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産品特色

編輯推薦

適讀人群 ：遙感學科的研究生，遙感基礎和應用研究專業人員
《植被定量遙感原理與應用》可作為遙感學科的研究生材，也可作為遙感基礎和應用研究專業人員的參考書。

內容簡介

《植被定量遙感原理與應用》是作者在中國科學院大學“植被遙感”研究生課程的講義和課件基礎上撰寫，既包括作者長期科研一綫工作成果與經驗的總結，又包括國內外植被定量遙感的研究現狀和發展趨勢。《植被定量遙感原理與應用》注重植被定量遙感基本物理概念的闡述，結閤作者存植被定量遙感研究方麵的認識和心得，力圖深入淺齣地介紹植被定量遙感基本概念、原理、模型和應用前沿。《植被定量遙感原理與應用》共9章。第1章介紹植被生理生態基礎，第2章介紹植被反射率光譜原理與特徵，第3章介紹植被光譜輻射傳輸模型，第4章介紹植被參數定量遙感反演原理、方法和應用案例，第5章介紹植被遙感産品尺度效應與真實性檢驗，第6章介紹植被葉綠素熒光遙感原理與應用，第7章介紹定量遙感的農業應用，第8章介紹時間序列定量遙感的林業應用，第9章介紹陸地植被生態係統的氣候變化響應與適應遙感觀測。

目錄

目錄
序
前言
第1章 植被生理生態基礎 1
1.1 植被遙感研究的重要意義 1
1.2 植物生理學基礎 2
1.3 光與植物的相互作用 10
1.4 植被生態學基礎 14
參考文獻 21
第2章 植被反射率光譜原理與特徵 23
2.1 反射率 23
2.2 遙感錶觀反射率 25
2.3 地物反射率波譜數據測量原理和處理方法 28
2.4 植被反射光譜特徵及其形成機製 31
2.5 植被指數 35
2.6 植被高光譜特徵提取 40
參考文獻 45
第3章 植被遙感物理模型 48
3.1 PROSPECT葉片光學模型 48
3.2 其他葉片光學特性模型 51
3.3 冠層光譜輻射傳輸模型 54
3.4 幾何光學模型 61
3.5 計算機模擬模型 64
參考文獻 67
第4章 植被參數定量遙感反演 71
4.1 植被參數遙感反演基礎 71
4.2 植被參數的物理模型反演原理與案例 82
4.3 植被含水量的半經驗性遙感反演 89
4.4 基於能量平衡的FPAR半經驗遙感反演模型 93
4.5 典型植被生化組分的統計遙感反演模型與方法 98
參考文獻 105
第5章 遙感産品尺度效應與真實性檢驗 107
5.1 遙感産品真實性檢驗方法基礎 107
5.2 尺度效應原理與定量分析方法 109
5.3 MODIS LAI遙感産品真實性檢驗指標與流程 117
5.4 內濛古锡林浩特草原研究區MODIS LAI産品檢驗 122
5.5 西藏那麯草原研究區MODIS LAI産品檢驗 128
參考文獻 134
第6章 植被葉綠素熒光遙感原理與應用 136
6.1 植被葉綠素熒光光譜特徵 136
6.2 葉片尺度葉綠素熒光探測原理與方法 138
6.3 冠層葉綠素熒光探測原理與方法 143
6.4 衛星平颱的葉綠素熒光遙感反演 150
6.5 植被光閤作用遙感探測原理與應用 157
6.6 C3植物、C4植物熒光遙感分類 165
6.7 小麥條銹病的熒光遙感探測 174
參考文獻 178
第7章 定量遙感的農業應用 183
7.1 農業定量遙感的需求與流程 183
7.2 農作物長勢監測與營養診斷 186
7.3 農作物産量遙感監測 190
7.4 農作物品質遙感監測預報原理和方法 201
7.5 農業災害遙感 208
參考文獻 229
第8章 時間序列定量遙感的林業應用 231
8.1 Landsat時間序列遙感數據定量化處理模型與方法 231
8.2 榆林地區森林覆蓋的時間序列定量遙感監測 234
8.3 榆林地區森林生物量的時間序列定量遙感監測 245
8.4 北京市門頭溝區植被覆蓋動態監測與評估 251
參考文獻 259
第9章 陸地植被生態係統的氣候變化響應與適應遙感觀測 263
9.1 植被氣候變化響應與適應觀測研究進展 263
9.2 植被物候的遙感觀測與驗證研究 269
9.3 全球植被物候的氣候變化響應研究 279
9.4 全球FPAR遙感監測與氣候變化響應 288
9.5 锡林浩特C3植物、C4植物遙感監測與氣候變化響應 293
參考文獻 308
彩圖

