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产品特色

编辑推荐

适读人群 ：遥感学科的研究生，遥感基础和应用研究专业人员
《植被定量遥感原理与应用》可作为遥感学科的研究生材，也可作为遥感基础和应用研究专业人员的参考书。

内容简介

《植被定量遥感原理与应用》是作者在中国科学院大学“植被遥感”研究生课程的讲义和课件基础上撰写，既包括作者长期科研一线工作成果与经验的总结，又包括国内外植被定量遥感的研究现状和发展趋势。《植被定量遥感原理与应用》注重植被定量遥感基本物理概念的阐述，结合作者存植被定量遥感研究方面的认识和心得，力图深入浅出地介绍植被定量遥感基本概念、原理、模型和应用前沿。《植被定量遥感原理与应用》共9章。第1章介绍植被生理生态基础，第2章介绍植被反射率光谱原理与特征，第3章介绍植被光谱辐射传输模型，第4章介绍植被参数定量遥感反演原理、方法和应用案例，第5章介绍植被遥感产品尺度效应与真实性检验，第6章介绍植被叶绿素荧光遥感原理与应用，第7章介绍定量遥感的农业应用，第8章介绍时间序列定量遥感的林业应用，第9章介绍陆地植被生态系统的气候变化响应与适应遥感观测。

目录

目录
序
前言
第1章 植被生理生态基础 1
1.1 植被遥感研究的重要意义 1
1.2 植物生理学基础 2
1.3 光与植物的相互作用 10
1.4 植被生态学基础 14
参考文献 21
第2章 植被反射率光谱原理与特征 23
2.1 反射率 23
2.2 遥感表观反射率 25
2.3 地物反射率波谱数据测量原理和处理方法 28
2.4 植被反射光谱特征及其形成机制 31
2.5 植被指数 35
2.6 植被高光谱特征提取 40
参考文献 45
第3章 植被遥感物理模型 48
3.1 PROSPECT叶片光学模型 48
3.2 其他叶片光学特性模型 51
3.3 冠层光谱辐射传输模型 54
3.4 几何光学模型 61
3.5 计算机模拟模型 64
参考文献 67
第4章 植被参数定量遥感反演 71
4.1 植被参数遥感反演基础 71
4.2 植被参数的物理模型反演原理与案例 82
4.3 植被含水量的半经验性遥感反演 89
4.4 基于能量平衡的FPAR半经验遥感反演模型 93
4.5 典型植被生化组分的统计遥感反演模型与方法 98
参考文献 105
第5章 遥感产品尺度效应与真实性检验 107
5.1 遥感产品真实性检验方法基础 107
5.2 尺度效应原理与定量分析方法 109
5.3 MODIS LAI遥感产品真实性检验指标与流程 117
5.4 内蒙古锡林浩特草原研究区MODIS LAI产品检验 122
5.5 西藏那曲草原研究区MODIS LAI产品检验 128
参考文献 134
第6章 植被叶绿素荧光遥感原理与应用 136
6.1 植被叶绿素荧光光谱特征 136
6.2 叶片尺度叶绿素荧光探测原理与方法 138
6.3 冠层叶绿素荧光探测原理与方法 143
6.4 卫星平台的叶绿素荧光遥感反演 150
6.5 植被光合作用遥感探测原理与应用 157
6.6 C3植物、C4植物荧光遥感分类 165
6.7 小麦条锈病的荧光遥感探测 174
参考文献 178
第7章 定量遥感的农业应用 183
7.1 农业定量遥感的需求与流程 183
7.2 农作物长势监测与营养诊断 186
7.3 农作物产量遥感监测 190
7.4 农作物品质遥感监测预报原理和方法 201
7.5 农业灾害遥感 208
参考文献 229
第8章 时间序列定量遥感的林业应用 231
8.1 Landsat时间序列遥感数据定量化处理模型与方法 231
8.2 榆林地区森林覆盖的时间序列定量遥感监测 234
8.3 榆林地区森林生物量的时间序列定量遥感监测 245
8.4 北京市门头沟区植被覆盖动态监测与评估 251
参考文献 259
第9章 陆地植被生态系统的气候变化响应与适应遥感观测 263
9.1 植被气候变化响应与适应观测研究进展 263
9.2 植被物候的遥感观测与验证研究 269
9.3 全球植被物候的气候变化响应研究 279
9.4 全球FPAR遥感监测与气候变化响应 288
9.5 锡林浩特C3植物、C4植物遥感监测与气候变化响应 293
参考文献 308
彩图

