕1

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059； 2.國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)作為植被冠層的重要參數(shù)，對(duì)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)及產(chǎn)量估算具有重要意義。本研究以黑河流域張掖綠洲試驗(yàn)區(qū)為例，基于機(jī)載航空高光譜遙感影像(compact airborne spectrographic imager，CASI)數(shù)據(jù)，利用物理模型與統(tǒng)計(jì)模型對(duì)研究區(qū)的LAI進(jìn)行估測(cè)反演。首先，利用歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)與相應(yīng)實(shí)測(cè)LAI數(shù)據(jù)建立最佳線性回歸模型； 然后，基于混合像元分解模型和多次散射植被冠層模型構(gòu)建物理模型； 最后，以線性回歸模型為參比修正多次散射植被冠層模型，構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)LAI反演模型，并比較上述模型擬合效果。研究結(jié)果表明，半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榫G洲區(qū)LAI反演最優(yōu)模型，模型估算精度R2達(dá)到0.89，精度提高較顯著。研究對(duì)提升作物L(fēng)AI的估算精度有一定意義，并將進(jìn)一步推動(dòng)精細(xì)農(nóng)業(yè)定量遙感理論的研究與應(yīng)用。

CASI高光譜數(shù)據(jù)； 葉面積指數(shù)； 線性回歸模型； 多次散射植被冠層模型； 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

0 引言

葉面積指數(shù)(leaf area index，LAI)表征葉片冠層結(jié)構(gòu)特征,體現(xiàn)植被光合、呼吸和蒸騰作用等生物物理過程的能力,是描述土壤—植被—大氣之間物質(zhì)和能量交換的關(guān)鍵參數(shù)[1]，在植被定量遙感反演等方面也起著重要作用，被廣泛地應(yīng)用于植被冠層反射率模型與氣候模型等方面的研究[2-4]。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感的出現(xiàn)提供了豐富的高光譜分辨率數(shù)據(jù)信息，其連續(xù)精細(xì)的地物波譜信息在反演LAI的研究領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。李新輝等[8]利用CHRIS/PROBA多角度高光譜數(shù)據(jù)，基于雙層冠層模型(a two-layer canopy reflectance model,ACRM)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)蒙古錫林河流域草地的LAI反演，并與MODIS-LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，表明該方法具有可行性，且可改善稀疏植被覆蓋情況下LAI低估問題； 陳雪洋等[9]利用我國(guó)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)基于植被指數(shù)與實(shí)測(cè)LAI構(gòu)建回歸模型，對(duì)山東禹城地區(qū)冬小麥進(jìn)行了LAI反演，經(jīng)對(duì)比認(rèn)為比值植被指數(shù)(ratio vegetation index,RVI)反演精度最佳。上述研究均是利用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行LAI反演，其空間分辨率仍有一定程度的局限性。機(jī)載航空高光譜遙感影像(compact airborne spectrographic imager,CASI)數(shù)據(jù)提供了一個(gè)嶄新的平臺(tái)，使植被LAI的反演研究有了新的突破[10-11]。唐建民等[12]利用CASI高光譜數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)LAI，通過波段組合算法對(duì)LAI敏感波段進(jìn)行篩選，構(gòu)建新型光譜指數(shù)歸一化差分光譜指數(shù)(normalized difference spectral index,NDSI)和比值光譜指數(shù)(ratio spectral index,RSI)來估算張掖市農(nóng)作物L(fēng)AI，較之寬波段和“紅邊”植被指數(shù)估算結(jié)果，其反演精度更高，該研究通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行LAI的反演，模型簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)； Croft等[13]基于CASI數(shù)據(jù)，利用4-Scale模型與PROSPECT輻射傳輸模型反演LAI，并與Landsat5 TM數(shù)據(jù)及中分辨率成像光譜儀(medium resolution imaging spectrometer,MERIS)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明CASI高光譜數(shù)據(jù)的估測(cè)精度更高，該研究基于物理模型，具有較廣泛的適用性。

