CN112710613B - 一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法 - Google Patents

一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，包括：分别获取研究区域裸土单组分状态、光合植被—裸土两组分状态、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率；基于裸土单组分状态、光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数；基于裸土单组分状态、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数；基于裸土消除系数、非光合植被消除系数，获取研究区域三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数。本发明能够精确确定适用于研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数。

Description

一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法
技术领域
本发明涉及光合植被参数遥感估算技术领域，特别是涉及一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法。
背景技术
开展陆地光合植被参数(生物量、覆盖度、叶面积指数等)遥感准确估算，对于科学管理陆地植被生态系统、维持植被生态系统平衡、促进区域可持续发展都具有重要意义。
利用遥感指数构建统计回归模型是估算区域光合植被参数最常用的遥感方法。在遥感指数中，通常选用对光合植被强吸收的红波段和对光合植被高反射的近红外波段。其中，NDVI((近红外波段反射率-红波段反射率)/(近红外波段反射率+红波段反射率))是最常用的遥感指数。
在光合植被—裸土两组分状态下，由于裸土光谱的强烈干扰，利用NDVI估算光合植被参数受到了很大的限制。为此，现有技术中，通过在NDVI中引入土壤线来降低裸土光谱影响的思路，得到广泛的关注。其中，SAVI((近红外波段反射率-红波段反射率)/(近红外波段反射率+红波段反射率+L)×(1+L))是最常用的去除裸土光谱影响的遥感指数。其它常用的去除裸土光谱影响的遥感指数还有MSAVI、TSAVI等。
但是，在光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下，利用NDVI估算光合植被参数不仅受到裸土光谱的强烈干扰，而且受到非光合植被光谱的强烈干扰。现有技术中，去除裸土光谱影响的遥感指数(例如：SAVI、MSAVI、TSAVI)也无法准确估算光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数(例如：生物量、覆盖度、叶面积指数)，这主要归因于非光合植被光谱的影响。
因此，如何去除非光合植被与裸土两者光谱的耦合影响，是确定适用于光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下光合植被参数遥感估算指数的关键。
然而，如何去除非光合植被与裸土两者光谱的耦合影响，目前还没有相关的标准方法，严重制约着光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下光合植被参数的遥感估算精度。在当前全球气候变化与人类活动干扰的大背景下，非光合植被在陆地植被组分中占有很大比例，亟需发明一种快速、高效的标准方法来确定光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数，进而精确计算区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数(例如：生物量、覆盖度、叶面积指数)。
发明内容
本发明的目的是提供一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够精确确定适用于研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数，通过遥感估算指数，能够进一步精确计算研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数(例如：生物量、覆盖度、叶面积指数)。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，包括如下步骤：
步骤S1、获取研究区域裸土单组分状态下的反射率；
步骤S2、获取研究区域光合植被—裸土两组分状态下的反射率；
步骤S3、获取研究区域非光合植被—裸土两组分状态下的反射率；
步骤S4、基于研究区域裸土单组分状态下的反射率、光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数；
步骤S5、基于研究区域裸土单组分状态下的反射率、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数；
步骤S6、基于所述裸土消除系数、非光合植被消除系数，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数。
优选地，所述步骤S1中，研究区域裸土单组分状态下的反射率获取方法包括：在研究区域随机选取一个纯裸土样地，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定纯裸土样地的近红外波段、红波段反射率。
优选地，所述步骤S2中，研究区域光合植被—裸土两组分状态下的反射率获取方法包括：在研究区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，并去除非光合植被，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定光合植被—裸土两组分样地的近红外波段、红波段反射率。
优选地，所述步骤S3中，研究区域非光合植被—裸土两组分状态下的反射率获取方法包括：在研究区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，并去除光合植被，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定非光合植被—裸土两组分样地的近红外波段、红波段反射率。
优选地，所述步骤S4中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的具体方法包括：
步骤S41、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S2测得的光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、光合植被等值线；
步骤S42、基于所述裸土线、光合植被等值线，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负和绝对值大小。
优选地，所述步骤S42中，研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负的获取方法为：依据步骤S41绘制的裸土线与光合植被等值线，如果裸土线与光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第一象限，则研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数为负值，如果交点位于坐标平面空间的第三象限，则研究区域光合植被—光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数为正值。
优选地，所述步骤S42中，研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的绝对值大小的获取方法为：依据步骤S41绘制的裸土线与光合植被等值线，得到裸土线与光合植被等值线的交点坐标，计算裸土线与光合植被等值线的交点与坐标原点的距离，裸土线与光合植被等值线的交点与坐标原点的距离即为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数的绝对值。
优选地，所述步骤S5中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的具体方法包括：
