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1、刘良云Email:2014-3-3,植被定量遥感原理与应用,课程内容,一、遥感地球所介绍二、课程计划三、第一章 植被遥感生理生态基础,一、遥感地球所介绍,2012年，为强化中科院在遥感领域的优势地位，中科院对地观测中心和遥感应用研究所两所整合，组建中科院遥感与数字地球所，简称遥感地球所。,中 国 科 学 院 对地观测与数字地球科学中心,2007年正式成立,遥感地球所科研体系结构,密云、三亚、喀什卫星地面接收站覆盖全亚洲70的陆地面积,遥感卫星地面站,航空遥感飞机,现有两架奖状II飞机，根据国家航空遥感系统大科学工程计划，拟在2013年前再购置两架载荷和续航能力更强的新型遥感飞机，并研制、配备更
2、为完善和先进的十种光学、红外、微波等遥感仪器设备。,现拥有天空地一体化遥感数据获取与处理能力，遥感与空间地球信息科学基础研究能力，数字地球科学平台与全球环境资源信息分析能力和学科齐全的专业队伍和国际科技合作能力等4大核心竞争力。,中 国 科 学 院遥感与数字地球研究所,二、植被遥感课程计划,植被（vegetation）某一区域内全部植物群落的总体。组成植被的单元是植物群落，某一地区植被可以由单一群落或几个群落组成。plants in general,especially the plants that are found in a particular area or environment植
3、物群落（plant community）：在环境相对均一的地段内，有规律地共同生活在一起的各种植物种类的组合。例如一片森林、一个生有水草或藻类的水塘等。每一相对稳定的植物群落都有一定的种类组成和结构。一般在环境条件优越的地方，群落的层次结构较复杂，种类也丰富，如热带雨林；而在严酷、恶劣的生境条件下，只有少数植物能适应，群落结构也简单。群落的重要特征，如外貌、结构、生产量主要取决于各个植物种的个体，也决定于每个种在群落中的个体数量，空间分布规律及发育能力。不同的植物群落的种类组成差别很大，相似的地理环境可以形成外貌、结构相似的植物群落，但其种类组成因形成历史不同而可能很不相同。,Q1：植被(ve
4、getation)与植物(plant)的区别？什么叫植被？,植被遥感（vegetation RS）：利用电磁波方法来探测植被组成、生理生态的状态、过程及各类生产、生态与服务价值。,植被遥感基本要求,植物生理生态知识是植被遥感及应用基础；光谱成像机理是植被遥感的前提；定量植被遥感是科学要求；应用需求是推动植被遥感强大动力；遥感和生态模型是研究植被生态系统的两大利器。,二、植被遥感课程计划,1.刘良云，植被定量遥感原理与应用，科学出版社，北京，2014.2.梁顺林，定量遥感，科学出版社，北京，2008.3.Lincoln T&Edurado著，宋纯鹏等译，植物生理学，科学出版社，2009Taiz
5、L,Zeiger E.2002.Plant Physiology.Sunderland:Sinauer Associates4.Schulze E D,Beck E,Mller-Hohenstein K.2002.Pflanzenokologie.Spektrum Akademischer Verlag,HeidelbergPant Ecology,第一章 植被生理生态基础-3小时1.1 植被遥感研究的重要意义1.2 植物生理学基础1.3 光与植物的相互作用1.4 植被生态学基础第二章 植被反射率光谱原理与特征-3小时2.1 反射率2.2 遥感表观反射率2.3 地物反射率波谱数据测量原理和处理
6、方法2.4 植被反射光谱特征及其形成机制2.5 植被指数2.6 植被高光谱特征提取,第三章 植被遥感物理模型 6小时（1次上机课）3.1 叶片光学模型3.2 其它叶片光学特性模型3.3冠层光谱辐射传输模型3.4 几何光学模型3.5 计算机模拟模型第四章 植被参数定量遥感反演 6小时4.1植被参数遥感反演基础4.2 植被参数的物理模型反演原理与案例4.3 植被含水量的半经验性遥感反演4.4 基于能量平衡的FPAR半经验遥感反演模型4.5 典型植被生化组分的统计遥感反演模型与方法,第五章 遥感产品尺度效应与真实性检验-3小时5.1遥感产品真实性检验方法基础5.2尺度效应原理与定量分析方法5.3 M