本文以CASI高光譜影像為數(shù)據(jù)源，選取黑河流域張掖綠洲區(qū)為研究區(qū)域，針對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推者m性較差，而物理模型參數(shù)難以準(zhǔn)確估測(cè)導(dǎo)致反演誤差較大的問題，綜合物理模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)勢(shì)構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以期提高LAI的估算精度。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)甘肅省河西走廊黑河流域張掖綠洲區(qū)內(nèi)，地理位置為E100°21′～100°22′，N38°43′～39°00′，平均海拔為1 556.06 m，屬干燥少雨的大陸性氣候區(qū)和典型的干旱—半干旱生態(tài)類型區(qū)，年平均氣溫為6 ℃[12]。該區(qū)南起祁連山，北依巴丹吉林沙漠，黑河橫穿其中，故地下水儲(chǔ)量豐富，作為現(xiàn)代綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，以小麥、玉米、油菜、大豆、高原夏菜、馬鈴薯和水稻等為主要農(nóng)作物。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 CASI高光譜數(shù)據(jù)

采用黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心、寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //westdc.westgis.ac.cn/)“黑河流域生態(tài)-水文過程綜合遙感觀測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)”提供的可見光近紅外CASI數(shù)據(jù)[14]。該數(shù)據(jù)由運(yùn)-12飛機(jī)搭載CASI傳感器獲取，飛行時(shí)間為2012年7月7日，飛行相對(duì)高度為2 000 m(海拔約3 500 m)。波長(zhǎng)范圍為382.5～1 055.5 nm，空間分辨率為1 m。

結(jié)合地面ASD同步實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)和CE-318數(shù)據(jù)，利用MODTRAN4.0模擬傳感器接收的輻射亮度，計(jì)算定標(biāo)校正系數(shù)進(jìn)行輻射校正，通過光學(xué)厚度數(shù)據(jù)計(jì)算大氣能見度進(jìn)行FLAASH大氣校正，最后基于POS數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何粗糾正，完成對(duì)CASI高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

1.2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

采用由黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心、寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //westdc.westgis.ac.cn/)的“黑河流域生態(tài)-水文過程綜合遙感觀測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)”提供的黑河中游LAI2000測(cè)量LAI數(shù)據(jù)[15]。該數(shù)據(jù)利用LAI2000植冠分析儀在盈科綠洲5 km×5 km樣方內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，在每個(gè)樣方內(nèi)測(cè)量一次冠層上入射和多次冠層下透射取其平均值，再利用間隙率模型反演冠層LAI得到，具有經(jīng)緯度信息。

2 LAI遙感反演方法

本研究采用CASI數(shù)據(jù)，通過分析影像中作物光譜曲線特征，綜合利用反演LAI的物理模型與線性回歸模型，構(gòu)建半經(jīng)驗(yàn)LAI反演模型，進(jìn)行LAI的估測(cè)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線Fig.1 Flowchart of technology

2.1 混合像元分解模型

在當(dāng)前LAI定量反演研究中，線性光譜混合模型(linear spectral mixture model，LSMM)具有較高的普適性且沒有大量無(wú)法精確測(cè)量的參數(shù)，易于實(shí)現(xiàn)同一尺度下的數(shù)據(jù)分析，故選取LSMM[16]進(jìn)行混合像元分解以得到植被覆蓋度Fc。其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：Ri為混合像元反射率；i為波段數(shù)，i=1，2，...，m；k為端元數(shù)，k=1，2，...，n；Rik為第i波段第k個(gè)端元的反射率；fk為第k個(gè)端元占該像元的面積百分比；εi為第i波段隨機(jī)誤差。

