N、S、C及I与森林叶片叶绿素浓度含量的关系
准确估算森林叶片叶绿素含量对研究森林的生态效益有着举足轻重的作用。高光谱遥感数据具有较高的光谱分辨率，在反演植物生化参数方面有明显的优势。目前利用高光谱数据进行植物叶绿素反演的方法主要有：半经验方法、统计方法、物理模型方法等。其中以半经验法构建的光谱指数反演叶绿素为最简单实用。在以上研究的基础上，以森林样地内实测各树种叶片光谱反射率和实验室同步测量叶绿素含量的数据为基础，利用光谱指数和回归方法反演叶绿素含量，比较归一化植被指数、比值植被指数、叶绿素指数等几种典型的光谱指数反演叶绿素能力的差异，分析光谱宽度对叶绿素指数反演叶绿素浓度的影响。
1 数据获取
使用数据是华中农业大学狮子山林业样地测量的光谱数据与叶绿素含量。试验共选择了狮子山林中银杏、香樟、悬铃木、栾树、海桐、冬青等六种常见树种为试验对象。所选树种均生长健康，没有明显病虫害，且处于展叶期。叶片光谱采用手持式野外光谱仪测定，波长范围为300~1100nm。实验室测量的色素含量主要包括叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素，并将结果转化为单位叶面积上的色素含量。测定方法采用研磨、丙酮萃取和分光光度计测量。试验中共采集有效样本100片，其中香樟和栾树有20个叶片样本，其他树种有15个样本，整个样本的叶绿素含量范围在0.6~90.3μg/cm2。亦可以直接采用便携式叶绿素仪进行测量叶绿素含量。
2 方 法
首先分析叶绿素与光谱的关系，找到对叶绿素含量敏感的波段，选择合适的光谱波段与光谱指数。
1)叶绿素含量和光谱的关系。叶绿素含量与叶片反射率光谱曲线如图1所示，其中图1(a)为叶绿素含量的叶片光谱特征差异。从图1(a)中可以看出，蓝色波段(400~500nm)叶片由于叶绿素和类胡萝卜素的吸收作用表现出很低的反射率；绿色波段(530~600nm)叶绿素的吸收率最小，但对叶片来说仍然有较大的吸收量，且叶绿素含量越高时呈现绿峰特征越明显；红色波段(620~680 nm)叶绿素的吸收率达到最大，因此出现反射率谷，且叶绿素含量越高，谷的特征越明显；红边波段(690~750nm)由于叶绿素吸收减小，同时叶片内部散射增加，反射率明显上升，叶绿素含量越高，反射率上升程度越高；近红外波段(760~800nm)叶片反射率主要由叶片内部的结构和厚度决定，因此总是维持在较高的反射率。当叶绿素浓度增加时，叶片总体反射率下降，但蓝色、绿色、红色波段降低的程度不一样。
叶绿素浓度不同波谱叶片反射率的关系如图1(b)所示。在蓝色波段，当叶绿素含量接近0时，反射率在10%左右，随着叶绿素含量的增加，叶片反射率一般在5%左右，波动非常小，因此蓝色波段对叶绿素变化不敏感；在红色波段，当叶绿素含量接近0时，反射率在20%左右；当叶片叶绿素含量增加到20μg/cm2时，反射率迅速下降，但当叶绿素含量从20μg/cm2增加到90μg/cm2时，反射率虽然呈下降趋势，但变化不明显。因此，叶绿素含量超过20μg/cm2时，红色波段反射率的敏感性较弱；只有绿色波段和红边波段反射率对叶绿素含量的变化非常敏感，可明显看到随着叶绿素含量的上升，绿色波段和红边波段的反射率下降。在近红外波段，随着叶绿素含量的增大，反射率在直线两侧成随机分布(图1(b))，反射率和叶绿素含量没有关系，因为在该波段范围的叶片反射率是由叶片的内部结构和厚度决定的。
2)光谱指数选择。选择常见的光谱指数包括归一化植被指数N、比值植被指数S、叶绿素吸收指数C、三角植被指数T、叶绿素指数I来反演叶绿素含量。N、S指数根据近红外波段、红色波段的反射率进行计算：
C指数是利用叶绿素在700、670、550 nm不同的吸收特性度量叶绿素的含量，即
式中，a=(R700-R550)/150，b=R550-550a。T指数是叶片反射率在550、670和750 nm组成的三角形的面积，即