步骤S51、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S3测得的非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、非光合植被等值线；
步骤S52、基于所述裸土线、非光合植被等值线，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的正负和绝对值大小。
优选地，所述步骤S6中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数的具体方法包括：依据步骤S4、S5中得到的光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数VI，如式3所示：
Figure BDA0002843168130000061
式中，α、b分别为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的绝对值大小；α、b前面的±分别代表研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负；RNIR为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的近红外波段反射率，Rred为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的红波段反射率。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过测定研究区域单组分状态、光合植被—裸土两组分状态、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，得到研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小，通过裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小得到研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数，有效去除了非光合植被、裸土两者光谱的耦合影响，从而实现了对研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数的精确确定，通过遥感估算指数，能够进一步精确计算研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数(例如：生物量、覆盖度、叶面积指数)。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例以内蒙古荒漠草原为例，对本发明一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法作进一步说明，用于对内蒙古荒漠草原区域在光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数进行确定，并进一步利用确定的遥感指数计算内蒙古荒漠草原区域在光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数(例如：生物量、覆盖度、叶面积指数)，包括如下步骤：
步骤S1、获取内蒙古荒漠草原区域裸土单组分状态下的反射率；具体包括：
在内蒙古荒漠草原区域随机选取一个纯裸土样地，分别测定纯裸土样地在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量10％、人工灌溉至土壤体积含水量20％、人工灌溉至土壤体积含水量30％四种条件下的近红外波段(780-1100nm)、红波段(620-760nm)反射率。
步骤S2、获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—裸土两组分状态下的反射率；具体包括：
在内蒙古荒漠草原区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，采用人工方式去除非光合植被，分别测定光合植被—裸土两组分样地在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量10％、人工灌溉至土壤体积含水量20％、人工灌溉至土壤体积含水量30％等四种条件下的近红外波段(780-1100nm)、红波段(620-760nm)反射率。
步骤S3、获取内蒙古荒漠草原区域非光合植被—裸土两组分状态下的反射率；具体包括：
在内蒙古荒漠草原区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，采用人工方式去除光合植被，分别测定非光合植被—裸土两组分样地在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量10％、人工灌溉至土壤体积含水量20％、人工灌溉至土壤体积含水量30％等四种条件下的近红外波段(780-1100nm)、红波段(620-760nm)反射率。
步骤S4、基于内蒙古荒漠草原区域裸土单组分状态下的反射率、光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数；具体包括：
步骤S41、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S2测得的光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、光合植被等值线；
步骤S42、基于所述裸土线、光合植被等值线，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负和绝对值大小；
内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负的获取方法为：基于所述裸土线、光合植被等值线，如果裸土线与光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第一象限，则裸土消除系数为负值，如果交点位于坐标平面空间的第三象限，则裸土消除系数为正值；本实施例中，内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下，裸土线与光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第一象限，裸土消除系数为负值。
内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的绝对值大小的获取方法为：依据步骤S41绘制的裸土线与光合植被等值线，得到裸土线与光合植被等值线的交点坐标(x1，y1)，计算裸土线与光合植被等值线的交点(x1，y1)与坐标原点(0，0)的距离，裸土线与光合植被等值线的交点(x1，y1)与坐标原点(0，0)的距离即为内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数的绝对值，如式(1)所示：
Figure BDA0002843168130000101
式中，α为内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数的绝对值大小，通过式(1)计算得到α为0.8。
步骤S5、基于内蒙古荒漠草原区域裸土单组分状态下的反射率、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数；具体包括：
步骤S51、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S3测得的非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、非光合植被等值线；
步骤S52、基于所述裸土线、非光合植被等值线，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的正负和绝对值大小；
内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的正负的获取方法为：如果裸土线与非光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第一象限，则非光合植被消除系数为负值，如果交点位于坐标平面空间的第三象限，则非光合植被消除系数为正值；本实施例中，内蒙古荒漠草原光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下，裸土线与非光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第三象限，非光合植被消除系数为正值。