7、ODIS LAI遥感产品真实性检验指标与流程5.4 内蒙古锡林浩特草原研究区MODIS LAI产品检验5.5 西藏那曲草原研究区MODIS LAI产品检验第六章植被叶绿素荧光遥感原理与应用 3小时6.1 植被叶绿素荧光光谱特征6.2 叶片尺度叶绿素荧光探测原理与方法6.3 冠层叶绿素荧光探测原理与方法6.4 卫星平台的叶绿素荧光遥感反演6.5 植被光合作用遥感探测原理与应用6.6 C3、C4植被荧光遥感分类6.7 小麦条锈病的荧光遥感探测,第七章 定量遥感的农业应用-3小时7.1 农业定量遥感的需求与流程7.2 农作物长势监测与营养诊断7.3 农作物产量遥感监测7.4 农作物品质遥感监测预报原
8、理和方法7.5 农业灾害遥感第八章 时间序列定量遥感的林业应用-6小时（1次上机课）8.1Landsat时间序列遥感数据定量化处理模型与方法8.2榆林地区森林覆盖的时间序列定量遥感监测8.3榆林地区森林生物量的时间序列定量遥感监测8.4北京市门头沟区植被覆盖动态监测与评估,第九章 陆地植被生态系统的气候变化响应与适应遥感观测 3小时9.1植被气候变化响应与适应观测研究进展9.2 植被物候的遥感观测与验证研究9.3 全球植被物候的气候变化响应研究9.4 全球FPAR遥感监测与气候变化响应9.5锡林浩特C3、C4植被遥感监测与气候变化响应,总结与讨论课 3小时共13次授课,完成了自然界规模巨大的物
9、质转变，把无机物转化为有机物，固定2*1011吨碳(25倍全球碳排放)；完成了自然界规模巨大的能量转变，储存了2*1018千卡能量，相当人类消耗能量100倍；从根本上改变了地球表面环境，5.2*1011吨O2.带动了自然界其它物质循环，同化1吨碳，相应同化30-40kg氮、5kg磷和硫。,第一节 植被研究价值,Q1：植被生态系统固碳能否解决全球气候变化碳排放问题？,第一节 植被研究价值,据新华社洛杉矶4月30日电：根据美国夏威夷冒纳罗亚天文台测定的数值，部分美国科研人员认为，大气的二氧化碳（CO2）浓度日均值将于今年5月初超过400ppm，这将是人类历史上二氧化碳浓度首次突破这一关口，上一次超
10、过这一数值至少在300万年前。这一现象引起某些研究机构的担忧。,1850-2006年排放的CO2的46%留在大气中，54%被陆地和海洋生态系统吸收。,第一节 植被研究价值,第一节 植被研究价值,第一节 植被研究价值,植被生态系统是地球辐射收支平衡、碳循环、水循环的核心研究内容。,Q1：植被覆盖变化使气候变暖还是变冷？,第一节 植被研究价值,1-2-1 植物生命的基本要素,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；植物不能自主移动，但进化了同化碳、氮、矿物质等物质进行生长的能力；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；陆生
11、植物蒸腾作用连续失水，但进化了防脱水机制；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地方的机制，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；植物具有主动和被动的环境响应和适应机制；,第二节 植被遥感的生理基础,图1-10 羽扇豆的追逐日光特性,图1-11 含羞草的叶片姿态的主动防御特性(Taiz and Zeiger,2002),植物的基本组成,1-2-2 植物细胞,裸子植物：700种，它们的胚珠外面没有子房壁包被，不形成果皮，种子是裸露的，故称裸子植物。植物体，极为发达，多为乔木，少数为灌木或藤木（如热带的买麻藤），通常常绿，叶针形、线形、鳞形，极少为扁平的阔叶（如竹柏）
12、。裸子植物很多为重要林木，尤其在北半球森林80以上是裸子植物，如落叶松、冷杉、华山松、云杉等被子植物：25万种Q1：与恐龙大灭绝的关系？Q2：裸子植物稀少吗？,植物细胞被坚硬的细胞壁包围。Q1：动植物的基本区别在那里？,在显微镜下观察它们的细胞就会发现，植物的细胞都有一层又厚又硬的细胞壁，而动物细胞只有细胞膜，却没有细胞壁。,1-2-2 植物细胞,1-2-2 植物细胞,植物细胞结构,1-2-2 植物细胞,海蛤蝓（海蜗牛)也会光合作用,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
13、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,光合机构吸收的光能有三个可能的去向：一是用于推动光化学反应,引起反应中心的电荷分离及后来的电子传递和光合磷酸化,形成用于固定、还原二氧化碳的同化力(ATP和NADPH)；二是转变成热散失；三是以荧光的形式发射出来。这三者之间存在此消彼长的相互竞争关系,1-2-3 光合作用,光合作用,光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合作用是一系列复
