興安落葉松林葉面積指數(shù)遙感反演研究

摘" 要：葉面積指數(shù)（leaf area index，LAI）是生態(tài)系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以反映植物冠層結(jié)構(gòu)、植物群落生命活力及其環(huán)境效應(yīng)。該研究以興安落葉松林為研究對象，基于高分一號遙感影像，通過計算4種植被指數(shù)（NDVI、RVI、DVI和OSAVI），結(jié)合實測LAI數(shù)據(jù)，建立LAI的統(tǒng)計回歸模型，篩選出興安落葉松林LAI的最優(yōu)遙感反演模型。結(jié)果表明：研究區(qū)興安落葉松林LAI與4種植被指數(shù)之間均有較強的相關(guān)性，其中基于OSAVI的LAI線性模型反演精度最高。表明該文建立的LAI經(jīng)驗統(tǒng)計模型具有較高的精度，利用GF-1影像可以快速、大面積反演興安落葉松林的LAI，研究區(qū)興安落葉松林長勢較好，LAI基本大于3，該研究結(jié)果可為利用經(jīng)驗統(tǒng)計模型反演林分LAI提供參考。

關(guān)鍵詞：葉面積指數(shù)；植被指數(shù)；興安落葉松；遙感反演；模型構(gòu)建

中圖分類號：TP79" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0019-05

Abstract： Leaf area index （LAI） is an important structural parameter of ecosystem， which can reflect plant canopy structure， plant community vitality and environmental effects. This study takes Larix gmelinii forest in Xing'an as the research object， based on GF-1 remote sensing image， calculates 4 vegetation indexes （NDVI， RVI， DVI， OSAVI）， and combines the measured LAI data， establishes the statistical regression model of LAI， and selects the optimal remote sensing inversion model of LAI. The results showed that there was a strong correlation between LAI and 4 vegetation indexes of Larix gmelinii forest in the study area， and the LAI linear model based on OSAVI had the highest retrieval accuracy. It shows that the LAI empirical statistical model established in this paper has a high accuracy. The GF-1 image can be used to retrieve the LAI of Larix gmelinii forest in a fast and large area. The growth of Larix gmelinii forest in the study area is good， and the LAI is basically greater than 3. The research results can provide a reference for using the empirical statistical model to retrieve the LAI of the forest stand.

Keywords： Leaf area index （LAI）; vegetation indices; Larix gmelinii; remote sensing inversion; statistical regression model

基金項目：高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（30-Y30A02-9001-20/22-3）；十三五空基真實性檢驗站（大興安嶺站）建設(shè)項目（無編號）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次人才引進(jìn)科研啟動項目（無編號）

