林木光谱特性是什么?
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发布时间：2022-04-23 22:27
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时间：2023-10-12 03:15
（spectral characteristics of forest trees）
（张玉贵）
单株木或林分在阳光辐照下，辐射总量的反射分量、透射分量和吸收分量的电磁波波长分布特性。林业遥感技术主要利用林木在电磁波长为0.4～2.6微米的反射特性，但林木在8～14微米的热辐射特性，以及在电磁波谱的其他波段的光谱特性，也可开发为林业遥感应用的范围。
林木光谱特性是林业遥感的物理基础。不同林木的反射特性或热辐射特性确实有一定显著性的光谱差异、空间差异及物候差异，这些差异被传感器记录在胶片或磁带上，用以识别和区分林木。林木光谱测定是指在地面或空中用光电仪器定量获得林木按波长分布的反射数据。按仪器的原理不同又分为连续（或近似连续）的光谱测定和与传感器匹配的宽通道式测定。前者主要用于对林木光谱做理论研究，后者用于预测和分析已获得的遥感数据。林木光谱数据对设计传感器，选定最佳遥感季节，指导林业分类方案，判读和分析遥感影象，都有重要意义。
20世纪60年代末到70年代初期，美国等曾进行大量植物叶的光谱测定。所用仪器是室内分光光度计，测定波长为0.4～2.5微米；以测定反射率为主，同时也研究吸收率及透射率；除了探索并测定影响植物叶光谱的各种变量外，还从理论上建立了多种解释反射机制的数学模型。这是光谱测定的第一阶段。在1972年以后，由于认识到室内对植物叶的测定与现场对植冠的直接测定有相当大的差异，光谱研究人员把室内分光光度计改装为野外分光光度计，用于测定植冠光谱。这一时期，欧美的研究人员同时对植冠结构、太阳角及观测角的影响做了进一步的探索。这是光谱测定的第二阶段。由于林木高大，将仪器高举于林冠之上存在许多困难，于是出现了采样模拟测定林木光谱反射率的方式。这对选遥感波段、选最佳遥感季节及研究反射的方向特性，有一定的可行性。林木光谱测定的第三个阶段是空中实测。空中平台多数是直升机配合分光式光谱仪加数据自动记录仪。也有用气球做空中平台的。若用轻型飞机做空中平台，应配以快速取样的航空光谱仪或通道式的、与传感器通道相匹配的辐射计。
中国的林木光谱测定始于1979年末，在云南省腾冲地区用直升机做空中实测，同时在地面做采样模拟测定。以后许多单位的研究人员在全国各地做了采样模拟测定。
树叶的光学特性
树冠和林冠的主要组分是叶。人们对树叶光学特性的研究已相当深入。树叶反射、吸收和透射辐射的方式是含水色素细胞所特有的。①树叶反射：在某一波长，反射的能量总是等于入射辐射能与透射和吸收的能量之差（图1）。此关系可用下式表达：
图1 杨树的光谱特性曲线
ρλ=1-（αλ+τλ）
式中 ρλ为反射率；αλ为吸收率；τλ为透射率。光谱特性曲线由三个本质不同的区域组成。在0.4～0.72微米的可见光波段，叶细胞中的色素强烈地吸收光子，吸收是由色素分子中的电子能级跃迁决定的。因色素的吸收率高达90%，故可见光区域的反射和透射都很低。叶绿素在大约以0.45微米为中心的蓝波段和以0.67微米为中心红波段吸收了大部分入射能，而在两个叶绿素吸收带的中间，吸收减少，因而在0.54微米附近形成了反射峰。在绿色树叶中，a组叶绿素是参加光合作用的最后也是最主要的成分，其他辅助色素，在较短波长所吸收的光能，都要过渡给a组叶绿素。它的一个吸收带集中在0.675微米左右，确定了反射光谱中的最低谷值及色素吸收的边界。凡是降低树叶叶绿素生产的胁迫过程，如病虫害的侵袭，都将使蓝、红两个吸收带的吸收减少，反射上升，特别是在红色区域。②树叶吸收：在近红外区域，叶子吸收的入射能少于5%，典型的反射率可达40～50%。在0.74～1.3微米之间的反射高台，可用叶内结构的多重反射来解释。由于树叶的厚度、叶面角质层厚度、叶内构造差别很大，林木在近红外区域的反射差异比在可见光大得多。凡是导致叶内构造变化的差异，如病害、虫害、老化、火灾等，都会引起近红外光谱反射率的降低。③树叶透射辐射：在中红外区域（约1.3～2.6微米），树叶对辐射的吸收是由水分子的振动能级跃迁及转动能级跃迁引起的。水的基本振动吸收带在2.66微米.而在1.95、1.45、1.20、0.96微米的吸收带都是逐步次要的复合带，跃迁的可能性小，故此相应地对辐射的吸收也弱得多。但是，不仅仅是这几个水的吸收带的反射率为叶中含水量所控制，带间的区域也受含水量的强烈影响。树叶失水会使整个中红外区域的反射明显升高。多汁叶和非多汁叶在三个吸收峰之间的反射峰上（1.65和2.20微米左右），差别非常明显。整个水的吸收控制区域对污染毒害极其敏感，反射率随着毒害程度而大幅度升高。以上三个因素分别在三个区域控制着叶的反射率。这三个生物物理因素依赖于叶的类型及生长阶段。如无腹背叶肉差别的单子叶和有腹背叶肉差别的双子叶，反射率差异显著。叶成熟后，可见光反射率降低，而近红外升高。衰老叶损失了叶绿素，叶内结构发生变异，于是可见光反射率大幅度升高，而近红外有所下降。
