基于Prosail模型和Landsat 8数据的小麦冠层含水量反演比较

侯学会，王 猛，刘思含,高 帅，隋学艳，梁守真,万华伟

(1.山东省农业可持续发展研究所，山东济南 250100;2.农业部华东都市农业重点实验室，山东济南 250100;3.环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094；4.中国科学院遥感与数学地球研究所遥感科学国家重点实验室，北京 100101)

植被含水量是农业、生态和水文研究中的重要关注参数之一，在全球水循环系统扮演着重要角色。目前基于遥感数据进行植被含水量反演的方法主要包括物理模型和统计模型两种。物理模型由于综合考虑了叶片、冠层、土壤、观测情况等因素，更能反映复杂的地表环境，反演精度相对较高，被广泛应用于冠层生化参数反演。目前应用最广泛的物理模型为Prosail模型[1]。如宋小宁等[2]基于Hyperion数据实现了玉米冠层含水量的区域反演；Cheng等[3]基于利用机载高光谱数据实现了不同植被覆盖下的冠层含水量反演；而Clevers等[4-5]基于地面实测ASD光谱数据，探讨了植被冠层含水量反演方法。统计模型主要是建立光谱指数或光谱指数变型与地面实测植被含水量的线性、指数、多项式等统计模型，进行含水量反演，统计法简单易懂，是估算植被含水量的常用方法[6]。如程晓娟等[7]对比发现，综合EVI和NDWI构建的新指数对估算冬小麦冠层含水量具有更好的优势；而王 强等[8]通过对地面实测棉花冠层高光谱数据进行所有可能的两两组合，构建了反演精度更好的新型比值指数和归一化指数；Gao等[9-11]研究发现，归一化水分指数NDWI对植被冠层水分信息比NDVI更为敏感。

综合前人研究发现，利用遥感技术进行植被冠层含水量反演一般都是基于Praosail模型或者遥感卫星数据建立经验模型，而对这两种方法在反演含水量中的精度进行比较的研究鲜有少见。因此，本研究将Prosail模型与卫星影像数据相结合，借助Landsat 8光谱响应函数，通过模拟得到的高光谱窄波段反射率模拟得到 TM8宽波段反射率数据，然后利用模拟得到的反射率数据和实际卫星影像反射率分别构建植被指数，开展冬小麦冠层水分含量的遥感建模反演，并对两类方法进行精度验证与评价，以期为在地面观测数据较少的情况下，开展区域作物水分遥感监测提供技术参考。

1 数据与预处理

1.1 数据来源

1.1.1 地面实测数据

田间试验在中国科学院禹城综合试验站(116.57°E，36.83°N)进行。数据采集时间为2016年3月29日、4月18日、5月6日和5月11日。为保证TM8上有纯净像元，每次在试验区内随机选取若干个60 m×60 m且小麦长势比较均一的小区，在每个小区内随机选两个30 cm×30 cm的样方，利用比重法获取每个样方的LAI，小麦叶片和冠层含水量数据以烘干法获得，并同步获取样方的地面光谱、叶绿素等辅助信息，两个样方的平均值作为小区的实测值，四次试验共获取47个地面数据。

1.1.2 遥感数据与处理

从遥感数据共享网站(http://ids.ceode.ac.cn/)获取覆盖研究区的四景Landsat 8 OLI影像，成像时间分别为2016年3月26日、4月18日、5月4日和5月13日。卫星数据获取时间与地面数据采集时间最大相差3 d，考虑到小麦3 d之内地面实测光谱变化很小，且研究区未发生灌溉和降水，故认为地面实测数据与相近时间的卫星影像数据一致。

对Landsat 8 OLI影像的预处理基于ENVI 5.1进行，首先利用Landsat 8的定标系数，将DN值转换成辐亮度值，然后通过Flaash大气校正，将辐亮度值转换成反射率，并基于地面数据的GPS信息提取对应地面点的反射率。

