嚴恩萍,林 輝,洪奕豐,張 雨,陳 利
(1.中南林業科技大學 林業遙感信息工程研究中心,長沙410004;2.國家林業局 華東森林資源監測中心,杭州310019)
葉面積指數(LAI)是定量分析地球生態系統能量交換特性的重要因子,對生態系統碳循環和全球變化研究具有重要意義[1]。作為植被冠層結構研究的重要參數,LAI控制著植被的生物物理過程,同時也為植冠表面能量交換提供定量信息。傳統的葉面積指數測量方法受儀器、人力和物力等因素的影響,只能在局部范圍進行測量,隨著信息技術的迅速發展,遙感因其宏觀、短周期和低成本等特點,為林業中實時大范圍LAI監測提供了有效途徑。
國內外學者利用高光譜遙感數據結合地面調查數據開展LAI的定量估測研究已有很多探索[2-4];也有學者利用中低分辨率遙感數據(NOAA-AV HRR、MODIS、T M、ASTER),開展了不同尺度的LAI反演研究,Gitelson等提出了新的植被指數GRVI,用綠波段代替紅波段,開展LAI估測研究;劉占宇等構建了針對玉米、棉花和水稻等不同作物的植被指數模型[5-9]。由多波段數據經線性/非線性組合形成的葉面積指數,在綠色植被探測方面比單波段數據更靈敏,作為植被生長狀態及空間分布密度的指示因子,被廣泛應用于作物識別預報、植被覆蓋密度評價、土地利用覆蓋探測等領域[10-11]。
杉木(Cunningha mia l anceol ata)是我國南方林區主要的速生用材樹種,有近千年的栽培歷史,面積約占我國人工林總面積的24%,在南方集體林區生產建設中占有重要地位[12]。目前LAI監測運用較多的是高光譜和中低分辨率遙感技術,但采用高分辨率遙感進行杉木葉面積指數估測及影響因子(尤其是坡向、齡組)分析的研究不多。鑒于此,本研究以湖南攸縣黃豐橋林場的SPOT影像為數據源,結合地面實測數據,分析從遙感影像得到的植被指數與實測LAI的相關關系,構建適合杉木人工林LAI的最佳指數及估測模型,分析齡組、坡向等因子對LAI的影響,旨在為大區域杉木LAI信息的遙感估算提供科學依據和參考。
研究區攸縣黃豐橋國有林場地處湖南省株洲市攸縣東部,位于東經113°04′—113°43′,北緯27°06′—27°24′,屬亞熱帶季風濕潤氣候區,年平均氣溫17.8℃、降水量1 410.8 mm、平均日照時間67 d、無霜期292 d左右。境內以中低山地貌為主,最高海拔1 270 m,最低海拔115 m,坡度在20°~35°之間。土壤以板頁巖發育而成的山地黃壤為主。林場屬以保護為主的生態公益型林場,境內森林茂盛,有木本植物430余種,森林覆蓋率達90.07%。
全場國有林經營面積228.7萬h m2,有林地面積151.8萬h m2,劃定生態公益林132.3萬h m2(均為國家級)。擁有森林蓄積量891 262 m3,其中商品林蓄積434 991 m3,生態公益林蓄積456 271 m3。林分類型以杉木人工林為主,在不同的坡向、坡度和海拔上,廣泛分布著杉木幼齡、中齡以及成熟林。試驗區主要位于攸縣的黃豐橋鎮和柏市鎮,其中以黃豐橋國有林場柏市分場和廣黃分場為核心研究區域,總面積351.16 k m2。
1.2.1 遙感數據 本研究采用2009年11月28日3:06獲取的SPOT5遙感數據,影像中心坐標為27°17′33″N,113°49′27″E。數據包括 XS1(540.0 n m)、XS2(650.0 n m)、XS3(835.0 n m)、SWIR (1 630.0 n m)4個多光譜波段,空間分辨率為10 m,全色波段空間分辨率達2.5 m。太陽高度角和方位角分別為45.11°和158.74°,視場范圍為60 k m×60 k m。
1.2.2 地面調查數據 運用角規抽樣方法對林分進行調查獲取地面數據,結合攸縣土地利用類型圖以及2008年森林資源調查數據,分析杉木人工林的整體分布情況,設置60 m×60 m的樣地107塊,調查時間為2009年11月15日至2009年12月5日。所有樣地均為人工純林,其中杉木林78塊,主要為中齡林和近熟林;其他樣地29塊,包括馬尾松林、闊葉樹林和竹林。
共采集107塊樣地的地面實測LAI數據(圖1),在每個樣地的四角和中心分別設置一個測點,每個測點分別進行4次葉面積指數測量,取4次測量的平均值作為該點的實測葉面積指數,同時用GPS記錄每一測點的經緯度,最后取每塊樣地所有測點的平均值作為該樣地的葉面積指數。