精彩书摘

第1章植被生理生态基础第1章植被生理生态基础1��1植被遥感研究的重要意义植被生态系统是地球辐射收支平衡和碳循环的核心研究内容。
图1��1所示为地表能量平衡示意图。式（1��1）为地表能量平衡方程。在能量平衡各环节中，植被生态系统的作用主要表现在两个方面：一是冠层反照率是地球系统辐射强迫的直接驱动要素，植被覆盖的季节和年际变化影响地表能量平衡；二是植被蒸散(ET)作用以潜热的方式降低地表温度。由于植被反照率低于裸露土壤，仅仅从反照率(albedo)的贡献来看，植被覆盖的减少会增大地表反射能量，从而起到地表降温的功能。若考虑反照率和ET的综合贡献，从辐射强迫角度来看，低纬度区域，由于ET作用的潜热贡献大，植被减少会导致地球系统升温；高纬度区域，由于ET作用较小，植被减少、反照率增加导致的辐射强迫变化大于ET减小的增温效果，从而会降低地球系统温度。
图1��1地球系统能量平衡示意图
Rn=λE+H+G+Photosynthesis（1��1）式中， Rn为净辐射；λE为潜热；H为显热；G为土壤热通量；式中最后一项为光合作用。
植被生态系统是地球系统物质循环的最主要载体。植被光合作用完成了自然界规模巨大的物质转变，把无机物转化为有机物。图1��2所示为地球系统碳循环示意图。全球碳循环发生于大气、海洋和陆地之间。大气圈的碳储量约为750GtC；图1��2地球系统碳循环示意图
GPP为总初级生产力
陆地圈中碳储量约为1 750GtC，其中，植被碳储量约为550GtC，土壤碳储量约为1 200GtC；海洋圈中分三部分：生物群的碳储量约为3GtC；溶解态有机碳约为1 000GtC；溶解态无机碳约为3 400GtC（Berrien and Braswell，1994）。由于气候波动、养分动态以及周期性自然干扰的影响，特定区域的生态系统会出现碳源和碳汇之间的不平衡，即表现为生态系统的净吸收和净排放。人们假设化石燃料燃烧排放的碳和土地利用变化导致的碳净排放，除了被陆地和海洋生态系统吸收的部分外，其他部分都排放到大气中，形成大气碳库的净增加值，如果生态系统与大气之间达到平衡，则表现为一种源汇平衡状态。Marland等(1989)研究发现，全球每年化石燃料燃烧排放的碳和土地利用变化导致的碳净排放之和，比每年大气碳库的净增加值和海洋以及陆地吸收的碳之和大，即有一部分碳在大气中“失踪”，形成“碳失汇”。Houghton等(1990)研究全球碳循环发现，1980~1989年的10年间，平均每年的碳失汇高达1��6±1��4GtC。
植被生态系统碳循环研究的不确定性是碳失汇的重要因素之一。目前碳失汇的成因假说还没有定论，广泛流传的有以下几种：第一种是最热的假说，是CO2施肥效应说(Bazzaz and Fajer，1992)；第二种假说是氮沉降增加了海洋和陆地生物圈碳吸收量，并被认为至少作为部分碳失汇的可能去处(Schindler and Bayley，1993)；第三种假说是Dai和Fung (1993)提出的过去气候变化引起的陆地生物圈净吸收碳增加。虽然IPCC报告认为CO2施肥是导致潜在碳失汇能力的最主要原因(IPCC，1994)，但争议较大。然而公认的事实是，这部分碳失汇数量对全球碳收支平衡的影响不容小觑，如果不知道导致碳失汇产生的原因机制，那么对未来全球碳循环的预测将存在极大的不确定性。
统计数据表明，1850~2006年，化石燃料排放CO2的46%留在大气中，54%被陆地和海洋生态系统吸收。这说明地球生态系统有效缓解了温室气体浓度的增加。因此，模拟和预测全球变暖对陆地植被生态系统和农业生产的影响，定量评估植被生态系统的气候变化响应幅度与特征，在气候变化背景下具有尤为突出的现实意义。
1��2植物生理学基础1��2��1植物生命特征区别动植物的本质特征是有无细胞壁。在显微镜下观察动植物细胞会发现，植物细胞都有一层又厚又硬的细胞壁（图1��3），而动物细胞只有细胞膜，却没有细胞壁。
图1��3植物细胞结构 (Taiz and Zeiger，2002)
植物的生命特征如下：
(1) 地球上的初级生产者，绿色植物是太阳能捕捉器，将光能转换为化学能，存储在碳水化合物的化学键中。
(2) 植物不能自主移动，但进化了同化碳、氮、矿物质等物质，并进行生长的能力。
(3) 陆生植物在向光生长时，在结构上得到了增强来支撑其重量，抵抗重力。
(4) 陆生植物蒸腾作用连续失水，进化了防脱水机制。