1.2 研究思路与方法

1.2.1 植被含水量指标选取

常用的植被含水量指标有可燃物水分含量FMC(fuel moisture content)、相对叶片含水量RWC(relative water content)和等效水厚度EWT(equivalent water thickness)。为与Prosail模型输入参数一致，本研究利用EWT作为表征小麦冠层的水分含量。

EWTL=FW-DW/A

(1)

ECTC=EWTL×LAI

(2)

式中EWTL和EWTC分别为叶片和冠层水平的等效水厚度(kg·m-2)； FW、DW分别为样品的鲜重和干重(kg)；A为样品植株的叶面积(m2)；LAI为叶面积指数。

1.2.2 研究思路

本研究的主要思路如图1所示。

图1 主要研究思路

1.3 Prosail模型

Prosail模型是叶片辐射传输模型PROSPECT和冠层辐射传输模型SAIL的耦合模型。PROSPECT模型主要描述植物叶片在400～2 500 nm光谱范围内的光学特征，通过输入叶片等效水厚度EWTL、叶绿素浓度Cab、叶片结构参数Ns、干物质量Cm等参数，可以得到400～2 500 nm光谱范围内的叶片透射率和反射率。SAIL模型是在水平均匀的假设下主要考察冠层的垂直分层结构和叶倾角分布，主要输入参数为叶片透过率和反射率、LAI、LAD(leaf inclination angle distribution )、土壤反射率、太阳天顶角和观测天顶角等。Cm、Cab为地面实测数据均值，EWTL、LAI输入最大值和最小值根据地面实测数据的范围确定，其他主要参数依据参考文献和模型建议值(表1)。

利用Prosail模型得到的植被冠层反射率，然后基于Landsat 8的波段响应函数，将Prosail模型得到的高光谱反射率数据模拟等效的TM蓝波段(436～528 nm)、红波段(625～691 nm)、近红外波段(829～900 nm)和两个短波红外(1 550～1 750 nm、2 090～2 350 nm)的反射率数据以构建植被指数。转换模型为：

表1Prosail模型输入参数设置

Table1NominalvaluesandrangeofparametersusedforthecanopysimulationswiththeProsailmodel

输入参数Parameter输入值ValuesandrangeEWTL0．01～0．09g·cm-2(步长0．01)0．01～0．09g·cm-2(0．01steplength)LAI0．5～8(步长0．1)0．5～8(0．1steplength)Cm0．005g·cm-2Cab42．7mg·cm-2Ns1．3

(3)

式中,Reg为模拟的等效TM8反射率；RASD(λ)为Prosail模拟高光谱反射率；fTM(λ)为TM8传感器目标波段的光谱响应函数。

1.4 植被指数构建

基于模拟可见光、近红外和两个短波红外波段以及对应Landsat 8四个波段反射率分别构建四种常用的植被指数(表2)。

表2植被指数计算公式

Table2Formulasofvegetationindices

植被指数Vegetationindex计算公式FormulaNDVI(Rnir-Rred)/(Rnir+Rred)EVI2．5∗(Rnir-Rred)/(Rnir+6∗Rred-7．5∗Rblue+1)NDWI5(Rnir-Rswir5)/(Rnir+Rswir5)NDWI7(Rnir-Rswir7)/(Rnir+Rswir7)

Rblue、Rred、Rnir、Rswir5、Rswir7分别代表Landsat 8数据的第2波段(436～528 nm)、第4波段(625～691 nm)、第5波段(829～900 nm)、第6波段(1 550～1 750 nm)和第7波段(2 090～2 350 nm)反射率。

Rblue,Rred,Rnir,Rswir5andRswir7represent the reflectivity of the second wave land(436-528 nm),fourth wave land(625-691 nm),fifth wave land(829-900 nm),sixth wave land(1 550-1 750 nm)and seventh wave land(2 090-2 350 nm) from Landsat 8 data,respectively.