精彩書摘

第1章植被生理生態基礎第1章植被生理生態基礎1��1植被遙感研究的重要意義植被生態係統是地球輻射收支平衡和碳循環的核心研究內容。
圖1��1所示為地錶能量平衡示意圖。式（1��1）為地錶能量平衡方程。在能量平衡各環節中，植被生態係統的作用主要錶現在兩個方麵：一是冠層反照率是地球係統輻射強迫的直接驅動要素，植被覆蓋的季節和年際變化影響地錶能量平衡；二是植被蒸散(ET)作用以潛熱的方式降低地錶溫度。由於植被反照率低於裸露土壤，僅僅從反照率(albedo)的貢獻來看，植被覆蓋的減少會增大地錶反射能量，從而起到地錶降溫的功能。若考慮反照率和ET的綜閤貢獻，從輻射強迫角度來看，低緯度區域，由於ET作用的潛熱貢獻大，植被減少會導緻地球係統升溫；高緯度區域，由於ET作用較小，植被減少、反照率增加導緻的輻射強迫變化大於ET減小的增溫效果，從而會降低地球係統溫度。
圖1��1地球係統能量平衡示意圖
Rn=λE+H+G+Photosynthesis（1��1）式中， Rn為淨輻射；λE為潛熱；H為顯熱；G為土壤熱通量；式中最後一項為光閤作用。
植被生態係統是地球係統物質循環的最主要載體。植被光閤作用完成瞭自然界規模巨大的物質轉變，把無機物轉化為有機物。圖1��2所示為地球係統碳循環示意圖。全球碳循環發生於大氣、海洋和陸地之間。大氣圈的碳儲量約為750GtC；圖1��2地球係統碳循環示意圖
GPP為總初級生産力
陸地圈中碳儲量約為1 750GtC，其中，植被碳儲量約為550GtC，土壤碳儲量約為1 200GtC；海洋圈中分三部分：生物群的碳儲量約為3GtC；溶解態有機碳約為1 000GtC；溶解態無機碳約為3 400GtC（Berrien and Braswell，1994）。由於氣候波動、養分動態以及周期性自然乾擾的影響，特定區域的生態係統會齣現碳源和碳匯之間的不平衡，即錶現為生態係統的淨吸收和淨排放。人們假設化石燃料燃燒排放的碳和土地利用變化導緻的碳淨排放，除瞭被陸地和海洋生態係統吸收的部分外，其他部分都排放到大氣中，形成大氣碳庫的淨增加值，如果生態係統與大氣之間達到平衡，則錶現為一種源匯平衡狀態。Marland等(1989)研究發現，全球每年化石燃料燃燒排放的碳和土地利用變化導緻的碳淨排放之和，比每年大氣碳庫的淨增加值和海洋以及陸地吸收的碳之和大，即有一部分碳在大氣中“失蹤”，形成“碳失匯”。Houghton等(1990)研究全球碳循環發現，1980~1989年的10年間，平均每年的碳失匯高達1��6±1��4GtC。
植被生態係統碳循環研究的不確定性是碳失匯的重要因素之一。目前碳失匯的成因假說還沒有定論，廣泛流傳的有以下幾種：第一種是最熱的假說，是CO2施肥效應說(Bazzaz and Fajer，1992)；第二種假說是氮沉降增加瞭海洋和陸地生物圈碳吸收量，並被認為至少作為部分碳失匯的可能去處(Schindler and Bayley，1993)；第三種假說是Dai和Fung (1993)提齣的過去氣候變化引起的陸地生物圈淨吸收碳增加。雖然IPCC報告認為CO2施肥是導緻潛在碳失匯能力的最主要原因(IPCC，1994)，但爭議較大。然而公認的事實是，這部分碳失匯數量對全球碳收支平衡的影響不容小覷，如果不知道導緻碳失匯産生的原因機製，那麼對未來全球碳循環的預測將存在極大的不確定性。
統計數據錶明，1850~2006年，化石燃料排放CO2的46%留在大氣中，54%被陸地和海洋生態係統吸收。這說明地球生態係統有效緩解瞭溫室氣體濃度的增加。因此，模擬和預測全球變暖對陸地植被生態係統和農業生産的影響，定量評估植被生態係統的氣候變化響應幅度與特徵，在氣候變化背景下具有尤為突齣的現實意義。
1��2植物生理學基礎1��2��1植物生命特徵區彆動植物的本質特徵是有無細胞壁。在顯微鏡下觀察動植物細胞會發現，植物細胞都有一層又厚又硬的細胞壁（圖1��3），而動物細胞隻有細胞膜，卻沒有細胞壁。
圖1��3植物細胞結構 (Taiz and Zeiger，2002)
植物的生命特徵如下：
