使用窄波段指数和PROSPECT DART模型估算异质针叶林中的类胡萝卜素含量外文翻译资料

英语原文共 18 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

使用窄波段指数和PROSPECT DART模型估算异质针叶林中的类胡萝卜素含量

关键词:窄波段指数类胡萝卜素 R₅₁₅/R₅₇₀ 辐射传输 航空遥感 无人机 异质针叶林

摘要

本研究探讨了在可见光谱区域中使用窄波段指数来在叶片和冠层水平估算类胡萝卜素含量。研究区域是受衰退过程影响的松林。连续两年在针叶中测定叶绿素a和b(Ca b)、类胡萝卜素(Cx c)、叶黄素循环色素(VAZ)等光谱反射率和色素含量。该研究使用辐射传输建模方法并且在10nm FWHM带宽下采集的高分辨率机载图像进行研究。机载数据使用无人机（UAV）上的窄波段多光谱相机获得的高空间分辨率图像。该图像分辨率为50cm，500-800 nm范围内有6个光谱波段，能够对纯冠进行识别，得到单个树的反射率。评价的指标为结合传统方法和Cx c在500-600nm区域的敏感条带形成的新的简单比。 PROSPECT-5模型与离散各向异性辐射传输（DART）模型相结合，探讨Cx c敏感植被指数在叶片和冠层水平上的表现。评估了这些指数对结构效应的敏感性，以研究Cx c相关植被指数对非均质冠层的潜在放大效应。Cx c含量与窄波段植被指数之间的测定系数表明，传统指标与叶片水平Cx c含量高度相关(r²gt;0.90;CRI指数(1/R₅₁₅)-(1/R₅₅₀)Plt;0.001)，但受冠层结构参数影响较大(r²gt;0.44);Plt;0.001)。本研究中提出的一个新的简单植被指数（R₅₁₅/R₅₇₀）与叶片水平（r2gt;0.72;Plt;0.001）和冠层水平（r2gt;0.71;Plt;0.001）的Cx c含量显着相关。无人机平台上的遥感相机可以提供非常高的多光谱和高光谱图像，用于绘制异质森林冠层的生化成分。本研究论证了绘制类胡萝卜素含量图以评估森林生理状况的可行性。

1.介绍

类胡萝卜素和叶绿素色素含量为植物的生理状态提供了有价值的信息（Demmig-Adams和Adams，1992）。叶绿素Ca和Cb是吸收光能并将其转化为储存化学能的基本色素(Carter, 1994;Lichtenhaler, 1998)。所有的类胡萝卜素色素（Cx c）（叶黄素和胡萝卜素）通常由两种（alpha;-和beta;-）胡萝卜素和五种叶黄素（叶黄素，玉米黄质，紫黄质，抗黄素和新黄素）代表（Demmig-Adams和Adams，1992）。类胡萝卜素具有多种与光合作用有关的生理功能，包括在光合膜组织中的结构作用、参与光收集和能量转移(Frank amp; Cogdell,1996;Ritz et al.，2000)，以及Ca b激发态的猝灭和光保护现象（Demmig-Adams＆Adams，1996; Thayer＆Bjouml;rkman，1990; Young＆Britton，1990）。已经知道类胡萝卜素含量与植物胁迫和光合能力相关。例如，已经观察到一些类胡萝卜素含量在高辐照度和高温环境下（Kirchgebner等，2003）或叶子衰老开始时增加（Munneacute;-Bosch＆Pentilde;uelas，2003;Pentilde;uelas等，1994）。已经发现一些叶黄素参与叶绿素荧光（CF）的非光化学猝灭，这是一种重要的光保护过程（Demmig-Adams＆Adams，1992）。参与该过程的叶黄素消耗多余的能量。这通常被称为叶黄素循环（Young et al。，1997）。

光保护系统在植物适应地中海气候中起着关键作用（Faria等，1996;Hernaacute;ndez-Clemente等，2011），因为许多地中海环境与高夏季温度，高辐射水平和干旱有关。因此，叶片色素含量作为地中海森林植物生长和胁迫的生理指标具有重要意义。

最近的研究集中于从遥感数据中估算叶片色素含量（Malenovsky等，2007; Meggio等，2008; Wu等，2008; Zarco-Tejada等，2004）。然而，叶绿素和类胡萝卜素在可见光波段表现出的重叠吸收使得单独提取Ca b和Cx c含量变得困难（Feret等，2011）。一些研究已经成功地利用可见比（Datt，1998），可见/近红外比（Gitelson等，2003,2006; Haboudane等，2002）红边反射率指数(Carter amp; Spiering, 2002;Gitelson等人，2003;le Maire等，2004;Richardson amp; Berlyn, 2002;Sims amp; Gamon, 2002)，光谱和衍生红边指数(Miller et al.，1990)以及森林冠层中窄波段的放大和模型反演方法(Zarco-Tejada et al.，2001)估算出Ca b在植被中检测萎黄病的价值。