I由Gitelson提出的三波段模型发展而来，该模型运用三个离散光谱带来估计植物中色素含量，如叶绿素、胡萝卜素和花青素等色素的含量[3]。由三个波段组成的叶绿素估算方式有两种形式，即
而根据Gitelson的研究表明，如果叶片含有花青素，在绿色波段的反射值将受叶绿素和花青素的双重影响，从而导致估算的叶绿素含量过高。因此，在本试验中仅分析红边波段(690~730 nm)和近红外波段(760~800 nm)构建的I指数和叶绿素的关系，并在此基础上分析光谱波段宽度对反演叶绿素含量的影响。
3 试验结果与分析
分析两个方面的内容：一是以I为例，分析波段宽度对反演叶绿素精度的影响；二是分析I、S、N、T、C指数反演叶绿素的效果。
1)波段宽度对反演的影响。叶绿素含量和I指数的关系：
式中，Ired_edge为红边和近红外波段根据式(6)建立的光谱指数，Chl为叶绿素含量。红边波段范围选择690~730 nm，近红外波段范围选择760~800 nm。I指数是由800、700 nm计算得到(选择这两个波长是因为其反演误差最小)。波段宽度的变化采用逐步合并相邻窄波段，并取光谱反射率平均值的方法。光谱宽度与叶绿素反演效果关系如图2所示，其中RMSE、R2分别表示式(7)的中误差和决定系数。
从图2中可以看出，当波段宽度小于30nm时，随着波段宽度增大，叶绿素反演误差逐渐降低，方程决定系数上升，最大误差在单波段处误差为13.1μg/cm2，此时R2为66.05%；当波段宽度为30nm时，误差最小为10.6μg/cm2，此时R2为77.62%；当波段宽度大于30nm时，随着波段宽度的增大，误差上升，R2下降。
从以上分析可以看出，并不是波段范围越窄反演精度越高。由于光谱测量时环境、背景以及仪器噪声等因素的影响，单一波长的叶片光谱反射率会含有噪声，因此用单波长反射率计算光谱指数反演叶绿素时，精度不一定最高；通过合并相邻窄波段并取其平均值作为叶片光谱反射率能消除部分噪声的影响，提高反演精度。
2)不同光谱指数反演叶绿素含量的比较分析。
叶绿素含量与各光谱指数关系如图3所示，其中图3(a)~3(d)光谱指数分别为N、S、T、C，是基于单波长的反射率构建的。图3(e)中I指数是利用红边波谱700~730 nm、近红外波普770~800 nm构建的。图3(f)中NDVI(TM)指数是利用红色波谱630~690 nm、近红外波谱760~800 nm构建的，该波谱范围与TM的3、4波段范围相近。从图中可以发现，T指数和叶绿素没有明显的相关性，如图3(d)，T指数的增加主要是因为近红外的反射率增加引起的，而近红外反射率的增大主要受叶片结构影响，和叶绿素含量没有明显关系，因此用该指数反演叶绿素含量效果不好。N、S、C、I指数与叶绿素含量的相关性较高，R2在60%以上，其中N与叶绿素含量存在较好的对数关系，S与叶绿素含量存在较好的幂函数关系，C、I与叶绿素含量存在较好的线性关系。
光谱指数中S、C指数没有归一化，C要求遥感数据必须是反射率，推广到航空和卫星遥感应用较困难。图3(a)、图3(f)中还可发现，当波段宽度增大，N指数与叶绿素含量R2略有降低。这是由于进行光谱平均时，红色波段(630~690nm)的光谱反射率变化较大，其平均后会综合叶绿素在该范围的吸收特性，只有利用30nm宽的I指数反演叶绿素效果最好。利用I指数反演的叶绿素含量如图4所示，其均方根误差为10.6μg/cm2。
4 结束语
高光谱遥感技术为利用定量化获取森林生化参数提供了精细的数据来源，选择合适的波段与反演模型可有效提取叶绿素含量。研究发现，N与叶绿素含量存在较好的对数关系，S与叶绿素含量存在较好的幂函数关系，C、I与叶绿素含量存在较好的线性关系；同时发现，波谱宽度对叶绿素含量反演有影响，利用30 nm波段宽度平均反射率构建I光谱指数，在一定程度上可改善叶绿素反演效果。
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