影响林冠光谱反射率的因素
树冠和林冠的反射特性与树叶的反射特性有显著的差别。树冠中花、果、枝成分，由于缺乏叶绿素，反射光谱各有特点。树冠形态、叶面指数及地面覆盖率、叶面朝向及叶间距、辐照及观测方向、观测时视场限度、立地条件、物候及气象条件等都影响实际测得的林冠光谱反射率。由于影响林木光谱的因素很多，所以只能获得在某些特定的条件及环境下，对某种林木结构多次测定的统计值。植物群体本身固有的差异性及环境变量的多样性一再证明，不大可能获得对树种或森林类型普遍适用的光谱数据。光谱数据必须描述环境及测量条件的参数，才有实际意义。
叶面指数及地面覆盖率
叶面指数是指每单位地面面积上，从某种林木冠顶到离地面一定距离内所含有的树叶单面面积之和。但全叶面指数要从地面算起。叶面指数的增加对可见光的反射率影响不大，却可提高近红外区域的反射率。由于在可见光及中红外区域树叶吸收多，透射及反射少，两层叶就达到极限反射率；相反，在近红外6～8层叶才能达到极限反射率。当树冠覆盖率小于1，或林冠中有各种组分时，可以用下式来表示反射率：
δ=（δ1A1+δ2A2+…）/A
式中 δ为反射率；A1，A2，…为相应组分的面积；δ1，δ2……为相应组分的反射率；A为视场总面积。对于各种混交林，如果已知各组分的光谱值，上式可准确地计算出混交林的反射率。
林冠反射分布函数及观测角
林冠表面不是完全漫反射面，其反射亮度分布不是半球形。表面亮度及光谱反射率既是观测高度角的函数，又是相对于入射阳光的观测方位角的函数，还是林冠组分的光学特性及其几何分布的函数。它随树种、波长及物候而不同。
光谱测定的视场限度
每种林分都是由数种占不同比例的林木组分所组成。林冠光谱有一定程度的不均匀性，当视场大到足以使各种组分的统计百分比趋于稳定时，才能综合次要现象造成的不均匀性。当视场、株距比从1∶3增加到2∶1时，光谱亮度的变异系数约从0.40降到0.06。视场直径若小于树冠直径，因而只包括被阳光直射部分或阴影部分时，则长波的变异系数大于短波。因为天空散射光的辐照在短波比在长波强，故此树冠阴、阳部分的可见光亮度差别相对变小。实验表明，当视场过小，例如分辨率为42平方米时，各种森林类型的光谱数据分布重叠，方差都很大，又由于它们的均值差别都很小，致使各类光谱数据分布都很近似，误分率增加。当空间分辨率逐级降低后（82、162…平方米），各类光谱特征的方差都变小，而其均值保持不变，因此它们之间的统计重叠性降低。所以，对于以象元为积分单元的扫描或传感器，较粗的空间分辨率对林冠反而有较高的正确分类概率。当传感器的象元限度确定以后，以指导分类为目的的林冠光谱测定限度应以象元为视场标准。否则会增加失误。光谱数据的分类精度受视场的制约。
实际森林类型的光谱差异
针叶林与阔叶林在可见光及近红外都有明显的光谱差异。在平坦地面上，不同树种、不同龄级及不同蓄积量的人工林也都有显著的光谱差异，但是天然阔叶林、针阔叶混交林，在不同地区有不同的组合方式，形成极多的林相。林冠光谱是一个尚待开发的领域。地面测定的林冠光谱可以作为组成林冠光谱的参考数据。在中国对夏季测定的华北地区19种主要针、阔树种做两两组合的t检验（t=0.05），差异显著的组合数占总组合数的分率如表所示。
夏季华北主要树种树冠光谱综合可分率表
林木光谱的物候差异
林木光谱的物候变化往往被其他变量因子所掩盖，反射率的绝对值的物候特征不明显（图2、图3），但全年观测的光谱数据，按波段做比值计算后，再按时期做出物候变化曲线，则物候特征十分明显。近红外波段与红波段比值曲线表达了一年内林木生命力的演变过程。最佳遥感季节是指在特定地区，各林木群落类型光谱分异最明显的季节。对非摄影的扫描遥感技术，在温带，春季是大面积不同林型光谱差异较大的季节。而对摄影遥感技术，单株树光谱差异明显的季节是秋季。
图2
油松、白蜡树冠光谱反射率均值在不同物候期内，针阔叶树的光谱反射率R都有差异。在红外区初夏最高，秋季较低，而在可见光区，秋季上升。
林木光谱数据可用于设计传感器的波段以及制定林业航空摄影的方案，以取得最佳效果。通过比较林木的光谱差异，可以预测航空及航天遥感数据的森林分类精度。林木光谱数据还可用于分析林地植被、土壤特征，以便在图象处理中，提取尽可能多的林地特征信息。
图3
槐树等四种树全年测定的光谱反射率R的标准差按波长分布曲线