大多数方法都侧重于估算Ca b含量（Main等，2011），但只有少数研究侧重于估计Cx c（Gitelson等，2002）。事实上，使用高分辨率窄波段图像在冠层水平进行的研究非常有限或不存在。候选Cx c光学指数根据所用的光谱区域分为两大类：可见比（Gamon等，1992; Garrity等，2011; Gitelson等，2003,2006;Hernaacute;ndez-Clemente等al。，2011）和可见/近红外比(Blackburn,1998;Chappelle等人，1992;Datt, 1998;Merzlyak等人，1999;Penuelas等人，1995)。Gitelson等(2002)在可见区域内发现了指数，并显示类胡萝卜素吸收与位于520nm的突出光谱峰相关，对应于衰老和成熟叶。同一作者表明，在510nm左右的光谱范围内，相对反射率对Cx c含量的敏感性最大，提出类胡萝卜素含量指数为（1/R₅₁₅）-（1/R₅₅₀）和（1/R₅₁₅）-（1/R₇₀₀）（Gitelson等，2002）。在他们的研究中使用550和700nm的反射率波段，将叶绿素在这一光谱范围内的影响降到最低。在其他研究中，最初用于估计叶黄素循环色素变化的光化学反射率指数(PRI)（Gamon等，1992）已成功地与叶片水平的Cx c/Ca b比值相关（Garrity等，2011; Sims＆Gamon，2002）。特别是Garrity等人（2011）发现PRI·[（R₇₆₀/R₇₀₀）^-1]与Cx c/Ca b比值之间存在显着关系。

对于可见/近红外区域的Cx c含量估算，提出的主要光谱波段如下:i) 700 nm附近(678,708和760 nm)和绿色区域(500,550 nm)的波段组合（Chappelle等，1992; Merzlyak等）和ii) R800与可见光波段(470,680,635 nm)的组合(Blackburn, 1998;Penuelas等，1995)。Chappelle等人(1992)分析了不同比例的叶片反射率光谱，以确定与Ca b和Cx c吸收相对应的波段。他们发现Cx c在500nm处有最大的吸收峰，并提出了R₇₆₀/R₅₀₀比作为该色素在叶片水平的定量测量方法。要成功地将这些结果扩大到冠层水平，还需要进行更多的研究，重点是关注结构和背景对Cx c和Ca b估算指数的影响，例如R₇₅₀ / R₇₁₀指数（Zarco-Tejada） et al.，2001）。最近的研究表明，由于异质冠层中存在较大的结构效应，叶片中Ca b估计的高光谱指数难以应用于图像（Wu等，2008; Zarco-Tejada等，2004）。特别是Malenovsky等人(2007)提出了一种新的光学指标，定义为曲线下面积归一化到最大带深650 ~ 725 nm (ANMB 650 - 725)之间，以估计挪威云杉冠的叶绿素浓度。

这些研究在森林冠层规模中更为重要，因为在稀疏和开放的条件下针叶林的双向和背景效应会增加(Zarco-Tejada et al.，2004)。虽然一些研究使用了基于物理模型的反演(Malenovsky et al.， 2008)，但也有一些研究使用了各种光谱指标的简单统计关系，或将经验关系与辐射传输模拟模型相结合(Broge amp; Leblanc, 2001;Gastellu-Etchegorry amp;Bruniquel-Pinel, 2001)。随着PROSPECT-5的发展（Feacute;ret等，2008; Jacquemoud＆Baret，1990），许多物种在叶片水平上对类胡萝卜素含量检索的验证成为可能（Feacute;ret等， 2011）。在冠层层面，三维离散各向异性辐射转移(DART)模型(Gastellu-Etchegorry et al.， 1996, 2004)可用于模拟复杂结构和冠层结构，以模拟针叶林冠层。