14、杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。,光合作用,Q1：叶子为什么是绿的？,光合色素的吸收光谱曲线与太阳辐,光合作用,Q1：荧光与激发波长的关系？,光合作用,Q1：图右的吸收光谱与作用光谱的差异说明了什么现象？,光合作用,光合作用发生在包含捕光天线和光化学反应中心的复合体中。,光合作用,Emerson和Amold非常惊讶地发现在饱和条件下，每2500叶绿素分子只产生一个氧分子。,光合作用,红降效应和双光增益效益说明了光合作用是由两个串联但最适波长略有不同的光化学系统。,光合作用,光合作用,激发能从吸光叶绿素转移到反应中心的物理机制是荧光共振能量传递，借助这种机
15、制，激发能以非辐射的方式从一个分子转移到另一个分子。其转移效率非常高，天线色素吸收的光子中95%-99%的能量转移到反应中心。,光合作用,光合系统的修复与调节：类胡萝卜素作为光保护剂。储存在激发态叶绿素中的能量，通过激发能转移或光化学反应被快速耗散的过程，称为激发态猝灭(Quenched)。其中被光化学反应消耗的部分称为光化学猝灭，其它成为非光化学猝灭。如果激发态叶绿素没有在激发能转移和光化学反应中被快速猝灭，它就会和分子态氧反应形成激发态氧-单线态氧(singlet oxygen,)。这种活泼的单线态氧会和许多细胞组分反应并对其造成伤害。类胡萝卜素通过快速猝灭激发态叶绿素来行使其保护功能，由
16、于激发态的类胡萝卜素没有足够的能量形成单线态氧，因此它衰减回到基态，能量以热能形式释放。,光合作用,光和作用的碳反应，地球上最伟大、最基础的氧化还原反应！,Q1：一束白光照在叶绿素溶液上，侧面看叶绿素溶液为什么是红的？,叶绿素荧光和叶黄素循环是研究光和作用光反应的两个窗口！,光合作用,向日葵叶片的叶黄素循环的日变化特征,光合作用,1-2-4 光-叶片和光合作用,阴性植物与阳性植物在不同光合有效辐射强度下的光合速率曲线(Bjrkman,1981),叶片光学特性与能量平衡(Smith,1986),Q1：植物是如何消耗多余能量的？,图1-12 叶片能量平衡示意图(Taiz and Zeiger,20
17、02),C3、C4植物光合速率对环境CO2浓度的响应曲线(Berry and Downton,1982,C3、C4植物在不同叶温下的量子效率(Ehleringer and Bjorkman,1977,C3、C4植物在不同区域以及不同气候变化情景下的比较优势(Penning e Vries and Djiteye,1982),1-2-5 水和植物细胞,水势是研究植物和水的重要方法。,水分从土壤通过植物到达大气的主要驱动力包括：叶气空间的水气浓度差cwv；土壤与木质部的静水压差p；根横截面的水势差w；主导水分从土壤到叶片运输的关键因素是木质部的负压p，而产生这种负压的是蒸腾叶片细胞的毛细管作用。而
18、在植物的另一端，土壤中的水分通过毛细管作用力维持，这导致两端的毛细作用力对水分这个“绳子”的拔河。随着叶片蒸腾失水，土壤中的水分持续进入植物体，并上行至叶片。Q1：这个作用植物需要消耗能量吗？Q2：萎蔫含水量的物理意义？,植物的水分平衡,植物的水分平衡,表1-1 不同土壤类型的萎蔫系数(重量含水量%)(曾广文、蒋德安，2000),1-2-6 呼吸作用,生物体内的有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，最终生成二氧化碳或其他产物，并且释放出能量的总过程，叫做呼吸作用(又叫生物氧化)。生物的呼吸作用包括有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸是指细胞在氧的参与下，通过酶的催化作用，把糖类等有机物彻底氧化分
19、解，产生出二氧化碳和水，同时释放出大量能量的过程。有氧呼吸是高等动物和植物进行呼吸作用的主要形式，因此，通常所说的呼吸作用就是指有氧呼吸。细胞进行有氧呼吸的主要场所是线粒体。一般说来，葡萄糖是细胞进行有氧呼吸时最常利用的物质。呼吸作用为除光合作用以外的各种生理活动提供能量，同时又与各类物质的代射紧密相连。第一，呼吸作用能为生物体的生命活动提供能量。呼吸作用释放出来的能量，一部分转变为热能而散失，另一部分储存在ATP中。当ATP在酶的作用下分解时，就把储存的能量释放出来，用于生物体的各项生命活动，如细胞的分裂，植株的生长，矿质元素的吸收，肌肉的收缩，神经冲动的传导等。第二，呼吸过程能为体内其他化