2.2 多次散射植被冠層模型

眾所周知，植被冠層由無(wú)數(shù)位置、傾角和傾向不同的葉子組成，易發(fā)生多次散射和透射作用。散射光的能量主要集中在第一次，隨著散射次數(shù)的增加，散射強(qiáng)度呈等比級(jí)數(shù)銳減，一般考慮3次散射即可滿足LAI的估算精度，因此首先采用第一次透射率T1代替總透射率進(jìn)行初始LAI的計(jì)算[17]，即

(2)

得到

(3)

式中：τ1(h)為高度在h以上部分冠層的光學(xué)厚度；Λ(z)=dL/dh，為L(zhǎng)AI密度；k1(z)為冠層在入射方向上的消光系數(shù)；μ1=cosθs，θs為太陽(yáng)天頂角；L為L(zhǎng)AI。

在植被覆蓋區(qū)域，

(4)

得到LAI計(jì)算公式為

(5)

其第2次和第3次散射透射率(T2和T3)分別表示為[17]

(6)

即

T2=RlLe-L,

(7)

(8)

積分得

(9)

式中:τ(z)和T(z)分別為高度在z以上冠層部分垂直向上的光學(xué)厚度和透射率；Rl=ρl/2,ρl為近紅外波段反射率。

由于求解初始LAI時(shí)降低了植被冠層的透射率，造成LAI的反演誤差，因此修正一次散射透射率T為

T=T1+T2+T3。

(10)

將T代替式(5)中的T1，求解一次迭代后LAI修正值。同理多次迭代后，即可得到準(zhǔn)確的LAI估測(cè)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 線性回歸模型模擬結(jié)果

對(duì)CASI高光譜數(shù)據(jù)紅光(611.9～754.9 nm)和近紅外(812～1 055.5 nm)波段反射率進(jìn)行提取，將波段以兩兩組合的方式組建歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)，并與相應(yīng)實(shí)測(cè)LAI計(jì)算擬合精度R2，以擬合度最高為原則，得到對(duì)實(shí)測(cè)LAI值具有較高敏感度的NDVI，結(jié)果如圖2所示。顯而易見，呈深紅色區(qū)域即是R2最大值區(qū)，得到分別位于883.5 nm,897.8 nm,940.7 nm,969.4 nm,983.7 nm,1 041.1 nm,1 055.5 nm,611.9 nm和626.2 nm的近紅外與紅光波段組合計(jì)算的NDVI對(duì)LAI估算潛力較大。

圖2 基于紅光與近紅外波段組合NDVI與LAI線性回歸判定系數(shù)等值線Fig.2 Contour of linear regression R2 between LAI and NDVI based on red and near infrared bands

通過篩選出的最佳NDVI結(jié)合實(shí)測(cè)LAI構(gòu)建線性回歸模型，以R2和均方根誤差(root mean square error,RMSE)作為模型的精度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表1所示。表1中P為顯著性水平判定值。

表1 基于不同波段組合NDVI與LAI線性回歸模型Tab.1 Linear regression models of NDVI and LAI based on different band combination

對(duì)各線性回歸模型反演精度對(duì)比分析結(jié)果顯示，位于940.7 nm的近紅外波段與611.9 nm的紅光波段反射率構(gòu)建的NDVI反演效果最佳，其R2可達(dá)0.57，RMSE為0.51。

3.2 多次散射植被冠層模型模擬結(jié)果

鑒于CASI高光譜數(shù)據(jù)中382.5～425.7 nm波段噪聲較大，本文將425.7～1 055.5 nm波段范圍內(nèi)的反射率作為研究對(duì)象。在黑河流域張掖綠洲區(qū)內(nèi)，基于地理位置方面的考慮，確定植被、土壤和水體為端元類型進(jìn)行像元解混，得到各端元的光譜曲線(圖3)及其豐度局部圖(圖4)。圖3清晰呈現(xiàn)了各端元的光譜反射率在不同波段范圍的變化。圖4中分別顯示了研究區(qū)局部植被、土壤和水體3類端元在混合像元內(nèi)所占面積比的變化情況： 顏色越亮，表示該端元所占面積比越大。經(jīng)歸一化處理得到一個(gè)十分重要的建模參數(shù)(Fc)，其表示光通過植被冠層時(shí)被截獲的概率，是反映地表作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)，可作為植被LAI反演等研究領(lǐng)域中定量模型的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)進(jìn)行定量分析[16]。