利用森林冠层反射率的模拟，对冠层结构、观测几何和背景效应进行了敏感性分析。以PRI等生理指数评价为例，研究表明它受到背景和结构变量的影响较大(Hernandez-Clemente et al.，2011; Suarez et al.，2009, 2008)。Meggio等(2010)研究表明Cx c相关植被指数，如Gitelson-Cx c指数和Gitelson -花青素指数受冠层结构和土壤背景的影响较大。此外，Malenovsky等人（2008）分析了引入DART的木质元素的影响，并对两个光谱植被指数，归一化植被指数（NDVI）和角植被指数（AVI）进行了敏感性分析。尽管对Cx c相关植被指数进行了分析，但进一步的研究应该集中在了解冠层对Cx c相关植被指数的结构影响上。

本研究的目的是利用高空间分辨率和光谱分辨率图像和3D冠层建模方法估算复杂针叶林中类胡萝卜素含量。采用观察和建模相结合的方法，评估了叶片和冠层参数对各种窄带植被指数的影响，提出了类胡萝卜素含量的估算方法。 该分析的具体目标如下：i）评估类胡萝卜素和叶绿素含量对所提出的指数的影响，ii）评估现有窄波段类胡萝卜素指数在叶片和冠层尺度上的表现，iii）评估 Cx c相关植被指数对冠层结构的敏感性，以及iv）在冠层水平上提出Cx c估计的新公式，用高分辨率空中图像评估其性能。

2.材料和方法

2.1研究地点描述

实验区位于Sierra de los Filabres山脉（西班牙东南部的阿尔梅里亚省）（37°13′27Prime;N,2°32′54Prime;W）（图1），是西欧最干旱的地区。 研究区海拔1540至2000米，年降雨量在300至400毫米之间。 年平均温度为11℃，夏季最高温度为32℃，冬季最低温度为-8℃。 该植被是一种有40年历史的松树樟子松造林。在森林中，地面部分被稀疏的常绿灌木植被覆盖（Adenocarpus decorticans Boiss.和Cistus laurifolius L.）。 母质由含石英云母的硅质岩石组成，形成饱和始成土-粗溶胶土。

研究区域位于7个不同的地块(图1)。叶片测量数据来自于2008年7月和2009年8月连续两次的田间运动。2008年共采集了21棵树的针叶，测定了其Ca b、Cx c、叶黄素循环(VAZ)色素含量和叶片反射率。2009年，对从35棵树上采集的针进行测量，分析色素含量(Ca b,Cx c)。

图1.（a）无人机平台上搭载高分辨率窄带机载多光谱相机获取图像的实例；（b）从图像中提取纯树冠、阴影和土壤像素的光谱反射率。

2.2 叶片测量

从冠顶部采集5根幼针（一年龄针）获得平均冠色素和光谱测量值。对幼针进行分析以避免当前和成熟针中出现不具有代表性的离群值。根据Abadia和Abadia(1993)的报道，测定针叶色素浓度。从5cm针叶的混合样品中提取色素，每跟针叶1cm。通过假设针叶是半圆柱体并且直径是每个针叶的测量宽度来计算面积。用数字卡尺精密仪器测量针叶直径。使用另外五个针叶样品进行结构测量（厚度和宽度）并确定水含量和干质量。将这些针叶置于加有液氮的砂浆中研磨，并在丙酮中稀释至5毫升(在抗坏血酸钠存在的情况下)。之后,将提取物通过0.45mu;m过滤器过滤以从抗坏血酸钠中分离色素。采用分光光度法和高效液相色谱法同时测定同一提取物。将总共20mu;l注入HPLC中，并将1ml插入分光光度计中。同时进行色素提取和高效液相色谱测定，以避免色素降解。用分光光度计测量470,644.8和661.6nm处的吸收，以得到叶绿素a和b以及总类胡萝卜素浓度（Abadiacute;a和Abadiacute;a，1993）。总叶绿素和类胡萝卜素浓度线性相关，平均系数测定值为每个样地0.59。采用等液相色谱法对色素提取物进行分析(Larbi et al.，2004)。将样品以20mu;l循环注入具有100times;8mm Waters Novapak C18径向压缩柱（4mu;m粒径）中，并通过Waters M45高压泵以1.7ml / min的流速泵送流动相。将色素浓度与EPS的比值计算为(V 0.5A) /(V A Z) (Thayer amp; Bjorkman, 1990)，其中V是紫黄质，A是抗黄素，Z是玉米黄质。

采用UniSpec光谱分析系统(PP Systems, Herts, UK)对306 - 1138 nm的波长进行了针叶光谱反射率测量，其过程与Richardson和Berlyn(2002)描述的过程相似。 UniSpec测量是在收集针叶前的几分钟内进行。该仪器的分辨率为小于10 nm，256个波段间隔为3.3 nm。该仪器配置了一个微型分叉光纤和一个微型叶片夹子，能够测量

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[17688]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word