(1) 地球上的初級生産者，綠色植物是太陽能捕捉器，將光能轉換為化學能，存儲在碳水化閤物的化學鍵中。
(2) 植物不能自主移動，但進化瞭同化碳、氮、礦物質等物質，並進行生長的能力。
(3) 陸生植物在嚮光生長時，在結構上得到瞭增強來支撐其重量，抵抗重力。
(4) 陸生植物蒸騰作用連續失水，進化瞭防脫水機製。
(5) 植物具備將土壤中水分和礦物質運輸到光閤作用和生長所需要部位的機製，以及將光閤作用産物轉移到非光閤作用器官和組織的機製。
(6) 植物具有主動和被動的環境響應和適應機製。
1��2��2植物光閤作用
光閤作用是植物的重要生命特徵，但不是動植物的本質區彆特徵。海蛤蝓可能是“生命之樹”中動植物界的交叉點。海蛤蝓的細胞能夠從藻類獲取葉綠素，進行光閤作用，從而為其所有生命活動提供足夠的能量，包括繁殖。迄今為止，科學傢在海蛤蝓基因組裏發現瞭大約十多種藻類基因，這些基因使這種生物在葉綠素閤成通道和碳固定循環中具有集光蛋白質和酶類的功能。
1�憊夂獻饔梅匠蘚n
光閤作用(photosynthesis)通常是指綠色植物吸收光能，將二氧化碳和水閤成有機物，同時釋放氧氣的過程。地球上一年中通過光閤作用約吸收2��0×1011t碳素(6 400t·s-1)，閤成5×1011t有機物，同時將3��2×1021J的日光能轉化為化學能，並釋放齣5��35×1011t氧氣(曾廣文和蔣德安，2000)。光閤作用是地球上規模最大地把太陽能轉變為可儲存的化學能的過程，也是規模最大地將無機物閤成有機物和從水中釋放氧氣的過程。有瞭光閤作用，需氧生物纔得以進化和發展。由於光閤作用中氧氣的釋放和積纍而逐漸形成瞭大氣錶麵的臭氧(O3)層，O3能吸收陽光中對生物有害的紫外輻射，使生物可從水中到陸地上生活和繁衍。光閤作用是生物界獲得能量、食物以及氧氣的根本途徑，所以光閤作用被稱為“地球上最重要的化學反應”：6CO2+6H2OC6H12O6+6O2(1��2)從式(1��2)中可以看齣，光閤作用本質上是一個氧化�不乖�過程。其中，CO2是氧化劑，CO2中的碳是氧化態的，而C6H12O6中的碳是相對還原態的，CO2被還原到糖的水平。H2O是還原劑，作為CO2還原的氫的供體。
2�憊夂仙�素的吸收光譜
葉片是光閤作用的主要器官，而葉綠體（chloroplast）是光閤作用最重要的細胞器。用分光光度計能精確測定光閤色素的吸收光譜(absorption spectrum)(圖1��4)。葉綠素最強的吸收區有兩處：波長640～660nm的紅光部分和430～450nm的藍紫光部分。葉綠素對橙光、黃光吸收較少，尤其對綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色，以葉綠素為主導色素的植物葉片呈綠色。
圖1��4光閤色素的吸收光譜麯綫與太陽輻射(Avers，1985; Taiz and Zeiger，2002)
葉綠素a和葉綠素b的吸收光譜很相似，但也略有不同。葉綠素a在紅光區的吸收峰比葉綠素b的高，而藍光區的吸收峰則比葉綠素b的低。也就是說，葉綠素b吸收短波藍紫光的能力比葉綠素a強。
一般陽生植物葉片的葉綠素a與葉綠素b的比值約為3∶1，而陰生植物的葉綠素a與葉綠素b的比值約為2��3∶1。葉綠素b含量的相對提高就有可能更有效地利用漫射光中較多的藍紫光，所以葉綠素b有“陰生葉綠素”之稱。
類鬍蘿蔔素的吸收帶在400～500nm的藍紫光區，基本不吸收紅、橙、黃光，從而呈現橙黃色或黃色。
藻藍蛋白的吸收光譜最大值是在橙紅光部分，而藻紅蛋白的吸收光譜最大值則是在綠光部分。
植物體內不同光閤色素對光波的選擇吸收是植物在長期進化中形成的對生態環境的適應，這使植物可利用各種不同波長的光進行光閤作用。
3�憊夂獻饔錳紀�化途徑及C3植物、C4植物特性與差異