圖3 研究區(qū)植被、土壤和水體的光譜曲線Fig.3 Spectral curves of vegetation, soil and water in the study area

(a) 植被(b) 土壤 (c) 水體

圖4研究區(qū)植被、土壤和水體豐度局部影像

Fig.4Fractionimagesofvegetation,soilandwaterinpartofthestudyarea

將線性光譜混合模型解混后得到的Fc代入多次散射植被冠層模型，進(jìn)行LAI的反演。其中，在公式(7)和(9)的計(jì)算過程中，涉及到對(duì)近紅外波段反射率的提取。通過對(duì)CASI高光譜數(shù)據(jù)近紅外波段進(jìn)行主成分分析，選取包含99%以上信息量的第一主成分分量作為建模參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。將反演結(jié)果與實(shí)測(cè)LAI進(jìn)行擬合，其反演精度R2為0.72，RMSE為0.41。

3.3 構(gòu)建最優(yōu)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在線性回歸模型中，基于各近紅外及紅光波段反射率兩兩組合計(jì)算的NDVI與實(shí)測(cè)LAI進(jìn)行反演，估測(cè)精度R2達(dá)到0.57。其屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，具有一定的區(qū)域局限性，同時(shí)忽略了作物冠層的各向散射及環(huán)境背景影響，因此估測(cè)的LAI值存在誤差。在多次散射植被冠層模型中，其反演精度較高，R2為0.72。該模型雖考慮了作物冠層的二向反射性，卻忽略了對(duì)近紅外波段的選取，導(dǎo)致LAI估測(cè)值出現(xiàn)偏差，故將近紅外波段反射率作為多次散射植被冠層模型估測(cè)LAI的關(guān)鍵因子。將線性回歸模型中計(jì)算NDVI所篩選出的近紅外波段冠層反射率作為關(guān)鍵因子的選取范圍，進(jìn)一步優(yōu)化多次散射植被冠層模型，構(gòu)建反演LAI的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀０虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莸腖AI值與相應(yīng)的實(shí)測(cè)LAI擬合精度如表2所示。

表2 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱軱AI與實(shí)測(cè)LAI擬合精度Tab.2 Fitting accuracy of measured LAI and predicted LAI based on using semi-empirical model

由表2可知，由位于883.5 nm的近紅外波段反射率構(gòu)建的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莸腖AI擬合精度最高，R2由0.72提高至0.89，效果較為顯著。故將公式(7)和(9)進(jìn)行優(yōu)化，即

T2=R883.5Le-L，

(11)

(12)

式中R883.5=ρ883.5/2，ρ883.5為位于883.5 nm的近紅外波段反射率。

基于線性回歸模型和多次散射植被冠層模型構(gòu)建最優(yōu)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停囱萁Y(jié)果如圖5所示。由圖5可知，黑河綠洲區(qū)LAI值在1.07～3.56范圍內(nèi)，圖中大范圍區(qū)域呈綠色，LAI值在2.71～3.56之間，表明研究區(qū)內(nèi)作物長(zhǎng)勢(shì)較好，其中部小范圍區(qū)域呈黃色和棕色，LAI值偏低，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)培育與監(jiān)測(cè)，以期提高作物產(chǎn)量。

圖5 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头囱莺诤泳G洲區(qū)LAI密度分布Fig.5 Map of LAI density distribution in Heihe Oasis based on semi-empirical model