内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的绝对值的获取方法为：
依据步骤S51中绘制的裸土线与非光合植被等值线，得到裸土线与非光合植被等值线的交点坐标(x2，y2)，计算裸土线与非光合植被等值线的交点(x2，y2)与坐标原点(0，0)的距离，裸土线与非光合植被等值线的交点(x2，y2)与坐标原点(0，0)的距离b即为内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下非光合植被消除系数的绝对值，如式(2)所示：
Figure BDA0002843168130000111
式中，b为内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下非光合植被消除系数的绝对值大小，通过式(2)计算得到b为0.6。
步骤S6、基于所述裸土消除系数、非光合植被消除系数，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数；
依据步骤S4、S5中得到的光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小，获取内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数VI，如式(3)所示：
Figure BDA0002843168130000112
式中，α、b分别为内蒙古荒漠草原区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的绝对值大小；α、b前面的±分别代表研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负；RNIR为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的近红外波段反射率，Rred为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的红波段反射率；将裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小代入式(3)，可得：
Figure BDA0002843168130000121
简化后，可得
Figure BDA0002843168130000122
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、获取研究区域裸土单组分状态下的反射率；
步骤S2、获取研究区域光合植被—裸土两组分状态下的反射率；
步骤S3、获取研究区域非光合植被—裸土两组分状态下的反射率；
步骤S4、基于研究区域裸土单组分状态下的反射率、光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数；
步骤S5、基于研究区域裸土单组分状态下的反射率、非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数；
步骤S6、基于所述裸土消除系数、非光合植被消除系数，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数；
所述步骤S4中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的具体方法包括：
步骤S41、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S2测得的光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、光合植被等值线；
步骤S42、基于所述裸土线、光合植被等值线，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负和绝对值大小；
所述步骤S5中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的具体方法包括：
步骤S51、依据步骤S1测得的裸土单组分状态下的反射率以及步骤S3测得的非光合植被—裸土两组分状态下的反射率，在红波段—近红外波段二维坐标平面空间中，绘制裸土线、非光合植被等值线；
步骤S52、基于所述裸土线、非光合植被等值线，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的非光合植被消除系数的正负和绝对值大小；
所述步骤S6中，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数的具体方法包括：依据步骤S4、S5中得到的光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负和绝对值大小，获取研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数VI，如式3所示：
Figure FDA0003506939440000021
式中，a、b分别为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的绝对值大小；a、b前面的±分别代表研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数、非光合植被消除系数的正负；RNIR为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的近红外波段反射率，Rred为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的红波段反射率。
2.根据权利要求1所述的三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，研究区域裸土单组分状态下的反射率获取方法包括：在研究区域随机选取一个纯裸土样地，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定纯裸土样地的近红外波段、红波段反射率。
3.根据权利要求1所述的三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，研究区域光合植被—裸土两组分状态下的反射率获取方法包括：在研究区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，并去除非光合植被，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定光合植被—裸土两组分样地的近红外波段、红波段反射率。
4.根据权利要求1所述的三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，研究区域非光合植被—裸土两组分状态下的反射率获取方法包括：
在研究区域随机选取一个光合植被—非光合植被—裸土三组分的样地，并去除光合植被，在自然状态下、人工灌溉至土壤体积含水量达到若干种不同预设阈值条件下，分别测定非光合植被—裸土两组分样地的近红外波段、红波段反射率。
5.根据权利要求1所述的三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，所述步骤S42中，研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的正负的获取方法为：依据步骤S41绘制的裸土线与光合植被等值线，如果裸土线与光合植被等值线的交点位于坐标平面空间的第一象限，则研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数为负值，如果交点位于坐标平面空间的第三象限，则研究区域光合植被—光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数为正值。
6.根据权利要求1所述的三组分状态下的光合植被参数遥感估算指数确定方法，其特征在于，所述步骤S42中，研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下的裸土消除系数的绝对值大小的获取方法为：依据步骤S41绘制的裸土线与光合植被等值线，得到裸土线与光合植被等值线的交点坐标，计算裸土线与光合植被等值线的交点与坐标原点的距离，裸土线与光合植被等值线的交点与坐标原点的距离即为研究区域光合植被—非光合植被—裸土三组分状态下裸土消除系数的绝对值。
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