圖1 地面實測LAI樣點分布
1.3.1 地物反射率的計算
(1)幾何校正 使用經過輻射校正的SPOT 5多光譜波段數據,在1∶100 00地形圖上選擇明顯特征點30個,對原始影像進行幾何校正,誤差控制在1個

式中:A——輻射校正后圖像產品的絕對定標增益;B——圖像產品的絕對定標偏置;在DI M參數文件中分別以 Physical-Gain和 Physical-Bias的形式給出,單位為 W/(m2·sr·μm);X——幾何校正后的圖像像元值;L——經像元值X計算得到的輻射亮度,單位是 W/(m2·sr·μm)。
(3)地物反射率的計算 從地物能量轉換的角度看,地物輻射亮度是一個關于太陽等效輻射亮度L、太陽天頂角θ和等效地物反射E0的函數,考慮到太陽公轉時日地距離因子d的變化,則地物大氣頂部等效反射率的計算公式為:像元以內。數據采用DI MAP格式分發,各個參數存放在輔助數據文件中文件名為METADATA.DI M,采用XML格式記錄。

(2)地物輻射亮度的計算 經幾何校正后的SPOT 5數據,再經過輻射定標處理,即可得到地物的輻射亮度值,定標公式為[13]:
式中:d以天文單位表示,取值在0.983~1.017之間,本文d值取1;E0的單位為 W/(m2·sr·μm)。E0在參數文件中以SOLAR_IRRADIANCE_VALUE為標簽給出,太陽高度角以SUN_ELEVATION為標簽給出,計算其余角即得到θ。
1.3.2 植被指數的計算
(1)歸一化植被指數 歸一化植被指數(Nor malized Difference Vegetation Index)是目前信息提取最常用的參數,因為它與植被覆蓋度、植被綠度、植被生產力等均具有很好的線性關系[14-16],是反映不同土地覆蓋類型生物特性差異的重要指標[17],如生物量、植被長勢、植被覆蓋度等[18],計算公式為:

(2)土壤調節植被指數 研究表明,不同土壤背景反射率與土結構、顏色、濕度有關,直接影響著植被發射波譜特征。為修正NDVI對土壤背景噪聲的敏感性,Huete提出了土壤調節植被指數SAVI[19],公式如下:

其中,L為常量,介于0~1之間,L=1時,土壤背景影響為0;L=0時,土壤背景影響非常大,即植被覆蓋度為0[20-21]。為較好地消除土壤背景影響,L通常取值0.5。
(3)修正的土壤調節植被指數NDVI能反映出植物冠層的背景影響,為進一步削弱土壤背景的影響,Qi等[22]在SAVI的基礎上提出了修正的土壤調節植被指數(MSAVI),土壤調節因子由植被指數自身調整,表達式如下:

(4)修正的葉綠素調節植被指數 為提高植被指數對LAI的敏感度,Daughtr y等[23]在葉綠素吸收指數(CARI)的基礎上提出了修正的葉綠素調節指數(MCARI),計算公式如下:

式中:ρNIR——近紅外波段表觀反射率;ρRED——紅波段表觀反射率;ρGREEN——綠波段表現反射率。
SPOT 5影像上杉木人工林的光譜特征明顯區別于其他林地,這為準確提取杉木人工林提供了依據。從多光譜影像上提取對植被信息敏感的近紅外波段,利用歸一化植被指數(NDVI)和全色波段提取的紋理信息,輔助2008年黃豐橋林場森林資源分布圖和野外調查數據,建立訓練樣本,采用最大似然監督分類,提取研究區的杉木人工林覆蓋信息。經檢驗,分類精度達89.94%,Kappa系數為0.87,可以滿足后續研究要求。
2.2.1 相關特征統計 為探求實測LAI數據與各植被指數之間的關系,在SPSS 16中進行統計(包括最小值、最大值、平均值和標準差),結果見表1。

表1 實測LAI數據及其不同植被指數的相關統計特征
標準差反映了個體偏離均值的程度,是衡量樣本數據質量的重要指標。標準差越大,則樣本中所有個體出現的概率趨于相等,個體數據分布越分散;反之,則樣本中所有數據集中在某個中心值附近。由表1可知:實測LAI數據介于1.48~5.22之間,標準差為0.80,LAI數據整體質量理想,可以滿足后續LAI模型估測的要求;四種植被指數的標準差順序依次為:NDVI>MCARI>MSAVI≥SAVI。由此可見,NDVI、MCARI分布比較分散,在模型估測參數選擇時可重點考慮。
2.2.2 相關性分析 從78組樣本數據中剔除兩組異常數據,根據年齡、郁閉度、坡度、坡向和海拔,抽取各齡組2/3的數據用來構建葉面積指數估測模型,其中包括每個齡組樣地數據中LAI值最大和最小的兩組數據,共有50組數據作為樣本用于估測模型擬建,剩余26組數據作為檢驗樣本評價模型精度。計算各變量與實測杉木葉面積指數之間的相關性(Pearson簡單相關系數),結果見表2。

表2 植被指數與LAI相關性
由表2可知,四種植被指數均與杉木葉面積指數呈顯著相關關系,具有較高的相關性,依次為MCARI、SAVI、MSAVI、NDVI,其中相關性最高的為修正的葉綠素調節植被指數(MCARI),達0.836。2.2.3 模型構建 為了實現杉木LAI的有效估算,本研究采用葉面積指數與四種植被指數分別建立一元線性模型、二次曲線模型、對數模型、指數模型。

表3 杉木LAI與植被指數擬合模型
分析表3可知,采用二次曲線模型、指數模型和一元線性模型擬合杉木LAI,MCARI擬合效果最好,R2分別為0.713,0.662,0.675;其次是土壤調節植被指數 SAVI,決定系數 R2為0.646,0.636,0.630;MSAVI、NDVI擬合效果較前兩者略差。
綜上,基于SPOT 5表觀反射率計算的四種植被指數與杉木LAI均有較高的擬合程度,用它們建立的回歸方程的顯著性都在95%以上,擬合效果最佳的是 MCARI,其次是SAVI、MSAVI,最差的是NDVI。表明NDVI因受不同背景因素的影響,回歸效果不是很理想;而 MCARI、SAVI、MSAVI因能進一步抑制葉綠素和土壤背景因素的干擾,對植被信息和葉面積指數比較敏感,因而可以更好地用于杉木葉面積指數的遙感定量反演研究。
2.2.4 精度驗證 為進一步驗證模型的擬合精度,采用余下的26組數據分別代入擬合精度最高的四組模型中,求得估測值。將LAI實測值與估測值進行一元線性回歸模型擬合,檢驗模型的估測精度。檢驗公式如下:

式中:n——檢驗樣本容量;yi——第i個檢驗樣本值;^yi——對應第i個樣點估計值;RMSE——總均方根誤差,其值越小,表明精度越高;RE——相對誤差,以其絕對值的平均值作為模型精度檢驗指標,值越小表明精度越高。
LAI既是單植被指標,又與其他植被指數具有良好的相關性。由表4可知,以MCARI為自變量的二次多項式模型得到的LAI估測值,其擬合方程可靠性最高,R2達0.713,居6個模型最低,但均方根誤差、平均相對誤差較以MCARI為自變量的指數模型略低,分別為0.427 8,12.85%;以 MCARI為自變量的指數回歸模型得到的LAI估測值,R2為0.662,RMSE、平均相對誤差最低,分別為0.417 8,12.31%;以SAVI(L=0.5)為自變量的二次曲線回歸模型,其擬合方程的可靠性最低,R2僅0.646,RMSE最高達0.474 0,估測精度最低,僅為85.87%。
本研究建立的4種一元回歸模型中擬合程度最高的4個模型的估測精度均超過了85.87%,可對葉面積指數進行較高精度的定量估測,其中以MCARI為自變量的指數回歸模型估測精度最高,達87.69%。

表4 模型精度檢驗結果比較
2.2.5 反演制圖 為了驗證SPOT 5數據估測杉木人工林LAI的可靠性,采用GIS的裁剪功能獲得研究區杉木人工林的MCARI分布圖層,將以MCARI為自變量的指數回歸模型代入Arc GIS 10.0的柵格計算器,獲得研究區杉木人工林的葉面積指數分布(圖2)。為進一步分析杉木人工林葉面積指數的變化規律,結合研究區2008年森林資源分布圖,利用Arc GIS 10.0的Spatial Analysis功能得到研究區LAI隨不同調查因子的變化情況,結果見表5、圖3。
2.3.1 葉面積指數空間分布特征 圖2給出了研究區葉面積指數的分布,從SPOT 5遙感反演的結果來看,效果理想,葉面積指數整體呈現南北高東西低的趨勢。從區域分布來看,研究區北部—柏市分場一帶,水熱條件好,人為干擾活動少,植被以常綠針葉林為主,葉面積指數居整體區域最高,遙感反演的數值多在3~5之間,部分區域>5;東南部因有幾條比較大的山脈,天然林較多,LAI多在2~4之間;西部葉面積指數偏低,集中在1~2之間,城鎮、石漠化地區葉面積指數<1,人為干擾程度較大。通過比較發現,研究區最大葉面積指數主要出現在西北部的高山少人區,受水分濕度、人為因素限制明顯。
2.3.2 齡組對杉木葉面積指數的影響 齡組是影響杉木光輻射量及其冠層結構的重要因子,因為不同齡組樹體樹干、冠層大小等明顯不同,相應葉片的光合能力也不同。對比幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的杉木人工林LAI,結果顯示,杉木LAI隨齡組的增大呈上升趨勢(表5),至成熟林LAI達到最大,平均葉面積指數為3.20,比幼齡林LAI的2.90高出0.30;其增長速率逐步遞減,從幼齡林到成熟林依次遞增0.18,0.09,0.03,可能是隨著林齡的增長,杉木光合作用能力減弱,但總體上LAI處于逐步上升狀態。均值比較結果顯示,同一地區不同齡組杉木LAI兩兩之間有差異,說明不同齡組杉木的樹冠和葉片生長狀況差異較大,在實施經營措施時應該區別對待。

圖2 研究區LAI分布圖
2.3.3 坡向對杉木葉面積指數的影響 坡向是影響LAI的主要地形因子,因為它是表征地表面局部接受陽光和重新分配太陽輻射量的指標,能直接造成局部地區氣候特征的差異,導致不同坡向上植被類型及其生長狀況明顯不同[24]。對比陽坡、半陽坡、陰坡杉木(坡度介于20°~30°之間)LAI,結果顯示,不同坡向的LAI在整個杉木生長期間隨齡組的增大均呈不斷上升趨勢(圖3)。同一齡組內,半陽坡LAI最大,陰坡其次,陽坡最小。其中成熟林半陽坡LAI最大(達4.33),約為陰坡的1.44倍,整體高出1.33。這是由于杉木為較喜光樹種,半陽坡濕度、光照合適,適宜杉木生長;陰坡次之,而陽坡因溫差大、日照長、濕度小,杉木生長差。坡向分析結果表明,對杉木生長和分布起限制作用的首要因素是水濕條件,其次是溫度條件。