4 結(jié)論

本研究以CASI高光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，針對(duì)黑河流域張掖綠洲區(qū)的作物葉面積指數(shù)(LAI)這一重要的植被參數(shù)，采用線性回歸模型與多次散射植被冠層模型2種方式進(jìn)行估測(cè)反演，并以線性回歸模型為參比，修正多次散射植被冠層模型，構(gòu)建最優(yōu)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。得到以下結(jié)論：

1)線性回歸模型和多次散射植被冠層模型反演的LAI值與實(shí)測(cè)LAI之間相互擬合后發(fā)現(xiàn)，多次散射植被冠層模型擬合度與精度更高，R2與RMSE分別為0.72和0.41，而線性回歸模型的R2僅為0.57，RMSE為0.51。

2)為進(jìn)一步提高LAI的反演精度，本研究選擇以線性回歸模型中組建NDVI的優(yōu)選近紅外波段反射率為參比，對(duì)多次散射植被冠層模型進(jìn)行修正，構(gòu)建既具有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)勢(shì)，又能與物理模型進(jìn)行耦合的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停淠Ｐ途萊2達(dá)到0.89，展示了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟吖庾V影像反演LAI中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

在后繼的研究中，將在修正多次散射植被冠層模型時(shí)，綜合考慮引入相關(guān)變量因子進(jìn)一步比對(duì)分析，以期使LAI估測(cè)精度有更大幅度提升。

志謝： 本研究依托國(guó)家自然科學(xué)基金委會(huì)“中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”(http: //westdc.westgis.ac.cn/)“黑河流域生態(tài)-水文過程綜合遙感觀測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)”提供的可見光近紅外高光譜航空遙感CASI數(shù)據(jù)及黑河流域中游LAI2000測(cè)量LAI數(shù)據(jù)，在此謹(jǐn)致謝忱。

[1] 劉 洋,劉榮高,陳鏡明,等.葉面積指數(shù)遙感反演研究進(jìn)展與展望[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2013,15(5):734-743.

Liu Y,Liu R G,Chen J M,et al.Current status and perspectives of leaf area index retrieval from optical remote sensing data[J].Journal of Geo-Information Science,2013,15(5):734-743.

[2] 任 哲,陳懷亮,王連喜,等.利用交叉驗(yàn)證的小麥LAI反演模型研究[J].國(guó)土資源遙感,2015,27(4):34-40.doi:10.6046/gtzyyg.2015.04.06.

Ren Z,Chen H L,Wang L X,et al.Research on inversion model of wheat LAI using cross-validation[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(4):34-40.doi:10.6046/gtzyyg.2015.04.06.

[3] 陳 健,王文君,盛世杰,等.基于機(jī)載MASTER數(shù)據(jù)的果園葉面積指數(shù)遙感反演[J].國(guó)土資源遙感,2015,27(2):69-74.doi:10.6046/gtzyyg.2015.02.11.

Chen J,Wang W J,Sheng S J,et al.Leaf area index retrieval of orchards based on airborne MASTER data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2):69-74.doi:10.6046/gtzyyg.2015.02.11.

[4] Sellers P J,Randall D A,Collatz G J,et al.A revised land surface parameterization(SiB2) for atmospheric GCMS.Part I:Model formulation[J].Journal of Climate,1996,9(4):676-705.

[5] Herrmann I,Pimstein A,Karnieli A,et al.LAI assessment of wheat and potato crops by VENμS and Sentinel-2 bands[J].Remote Sensing of Environment,2011,115(8):2141-2151.

[6] Liang L,Di L P,Zhang L P,et al.Estimation of crop LAI using hyperspectral vegetation indices and a hybrid inversion method[J].Remote Sensing of Environment,2015,165:123-134.

[7] 包 剛,覃志豪,周 義,等.基于高光譜數(shù)據(jù)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的草地葉面積指數(shù)反演[J].國(guó)土資源遙感,2012,24(2):7-11.doi:10.6046/gtzyyg.2012.02.02.

