高光谱遥感反演植物生化物质含量的叶片结构依存性研究

本项目拟通过对不同种类、不同生长期、受不同环境胁迫的植物建立叶片结构（包括绒毛密度、绒毛长度、蜡质层厚度、蜡质层形状以及叶片厚度等）的量化指标，定量研究叶片结构对光谱反射特征（包括特征波段位置、波段深度以及波段宽度等）的影响；进而评价高光谱遥感反演植物生化物质含量的叶片结构依存性；寻找对生化物质含量敏感而对叶片结构不敏感的波段，利用这些波段的光谱反射率以及各种变换形式（如各阶导数变换、对数变换、倒数后的对数变换等），创建对植物叶片结构差异不敏感的具有普适性的植被指数，以提高高光谱数据反演生物化学要素的精度。本课题的深入研究将获得高普适性的高光谱遥感模型来反演生化物质含量。

利用高光谱遥感信息可以无破坏地对植物叶片的叶绿素等生化物质含量进行的反演，这种反演基于叶片的光谱信息全部由其生化物质含量所决定这一基本假设。然而，叶片表面的物理结构，如茸毛及蜡质层等都会对叶表反射造成影响，从而影响利用光谱反射信息进行生化物质含量的反演。本项目首先研究了在去除叶片茸毛以及蜡质层前后叶片反射光谱的变化，发现茸毛和蜡质层都具有增强叶片反射的作用，而且在不同的波段上反射增强的作用不同；在此基础上，发现大多数高光谱植被指数也发生了不同的变化，但CTR1：R695/R420、D740/D720、WBI: R900/R970、R860/(R550×R708)以及红边指数（REP）是对茸毛不敏感的植被指数，R672/R550，R860/R550，SIPI，WBI，PSNDa1，PSNDa2，RARSa2，RARSa3，RARSa4，REP和(R542-Rmin_red)/(R750-Rmin_red)等是对蜡质层不敏感的植被指数；通过与实测叶绿素含量的对比，分析在去除茸毛或蜡质层前后的高光谱植被指数的反演精度的变化，发现大多数的高光谱植被指数的反演精度都受到叶表结构的影响，但(R850-R710)/(R850-R680)的叶绿素含量反演精度受茸毛影响小，R672/(R550*R708)和GM1：R750/R550的反演精度受蜡质层影响小，是相对稳定的反演叶绿素含量的高光谱植被指数。通过测量银白杨以及垂榆叶片的近轴远轴面光谱反射发现，叶片近轴远轴面的结构差异大的植被，同一叶片的反射光谱以及植被指数的差异就越明显。(R850-R710)/(R850-R680) 这一植被指数在两种植物叶片上的近轴远轴面差异都很小，证明了它是一个相对稳定、少受叶面结构影响的植被指数。通过与SPAD叶绿素指数的相关分析发现，除了(R850-R710)/(R850-R680)这个指数之外，另有两种植被指数R750/R710和VOG2在两种植物叶片的不同叶面上与叶绿素含量的相关性差异很小。这三种植被指数被认为是更具有普适性的、少受不同叶面结构影响的植被指数。