(5) 植物具备将土壤中水分和矿物质运输到光合作用和生长所需要部位的机制，以及将光合作用产物转移到非光合作用器官和组织的机制。
(6) 植物具有主动和被动的环境响应和适应机制。
1��2��2植物光合作用
光合作用是植物的重要生命特征，但不是动植物的本质区别特征。海蛤蝓可能是“生命之树”中动植物界的交叉点。海蛤蝓的细胞能够从藻类获取叶绿素，进行光合作用，从而为其所有生命活动提供足够的能量，包括繁殖。迄今为止，科学家在海蛤蝓基因组里发现了大约十多种藻类基因，这些基因使这种生物在叶绿素合成通道和碳固定循环中具有集光蛋白质和酶类的功能。
1�惫夂献饔梅匠蘚n
光合作用(photosynthesis)通常是指绿色植物吸收光能，将二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧气的过程。地球上一年中通过光合作用约吸收2��0×1011t碳素(6 400t·s-1)，合成5×1011t有机物，同时将3��2×1021J的日光能转化为化学能，并释放出5��35×1011t氧气(曾广文和蒋德安，2000)。光合作用是地球上规模最大地把太阳能转变为可储存的化学能的过程，也是规模最大地将无机物合成有机物和从水中释放氧气的过程。有了光合作用，需氧生物才得以进化和发展。由于光合作用中氧气的释放和积累而逐渐形成了大气表面的臭氧(O3)层，O3能吸收阳光中对生物有害的紫外辐射，使生物可从水中到陆地上生活和繁衍。光合作用是生物界获得能量、食物以及氧气的根本途径，所以光合作用被称为“地球上最重要的化学反应”：6CO2+6H2OC6H12O6+6O2(1��2)从式(1��2)中可以看出，光合作用本质上是一个氧化�不乖�过程。其中，CO2是氧化剂，CO2中的碳是氧化态的，而C6H12O6中的碳是相对还原态的，CO2被还原到糖的水平。H2O是还原剂，作为CO2还原的氢的供体。
2�惫夂仙�素的吸收光谱
叶片是光合作用的主要器官，而叶绿体（chloroplast）是光合作用最重要的细胞器。用分光光度计能精确测定光合色素的吸收光谱(absorption spectrum)(图1��4)。叶绿素最强的吸收区有两处：波长640～660nm的红光部分和430～450nm的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，尤其对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色，以叶绿素为主导色素的植物叶片呈绿色。
图1��4光合色素的吸收光谱曲线与太阳辐射(Avers，1985; Taiz and Zeiger，2002)
叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似，但也略有不同。叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，而蓝光区的吸收峰则比叶绿素b的低。也就是说，叶绿素b吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素a强。
一般阳生植物叶片的叶绿素a与叶绿素b的比值约为3∶1，而阴生植物的叶绿素a与叶绿素b的比值约为2��3∶1。叶绿素b含量的相对提高就有可能更有效地利用漫射光中较多的蓝紫光，所以叶绿素b有“阴生叶绿素”之称。
类胡萝卜素的吸收带在400～500nm的蓝紫光区，基本不吸收红、橙、黄光，从而呈现橙黄色或黄色。
藻蓝蛋白的吸收光谱最大值是在橙红光部分，而藻红蛋白的吸收光谱最大值则是在绿光部分。
植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利用各种不同波长的光进行光合作用。
3�惫夂献饔锰纪�化途径及C3植物、C4植物特性与差异
植物利用光反应中形成的乳醛还原酶(NADPH)和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)将CO2转化成稳定的碳水化合物的过程，称为CO2同化(CO2 assimilation)或碳同化。根据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，碳同化途径可分为三类：C3途径(C3 pathway)、C4途径(C4 pathway)和景天科酸代谢(crassulacean acid metabolism，CAM)途径。