Bao G,Qin Z H,Zhou Y,et al.The application of Hyper-spectral data and RBF neural network method to retrieval of leaf area index of grassland[J].Remote Sensing for Land and Resources,2012,24(2):7-11.doi:10.6046/gtzyyg.2012.02.02.

[8] 李新輝,宋小寧,冷 佩.利用CHRIS/PROBA數(shù)據(jù)定量反演草地LAI方法研究[J].國(guó)土資源遙感,2011,23(3):61-66.doi:10.6046/gtzyyg.2011.03.11.

Li X H,Song X N,Leng P.A quantitative method for grassland LAI inversion based on CHRIS/PROBA data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2011,23(3):61-66.doi:10.6046/gtzyyg.2011.03.11.

[9] 陳雪洋,蒙繼華,杜 鑫,等.基于環(huán)境星CCD數(shù)據(jù)的冬小麥葉面積指數(shù)遙感監(jiān)測(cè)模型研究[J].國(guó)土資源遙感,2010,22(2):55-58,62.doi:10.6046/gtzyyg.2010.02.12.

Chen X Y,Meng J H,Du X,et al.The monitoring of the winter wheat leaf area index based on HJ-1 CCD dada[J].Remote Sensing for Land and Resources,2010,22(2):55-58,62.doi:10.6046/gtzyyg.2010.02.12.

[10] Fernandes R A,Miller J R,Chen J M,et al.Evaluating image-based estimates of leaf area index in boreal conifer stands over a range of scales using high-resolution CASI imagery[J].Remote Sensing of Environment,2004,89(2):200-216.

[11] Fernandes R,Miller J R,Hu B,et al.A multi-scale approach to mapping effective leaf area index in boreal picea Mariana stands using high spatial resolution CASI imagery[J].International Journal of Remote Sensing,2002,23(18):3547-3568.

[12] 唐建民,廖欽洪,劉奕清,等.基于CASI高光譜數(shù)據(jù)的作物葉面積指數(shù)估算[J].光譜學(xué)與光譜分析,2015,35(5):1351-1356.

Tang J M,Liao Q H,Liu Y Q,et al.Estimating leaf area index of crops based on hyperspectral compact airborne spectrographic imager(CASI) data[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2015,35(5):1351-1356.

[13] Croft H,Chen J M,Zhang Y,et al.Modelling leaf chlorophyll content in broadleaf and needle leaf canopies from ground,CASI,Landsat TM 5 and MERIS reflectance data[J].Remote Sensing of Environment,2013,133:128-140.

[14] 肖 青,聞建光.黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn):可見光近紅外高光譜航空遙感(2012年7月7日)[DB].黑河計(jì)劃科學(xué)數(shù)據(jù)中心,2013,doi:10.3972/hiwater.011.2013.db.

Xiao Q,Wen J G.HiWATER:Visible and near-infrared hyperspectral radiometer(7 July,2012)[DB].Heihe Plan Science Data Center,2013,doi:10.3972/hiwater.011.2013.db.

[15] 趙 靜,李 云,汪 艷,等.黑河生態(tài)水文遙感試驗(yàn):黑河流域中游LAI2000測(cè)量LAI數(shù)據(jù)集[R].黑河計(jì)劃科學(xué)數(shù)據(jù)中心,2013,doi:10.3972/hiwater.058.2013.db.

Zhao J,Li Y,Wang Y,et al.HiWATER:Dataset of Vegetation LAI Measured by LAI2000 in the Middle Reaches of the Heihe River Basin[R].Heihe Plan Science Data Center,2013,doi:10.3972/hiwater.058.2013.db.

[16] Carlson T N,Ripley D A.On the relation between NDVI,fractional vegetation cover,and leaf area index[J].Remote Sensing of Environment,1997,62(3):241-252.

[17] 鄧孺孺,田國(guó)良,柳欽火.基于多次散射的植被-土壤二向反射模型[J].遙感學(xué)報(bào),2004,8(3):193-200.