第一作者簡介：楊帥（1997-），男，碩士研究生。研究方向為林業(yè)遙感。

*通信作者：王冰（1981-），女，博士，副教授。研究方向為林業(yè)遙感。

葉面積指數(shù)（LAI） 指單位地表面積上綠葉表面積總和的一半[1]，是植被重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，其變化是估算植被覆蓋度、生物量，監(jiān)測和預(yù)報農(nóng)作物長勢、產(chǎn)量等的重要指標(biāo)[2]。傳統(tǒng)的葉面積指數(shù)測量效率低、范圍小，會對植被造成一定破壞，且僅能獲取點尺度的測量結(jié)果。遙感技術(shù)具有實時迅速、可大面積監(jiān)測的特點[3]，目前基于遙感技術(shù)的LAI反演方法主要有基于植被指數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ê突谥脖惠椛鋫鬏斕匦缘奈锢砟Ｐ头?種。激光雷達(dá)、光學(xué)等手段現(xiàn)如今成為森林葉面積指數(shù)監(jiān)測的主要方法，激光雷達(dá)最主要的特點是穿透性較好，可以獲得大面積的森林冠層及林分的結(jié)構(gòu)參數(shù)；光學(xué)遙感數(shù)據(jù)最主要的特點是周期短、覆蓋全等，在大區(qū)域尺度的森林葉面積指數(shù)監(jiān)測中有著重要的作用[4]。作為耦合遙感數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)的有效手段，經(jīng)驗?zāi)Ｐ涂杉皶r有效、無損監(jiān)測作物長勢[5]；經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎惴奖悖Y(jié)果合理性強，模型參考具有明顯的好處，實用性強，因此，眾多學(xué)者開展了基于植被指數(shù)的LAI經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦b感反演研究。王立輝等[6]和李鳳秀等[7]探討了不同植被指數(shù)對玉米LAI反演精度的影響；趙虎等[8]分析了基于5種常用植被指數(shù)的3種模型反演冬小麥LAI的精度；梁棟等[9]和苗乃哲[10]對比分析了不同植被指數(shù)對冬小麥LAI反演的精度；郭琳等[11]利用歸一化植被指數(shù)NDVI與LAI之間的關(guān)系估算了甘蔗的LAI；蒙繼華等[12]以經(jīng)驗統(tǒng)計方法建立了全國農(nóng)作物葉面積指數(shù)遙感估算模型。郭云開等[13]篩選出4種紅邊植被指數(shù)和4種常用植被指數(shù)對路域植被LAI進(jìn)行反演研究，結(jié)果表明，紅邊植被指數(shù)對LAI的估算模型貢獻(xiàn)更大。王軍等[14]研究了大豆葉面積指數(shù)反演，研究表明，NDVI模型精度較好，其余4種植被指數(shù)模型精度和擬合效果都很好，說明基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ头梢杂行У胤囱葑魑镩L勢情況，根據(jù)植被指數(shù)和實際測量LAI的經(jīng)驗關(guān)系來建立LAI反演模型會得到一個不錯的結(jié)果，但是由于研究地點、時間、植物類型差異等因素，都會帶來反演模型的差異。興安落葉松是大興安嶺的主要優(yōu)勢樹種，在我國寒溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著無法取代的生態(tài)功能。基于遙感數(shù)據(jù)對興安落葉松葉面積指數(shù)反演的研究，可以更精準(zhǔn)地監(jiān)測興安落葉松的生長和發(fā)育狀態(tài)。本文基于遙感數(shù)據(jù)開展了針對寒溫帶興安落葉松林LAI的反演研究，可為更精準(zhǔn)地監(jiān)測興安落葉松的生長和發(fā)育狀態(tài)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

1" 材料與方法

1.1" 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺根河市林業(yè)局潮查林場境內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°30'～121°31'，北緯50°52'～50°53'，地處寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量451～550 mm，降雨量主要集中在7、8月份。該地區(qū)平均海拔1 100 m，其中森林的覆蓋率為76%。主要樹種有興安落葉松（Larix gmelinii），其他樹種有白樺（Betula platyphylla）、山楊（Populus davidiana）等。研究區(qū)樣地分布如圖1所示。

1.2" 樣地布設(shè)與LAI測定

在大興安嶺生態(tài)站原始林試驗區(qū)內(nèi)設(shè)置1塊5 km×5 km的興安落葉松林觀測場地，在場地內(nèi)設(shè)置20塊48 m×48 m的測量樣地。每個測量樣地之間間隔100 m左右。樣地在地理位置上分散分布，設(shè)置在地勢較平坦的地方。結(jié)合興安落葉松物候期、天氣情況及衛(wèi)星過境時間，在研究區(qū)內(nèi)用LAI-2200冠層分析儀進(jìn)行興安落葉松林LAI測量，在每個樣方中測量3次LAI，取其平均值作為該點的LAI值，以避免因陽光直射而引起的測量誤差，將得到的樣本取2/3作為訓(xùn)練樣本，1/3樣本作為驗證樣本用于LAI反演精度的檢驗。

1.3" 遙感數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本實驗所需影像是從中國資源衛(wèi)星中心所下載的GF-1影像。其空間分辨率為8 m，數(shù)據(jù)級別為1A級。時間是2021年7月12日。GF-1影像，重訪周期4 d，成像的幅寬可達(dá)800 km左右。使用ENVI5.3對獲取的GF-1影像進(jìn)行輻射定標(biāo)。之后利用FLAASH模塊對GF-1影像進(jìn)行大氣校正，避免受到光照和大氣的影響。

1.4" LAI模型構(gòu)建

每個植被指數(shù)在一定條件中都能很好地反映植被的生長狀況。本次實驗按照前人的研究，在多種植被指數(shù)中選擇了4種常用植被指數(shù)（NDVI、RVI、DVI和OSAVI）用于LAI反演模型的構(gòu)建，各植被指數(shù)計算公式見表1。