植物利用光反應中形成的乳醛還原酶(NADPH)和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)將CO2轉化成穩定的碳水化閤物的過程，稱為CO2同化(CO2 assimilation)或碳同化。根據碳同化過程中最初産物所含碳原子的數目以及碳代謝的特點，碳同化途徑可分為三類：C3途徑(C3 pathway)、C4途徑(C4 pathway)和景天科酸代謝(crassulacean acid metabolism，CAM)途徑。
糖和澱粉等碳水化閤物是光閤作用的産物。卡爾文等探明瞭光閤作用中從CO2到蔗糖的一係列反應步驟，推導齣一個光閤碳同化的循環途徑，這條途徑稱為卡爾文循環或卡爾文�脖舊�循環。由於這條途徑中CO2固定後形成的最初産物PGA為三碳化閤物，所以也稱為C3途徑或C3光閤碳還原循環(C3 photosynthetic carbon reduction cycle，C3PCR循環)，並把隻具有C3途徑的植物稱為C3植物(C3 plant)。憑此項研究，卡爾文獲得瞭1961年諾貝爾化學奬。
自20世紀50年代卡爾文等闡明C3途徑以來，科學界曾認為光閤碳代謝途徑已經搞清楚瞭，不管是藻類還是高等植物，其CO2固定與還原都是按C3途徑進行的。即使在1954年，哈奇(Hatch)等用甘蔗葉實驗，發現甘蔗葉片中有與C3途徑不同的光閤最初産物，也未受到應有的重視。直到1965年，美國夏威夷甘蔗栽培研究所的科思謝剋(Kortschak)等報道，甘蔗葉中14C標記物首先齣現於C4二羧酸，以後纔齣現在PGA和其他C3途徑中間産物上，而且玉米、甘蔗有很高的光閤速率，這時纔引起人們廣泛的注意。澳大利亞的哈奇和斯萊剋(Slack)於1966~1970年重復上述實驗，進一步地追蹤14C去嚮，探明瞭14C固定産物的分配以及參與反應的各種酶類，於20世紀70年代初提齣瞭C4�菜�羧酸途徑(C4�瞕icarboxylic acid pathway)，簡稱C4途徑，也稱為C4光閤碳同化循環(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循環)，或Hatch�睸lack途徑。至今已知道，被子植物中有20多個科約近2000種植物按C4途徑固定CO2，這些植物稱為C4植物(C4 plant) (Taiz and Zeiger，2002)。
與C3植物相比，C4植物的柵欄組織與海綿組織分化不明顯，葉片兩側顔色差異小。C3植物的光閤細胞主要是葉片細胞(mesophyll cell，MC)，而C4植物的光閤細胞有兩類：葉片細胞和維管束鞘細胞(bundle sheath cell，BSC)。C4植物維管束分布密集，間距小(通常每個MC與BSC鄰接或僅間隔1個細胞)，每條維管束都被發育良好的大型BSC包圍，外麵又密接1~2層葉片細胞，這種呈同心圓排列的BSC與周圍的葉片細胞層稱為“花環”(kranz德語)結構。C4植物的BSC中含有大而多的葉綠體，綫粒體和其他細胞器也較豐富。BSC與相鄰葉片細胞間的壁較厚，壁中紋孔多，胞間連絲豐富。這些結構特點有利於MC與BSC間的物質交換，以及光閤産物嚮維管束的就近轉運。
C4植物起源於熱帶，在強光、高溫及乾燥的氣候條件下，C4植物的光閤速率要遠大於C3植物。氣候乾燥時，葉片氣孔的開度變小，進入葉肉的CO2也隨之減少，這就限製瞭rubisco的羧化活性；氣溫高時，CO2和O2在水中的溶解度雖均降低，但CO2溶解度降低得更迅速，這樣細胞液中CO2/O2的比值也降低，從而使得rubisco的加氧活性升高，羧化活性下降。在這些情況下，C3植物的光呼吸增強。C4植物由於有“CO2泵”濃縮CO2的機製，使得BSC中有高濃度的CO2，從而促進rubisco的羧化反應，降低瞭光呼吸，且光呼吸釋放的CO2又易被再固定；加之高光強又可推動電子傳遞與光閤磷酸化，産生更多的同化力，以滿足C4植物PCA循環對ATP的額外需求；另外，鞘細胞中的光閤産物可就近運入維管束，從而避免光閤産物纍積對光閤作用可能産生的抑製作用。這些都使C4植物具有較高的光閤

前言/序言

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