2 结果与分析

2.1 植被指数与小麦冠层含水量的相关性

经相关分析，植被指数NDVI、EVI、NDWI5和NDWI7与植被冠层含水量的相关性均达到极显著水平(表3)。其中，基于短波红外构建的NDWI与植被冠层含水量的相关性优于常用的NDVI和EVI，且利用第5波段构建的指数NDWI5与植被含水量相关性比利用第7波段构建的指数NDWI7更好。基于TM8数据构建的植被指数与植被观测含水量的相关系数高于Prosail模型模拟的植被指数。

2.2 小麦冠层含水量反演模型的建立

根据相关性分析结果，分别选取基于Prosail模型模拟的植被指数NDWI5和冠层含水量数据，以及37个地面实测小麦冠层含水量数据和对应点的Landsat 8的NDWI5指数，建立线性、指数、多项式和幂函数模型(表4)。在四种模型中，两种NDWI与冠层含水量的统计关系中都以指数函数模型的决定系数(r2)最大，且除线性模型外，且基于Prosail模型的NDWI5所构建的反演模型的r2均优于基于TM8的NDWI5所构建的反演模型。因此，将NDWI5与植被冠层含水量的指数模型作为最佳反演模型。

表3宽波段植被指数与植被冠层含水量的的相关性

Table3CorrelationbetweenEWTcandvegetationindex

植被参数VegetationindexrProrTM8NDVI0．419∗∗0．831∗∗EVI0．488∗∗0．841∗∗NDWI50．808∗∗0．862∗∗NDWI70．711∗∗0．850∗∗

**：P<0.01。rPro、rTM8分别代表基于Prosail模型和TM8得到的植被指数与冠层含水量的相关系数。

**:P<0.01.rProandrTM8represent correlation coefficients of the vegetation indices based on Prosail model and Landsat 8 data with EWTc,respectively.

表4基于宽波段NDWI5与冠层含水量的统计模型

Table4StatisticsmodelsbetweenNDWI5andEWTc

NDWI5来源NDWI5source反演模型Inversionmodelr2Prosaily=0．8102x-0．1850．659y=0．0412e4．7306x0．854y=1．7843x2-0．8736x+0．14180．762y=0．6012x1．73960．806TM8y=0．8587x-0．01990．718y=0．0477e4．515x0．806y=-0．4210x2+1．1049x-0．04640．720y=0．6468x0．87630．675

2.3 小麦冠层含水量反演模型的验证

为进一步对比分析Prosail模拟反射率和卫星TM8数据反射率在反演植被冠层含水量中的效果，利用剩余的10个地面实测值和对应点的Landsat 8 NDWI5数据对上述两个最佳模型分别进行验证。从图2可以看出，两个模型模拟的冠层含水量值与实测值相关性和平均相对误差都比较一致，决定系数r2分别为0.790 0和0.794 8，RMSE分别为0.151 2和0.152 8 kg·m-2。该精度能够满足农业、生态对区域植被冠层含水量信息的需求。

3 讨 论

经验统计模型和辐射传输模型是作物长势参数遥感模拟最常用的两种方法。本研究依托地面实测数据和卫星遥感数据的光谱响应函数，分别基于Prasail模型和Landsat 8 OLI卫星数据进行小麦冠层含水量反演，结果表明，在有地面数据数据支持的情况下，基于Prosail模型模拟得到的NDWI5和基于Landsat 8构建的NDWI5在植被冠层含水量反演中的精度均优于NDVI、EVI和NDWI7，与程晓娟等基于近地高光谱与TM遥感影像的冬小麦冠层含水量反演的结果比较一致[12]。Chuvieco等[13]基于TM开展植株含水量FMC研究也发现，与TM第7被段相比，TM第5波段与FMC的相关性更强。本研究进一步开展两种方法结果精度的对比分析，结果发现，在有地面数据支持的情况下，两种方法在小麦冠层含水量反演中的精度较为一致。

图2 小麦反演植被冠层含水量与地面实测值的比较

本研究结果对于植被冠层含水量遥感反演有重要意义，尤其是为地面实测数据过少时拟开展植被含水量反演研究提供了一种新的思路，但本研究是基于有限的试验样本进行相关探讨的，且供试品种单一，所建立的小麦冠层含水量反演模型仍然存在一定的不确定性，因而还需要更多的试验加以验证补充。

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