本文選取線性函數(shù)、二次多項式函數(shù)、對數(shù)函數(shù)等方法構(gòu)建LAI反演模型，各函數(shù)公式如下

式中：Y為實測值，x為各植被指數(shù)值，A、B、C為常數(shù)。

為了驗證反演模型的有效性和可靠性，基于野外實際測量數(shù)據(jù)，采用均方根誤差（RMSE）、預(yù)測殘差（RPD）等指標(biāo)對模型進(jìn)行評價，計算方法如下

式中：yi為預(yù)測值，i為實測值，n為樣本個數(shù)；SD為標(biāo)準(zhǔn)差。

2" 結(jié)果與分析

2.1" LAI反演模型篩選

各植被指數(shù)建立的LAI估算模型和擬合結(jié)果見表2。從表2可以看出，選擇的4種植被指數(shù)與實際測量LAI相關(guān)性都很高，各植被指數(shù)與實測LAI的R2均大于0.69。通過GF-1遙感影像構(gòu)建的LAI估算模型擬合結(jié)果差異較小，優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)（OSAVI）的線性模型的R2最大，為0.946 3。差值植被指數(shù)的對數(shù)函數(shù)模型的R2最小，為0.697 2，LAI的一元線性回歸和對數(shù)模型中OSAVI和NDVI的擬合度程度最好，LAI的二次多項式模型中，OSAVI的擬合程度最好，R2為0.946 2。因此，OSAVI線性模型作為反演興安落葉松林LAI的最佳模型，表達(dá)式為LAI=88.049×OSAVI-81.781。

2.2" LAI反演模型驗證

利用預(yù)留的40個野外地面實際測量數(shù)據(jù)對興安落葉松林LAI反演精度進(jìn)行檢驗，對模型的結(jié)果和實測LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，預(yù)測值和實測值誤差較小。根據(jù)計算，相對誤差范圍為0.29%～14.7%，平均相對誤差為4.61%，說明統(tǒng)計模型反演結(jié)果可以取得較好的反演結(jié)果。

為了檢驗反演模型是否具有一定的可靠性，將對模型的精度進(jìn)行驗證，根據(jù)計算，本研究模型預(yù)測值與實測值之間的均方根誤差、預(yù)測殘差分別為0.118和4.373 7，說明本文模型精度較高，利用GF-1影像建立的OSAVI-LAI經(jīng)驗統(tǒng)計模型可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測興安落葉松LAI。

2.3" LAI空間分布特征

基于2021年7月12日的GF-1影像，利用篩選的最佳LAI反演模型，對研究區(qū)的LAI進(jìn)行反演，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，研究區(qū)興安落葉松林LAI的數(shù)值基本在3.0以上，表明該地森林植被覆蓋較高，興安落葉松長勢良好。

3" 結(jié)論與討論

3.1" 討論

基于GF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的4種常用的植被指數(shù)與興安落葉松生長期的LAI具有較好的相關(guān)關(guān)系，OSAVI適合于高植被覆蓋度的土地。在興安落葉松生長期時葉片的展開程度普遍比較高，這就導(dǎo)致了在試驗區(qū)內(nèi)的覆蓋度處于較高水平，顯示出對興安落葉松冠層LAI有更好的估算能力。在GF-1數(shù)據(jù)中得到的4種植被指數(shù)最優(yōu)模型的函數(shù)類型主要為線性和二次多項式模型。在鄭踴謙等[19]和Wang等[20]的研究中顯示，LAI植被指數(shù)之間的關(guān)系呈指數(shù)分布。而在胡古月等[21]的研究中顯示，二項式函數(shù)的R2最大且RMSE最小。因此，在我們實際研究中，LAI的分布范圍內(nèi)可能會出現(xiàn)由于隨機(jī)采樣誤差或樣本數(shù)量較小等原因?qū)е聦嶋H與理論結(jié)果不完全吻合的情況。同時，GF-1號衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于LAI等地表參量的定量反演，可為精準(zhǔn)林業(yè)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3.2" 結(jié)論

本文基于GF-1號數(shù)據(jù)探討了遙感反演興安落葉松林LAI的方法。基于4種植被指數(shù)構(gòu)建的LAI估算模型擬合效果差異較小，相對于NDVI、RVI、DVI，OSAVI更適合用于建立興安落葉松林LAI的估算模型，OSAVI-LAI的線性模型R2達(dá)到0.946 3，擬合度最佳。基于OSAVI-LAI模型的空間擬合結(jié)果顯示，2021年7月中旬，研究區(qū)興安落葉松長勢較好，其LAI基本均在3.0以上。

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