20、合物的合成提供原料。在呼吸过程中所产生的一些中间产物，可以成为合成体内一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解时的中间产物丙酮酸是合成氨基酸的原料。,第三节 植被生态系统,植物呼吸分为两类，一是维持呼吸（maintenance respiration），它的作用仅仅是保持细胞的活性。另一是生长呼吸（growth respiration），包括结构大分子合成、离子吸收等。当然，这两种呼吸的划分纯粹是人为的概念，实际上是无法区分的，不过在不同植物细胞或组织内，呼吸作用对生长所产生的效率却是有区别的。即使在生长旺盛的细胞内，也有维持呼吸。从理论上说维持呼吸是稳定的。生长呼吸则随生长效率的变化而不同。,
21、土壤呼吸是指未经扰动的土壤中产生CO2 的所有代谢作用,主要包括根系呼吸(自养呼吸的一部分)以及土壤微生物和土壤动物的异养呼吸。它可以占生态系统呼吸的60%90%(Schimel et al.,2001)。,第三节 植被生态系统,第三节 植被生态系统,Gross Primary Production,GPP,is the total amount of CO2 that is fixed by the plant in photosynthesis.*Respiration,R,is the amount of CO2 that is lost from an organism or syst
22、em from metabolic activity.Respiration can be further divided into components that reflect the source of the CO2.Rp=Respiration by Plants Rh=Respiration by Heterotrophs Rd=Respiration by Decomposers(the microbes)Net Primary Production,NPP,is the net amount of primary production after the costs of pl
23、ant respiration are included.Therefore,NPP=GPP-Rp Net Ecosystem Production,NEP,is the net amount of primary production after the costs of respiration by plants,hetertrophs,and decomposers are all included.Therefore,NEP=GPP-(Rp+Rh+Rd)net ecosystem exchange(NEE)=-NEP,第三节 植被生态系统,生态系统呼吸,Fig.1 daily chan
24、ges of NEP,GPP and respiration(RE),生态系统呼吸,植被生态系统生产力指标体系及其关系(Schulze,2000),植被呼吸作用与非呼吸作用的总生产力损耗时间尺度示意图,植物的多样性,（一）植物的类型：按照两界系统，已知植物种类50余万种。1.藻类植物 2.菌类植物 3.地衣植物 4.苔藓植物 5.蕨类植物 6.种子植物（裸子植物和被子植物）。,第四节 植被分布,植物的种类,菌类植物,苔藓植物,蕨类植物,藻类植物,种子植物,地衣植物,Q1:遥感能直接观测到哪些植物类型？,植被分布与环境制约素(Schulze et al.,2002),第四节 植被分布,第四节 植
25、被分布,PFT Plant Functional Types,是指对环境条件有相似反应并对生态系统主要过程有相似影响的不同植物种类的组合。,植被功能类型随着全球气候变化研究的深入越来越受到人们的重视，相对于传统的土地覆盖类型，它能提供更多植被生理方面的信息，如光合作用和碳循环，也能更容易的和生态系统模型相关联。所以，区域的高精度PFT制图，能提高全球或区域性的碳循环、气候和生态系统模型的预测精度。,PFT 植被遥感分类的热点与希望！,PFT的生态学特征,PFT,光合作用途径（C3和C4）,外貌（乔木、灌木和草本）,叶的属性（常绿和落叶）,叶型（阔叶和针叶）,Q1:遥感在植被生态系统研究的优势与局限？时空尺度？,
