高光谱遥感与叶片和冠层水平上的生化参数反演

生态系统在土壤、植被和大气之间的水、能量和温室气体交换中发挥着重要作用。检测碳固定、养分循环、净初级生产力和凋落物分解等生态系统过程变化的能力是定义全球生物地球化学循环和识别气候变化的重要组成部分。在森林生态系统模型中，这些过程与冠层生化含量有关，特别是与氮、木质素和纤维素浓度有关。

因此， 了解植物叶片中存在的色素是改进植物生理和活力评估和量化的重要先决条件。 由于采用传统野外采样方法对冠层化学成分进行估计既耗时且不适用于大型的区域性和全球性研究，因此，作为胁迫现象或害虫、植物病害和其他灾害指标的叶生物化学（养分、色素）遥感技术长期以来一直受到森林管理者和生态学家的关注。

 图1 森林和冠层水平生化参数检测

三种类型的色素通过选择性光吸收来决定叶子的颜色：叶绿素（高等植物中的两种主要类型，叶绿素a和叶绿素b）、类胡萝卜素（包括β-胡萝卜素和叶黄素）和花青素。色素含量和组成与叶片的生理状态有关，并且在叶片的分化和衰老过程中以不同的比例存在。有些情况可能会阻碍它们的生成，如营养缺乏和非生物胁迫的影响—臭氧或二氧化硫空气污染、重金属、病毒攻击或缺水—可能会导致植被光学特性的变化。 叶绿素浓度指示光合作用和潜在的最大二氧化碳同化率，类胡萝卜素有助于光捕获，但也发挥光保护作用，并表明光合作用降低。 氮和木质素通过对分解速率的影响分别与碳分配和养分循环速率相关。叶绿素浓度也与氮高度相关，因此它已成为研究植物冠层的关键参数。

有许多研究表明，成像光谱仪获取的数据与叶生化特性相关。早期的研究主要使用逐步回归来建立窄光谱波段遥感数据与感兴趣生化变量（例如纤维素、叶绿素、木质素、氮和淀粉）之间的预测关系。后续又提出了替代技术，即通过反射模型估计生化变量。

在从叶片到冠层水平的过渡过程中，会引入强干扰效应，如冠层结构（叶面积指数、叶角分布）和土壤背景的影响。与受控实验室条件相比，机载或星载数据会受到进一步干扰的影响，例如可变的太阳光照和大气条件以及仪器特性（信噪比、光谱带宽、观测几何）。这些因素共同导致了利用遥感数据测定叶生物化学成分过程中的许多问题。尽管如此，相关研究仍表明植物冠层的光谱辐射测量值与冠层化学成分的变化相关，包括木质素、氮和纤维素浓度。

图2 各反射率指数与总叶绿素含量关系的散点图