表5 各影響因子與杉木LAI的相關性統計
2.3.4 其他因子對葉面積指數的影響 作為表征植被冠層結構的基本參數之一,葉面積指數被廣泛用于植物生長、能量和冠層反射的模型研究[25]。影響葉面積指數的因子很多,包括土壤濕度、作物種類、種植密度、海拔、坡度等。分析表5可知,海拔、胸徑、樹高、郁閉度對杉木葉面積指數均有一定的影響,而且隨著這些因子值的升高,LAI逐漸增大,特別是在高海拔、高郁閉度地區,葉面積指數均高于平均值,可能因為這些地區土壤濕度大,光照氣溫適宜,比較適合于杉木的生長。與其他地形因子相比,坡度對LAI的影響并不顯著。

圖3 不同坡向杉木人工林LAI分布
LAI作為計算干物質累積和植物蒸散的重要參數,最能反映植被生長狀態與遙感數據的密切關系[26]。本研究利用SPOT 5數據提取植被指數,與實測杉木LAI建立回歸模型,利用Arc GIS 10.0得到研究區LAI的空間分布,分析齡組、坡向等因子對杉木LAI的影響。相關性分析表明,4種植被指數均與杉木葉面積指數具有較高的相關性,依次為MCARI、SAVI、MSAVI、NDVI,以 MCARI為自變量的指數回歸模型y=1.031exp(3.379x)估測精度最高,達87.69%;模型精度檢驗說明利用遙感因子對LAI進行快速、高精度、大范圍的定量估測是可行的。杉木LAI隨齡組的增大呈上升趨勢,最大值出現在成熟林;不同坡向杉木LAI之間差異顯著,半陽坡LAI明顯大于其他坡向。研究表明,齡組和坡向是影響杉木LAI的重要因子,限制其生長和分布的首要因素是水濕條件,其次是溫度。
葉面積指數作為植被長勢遙感監測中最常用的綜合參數之一,國內外已有眾多研究,并提出了不同敏感區域和和波段組合的植被指數[27-28],利用植被指數估算LAI雖能取得較好效果,但其穩定性和預測能力難以保證[29]。(1)LAI的空間分布特征主要受降水量、平均溫度和光照的影響。相關研究認為,杉木LAI在0~5時,其與生物量呈顯著的相關關系,即隨著LAI的增大,生物量明顯增加[30]。水濕條件是影響坡地杉木LAI的主要因素。(2)齡組是影響杉木冠層結構及生長狀況差異的重要因子。不同齡組杉木葉片光合能力各異,針對不同齡組杉木的經營措施也應有所側重:生長期則主要以控制樹形,修枝剪枝為主;而成熟期主要以穩定材積,增強樹勢為目的。受試驗條件的限制,關于同一齡組不同地形條件杉木的LAI是否存在明顯差異,未進行研究。(3)地形因子中坡向對LAI的影響比較顯著[31],半陽坡降水量、相對濕度比陽坡大,前者太陽輻射、溫度比陰坡大,加之杉木為較喜光樹種,因此研究區半陽坡的杉木比陽坡長勢好,陰坡次之,且成熟林LAI為陽坡的1.44倍。結果顯示,對杉木生長和分布起限制作用的首要因素是水濕條件,其次是溫度。其他因子對杉木LAI也有影響,至于是否顯著有待今后進一步研究。
葉面積指數估測一直是遙感反演領域的熱點,雖然通過構建各種植被指數能提高葉面積指數遙感估測的精度,但有效構建LAI的物理模型還需加強。同時,本研究構建的LAI估算模型成果能否在更大范圍內適用也需要進一步驗證。杉木LAI除受儀器、算法等的影響外,還取決于植被周圍的環境因素,如植株密度、葉冠、土壤背景、大氣等,其影響否顯著有待進一步驗證。
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