Deng R R,Tian G L,Liu Q H.Bi-directional reflectance model of canopy and soil based on multi-scatterings[J].Journal of Remote Sensing,2004,8(3):193-200.

InversionofleafareaindexinHeiheOasisbasedonCASIdata

YANG Yuwei1, DAI Xiaoai1,2, NIU Yutian1, LIU Hanhu1, YANG Xiaoxia1, LAN Yan1

(1.AcademicofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.KeyLaboratoryofGeoscienceSpatialInformationTechnology,MinistryofLandandResourcesofChina,Chengdu610059,China)

As the vegetation canopy’s important parameter, the leaf area index (LAI) has important significance for crop growth monitoring and yield estimation. In this study, the authors used the hyperspectral compact airborne spectrographic imager (CASI) data of Zhangye Oasis experimental area in Heihe River Basin as the experiment object and relied on physical and statistical model to estimate the inversion of the LAI. The process is as follows: First, the optimal linear regression model is established by using the normalized difference vegetation index (NDVI) and the corresponding measured LAI data. Then the physical model is adopted based on the combination of the mixed pixel decomposition model and the multiple scattering vegetation canopy model. With the linear regression model as the reference, the multiple scattering vegetation canopy model is modified, and the semi-empirical LAI inversion model is constructed. Finally, the fitting effects of the models are compared with each other. The results show that the semi-empirical model is the best model for LAI inversion in oasis area and its estimation accuracy ofR2increases significantly to 0.89. This study provides technical support for the estimation of crop leaf area index in high precision, and will further promote the study and application of quantitative remote sensing theory about precision agriculture.

hyperspectral data of CASI; leaf area index (LAI); linear regression model; multiple scattering vegetation canopy model; semi-empirical model

10.6046/gtzyyg.2017.04.27

楊雨薇,戴曉愛,牛育天,等.基于CASI數(shù)據(jù)的黑河綠洲區(qū)葉面積指數(shù)反演[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(4):179-184.(Yang Y W,Dai X A,Niu Y T,et al.Inversion of leaf area index in Heihe Oasis based on CASI data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):179-184.)

TP 751.1

A

1001-070X(2017)04-0179-06

2016-05-05；

2016-08-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“汶川強(qiáng)震區(qū)潛在泥石流危險(xiǎn)性判識(shí)及其差異性分析”(編號(hào)： 41102225)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目“岷江上游高原林區(qū)不同植被類型的土壤持水特征研究”(編號(hào)： 201351221200092013)、四川省教育廳科研項(xiàng)目“基于光譜相似度的森林樹種識(shí)別方法研究——以青城山地區(qū)為例”(編號(hào)： 15ZB0066)、國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題項(xiàng)目“非線性混合光譜模型在生態(tài)水遙感估算中的應(yīng)用研究”(編號(hào)： KLGSIT2013-02)、成都理工大學(xué)研究基金項(xiàng)目“基于混合像元分解的岷江上游植被覆蓋度定量估算研究”(編號(hào)： 2012YG02)、成都理工大學(xué)骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃(編號(hào)： DG0002)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“任務(wù)感知的遙感信息服務(wù)動(dòng)態(tài)組合方法”(編號(hào)： 41201440)、四川省教育廳理科重點(diǎn)項(xiàng)目 “基于用戶興趣特征的遙感信息智能服務(wù)方法”(編號(hào)： 15ZA0078)和四川省應(yīng)急測(cè)繪與防災(zāi)減災(zāi)工程技術(shù)研究中心開放基金項(xiàng)目“天地圖與小區(qū)域地理信息整合移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)”(編號(hào)： K2015B003)共同資助。

楊雨薇(1991-),女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。Email： 18200329209@163.com。

戴曉愛(1979-),女，副教授，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)。Email： daixiaoa@cdut.cn。

(責(zé)任編輯：張仙)