糖和淀粉等碳水化合物是光合作用的产物。卡尔文等探明了光合作用中从CO2到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径称为卡尔文循环或卡尔文�脖旧�循环。由于这条途径中CO2固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也称为C3途径或C3光合碳还原循环(C3 photosynthetic carbon reduction cycle，C3PCR循环)，并把只具有C3途径的植物称为C3植物(C3 plant)。凭此项研究，卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。
自20世纪50年代卡尔文等阐明C3途径以来，科学界曾认为光合碳代谢途径已经搞清楚了，不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。即使在1954年，哈奇(Hatch)等用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中有与C3途径不同的光合最初产物，也未受到应有的重视。直到1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(Kortschak)等报道，甘蔗叶中14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。澳大利亚的哈奇和斯莱克(Slack)于1966~1970年重复上述实验，进一步地追踪14C去向，探明了14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于20世纪70年代初提出了C4�菜�羧酸途径(C4�瞕icarboxylic acid pathway)，简称C4途径，也称为C4光合碳同化循环(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循环)，或Hatch�睸lack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物称为C4植物(C4 plant) (Taiz and Zeiger，2002)。
与C3植物相比，C4植物的栅栏组织与海绵组织分化不明显，叶片两侧颜色差异小。C3植物的光合细胞主要是叶片细胞(mesophyll cell，MC)，而C4植物的光合细胞有两类：叶片细胞和维管束鞘细胞(bundle sheath cell，BSC)。C4植物维管束分布密集，间距小(通常每个MC与BSC邻接或仅间隔1个细胞)，每条维管束都被发育良好的大型BSC包围，外面又密接1~2层叶片细胞，这种呈同心圆排列的BSC与周围的叶片细胞层称为“花环”(kranz德语)结构。C4植物的BSC中含有大而多的叶绿体，线粒体和其他细胞器也较丰富。BSC与相邻叶片细胞间的壁较厚，壁中纹孔多，胞间连丝丰富。这些结构特点有利于MC与BSC间的物质交换，以及光合产物向维管束的就近转运。
C4植物起源于热带，在强光、高温及干燥的气候条件下，C4植物的光合速率要远大于C3植物。气候干燥时，叶片气孔的开度变小，进入叶肉的CO2也随之减少，这就限制了rubisco的羧化活性；气温高时，CO2和O2在水中的溶解度虽均降低，但CO2溶解度降低得更迅速，这样细胞液中CO2/O2的比值也降低，从而使得rubisco的加氧活性升高，羧化活性下降。在这些情况下，C3植物的光呼吸增强。C4植物由于有“CO2泵”浓缩CO2的机制，使得BSC中有高浓度的CO2，从而促进rubisco的羧化反应，降低了光呼吸，且光呼吸释放的CO2又易被再固定；加之高光强又可推动电子传递与光合磷酸化，产生更多的同化力，以满足C4植物PCA循环对ATP的额外需求；另外，鞘细胞中的光合产物可就近运入维管束，从而避免光合产物累积对光合作用可能产生的抑制作用。这些都使C4植物具有较高的光合

前言/序言

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