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1.镜面反射对植被指数和植被覆盖度的影响及实验测量
作者：王驰,杨金戈,张国峰, 王大志, 沈康宇,李思远
作者单位：上海大学; 中国科学院大学;中国科学院光电技术研究所; 深圳大学
关键词：遥感;镜面反射;植被指数
摘 要: 镜面反射和漫反射在大多数遥感图像中不可分割，光谱植被指数被广泛用于评估植被覆盖和生长条件，但镜 面反射可能导致反射数据偏差而影响植被指数的准确性。为此，研究镜面反射对植被指数的影响问题，用以提升遥 感数据的分析精度。在分析镜面反射与植被指数和植被覆盖度关系的基础上，搭建植被高光谱测量实验系统，对 20 种植被光谱指数进行测量，并基于像元二分法比较分析相应的植被覆盖度。研究结果表明，镜面反射不仅会影响光 谱植被指数的窄带，还会影响植被覆盖度，为提高植被指数监测精度进而确定反演植被覆盖度提供一定的实验依据 和方法基础。
0 引 言
植被指数（vegetationindex，VI）是通过遥感光 谱数据定量表征地表植被覆盖特征的重要指标，该 指标基于植物叶片与冠层在可见光与近红外波段的 光谱反射特性差异[1]，结合经验或半经验模型构建 而成，可有效反演植被覆盖度、生物量及生产力等[2-5]。 随着遥感技术的发展，科学家们已针对不同应用场 景开发了多种专用植被指数。例如，Rouse 等[6] 提 出的归一化差异植被指数（normalized difference vegetationindex，NDVI）是最早的植被指数之一，利 用近红外和红光波段的反射率差异来估计植被密度， 广泛应用于全球生态系统的动态监测；Huete 等[7] 提出的土壤调节植被指数（soiladjustedvegetation index，SAVI）通过引入土壤校正系数 L，减少了 NDVI 中土壤反射率对植被反射率的干扰，特别适 合土壤暴露较多的干旱地区；Kaufman 等[8] 提出的 大气阻抗植被指数（atmosphericresistancevegetationindex，ARVI）通过减弱大气气溶胶对反射率的 影响，增强了植被指数的可靠性； Gitelson 等[9] 提 出 的 绿 色 归 一 化 植 被 指 数 (green normalized differencevegetationindex，GNDVI)，用于更敏感地 反映植物叶绿素含量和作物健康状况，适用于精准 农业。这些植被指数广泛应用在干旱监测预警、森 林资源管理、农业生产力评估等多个领域[10-13]。
植被镜面反射是植被遥感研究中的一个重要现 象和研究方向，它描述了植物表面对入射光的反射 特性。在植被遥感研究中，分析镜面反射现象有助 于更精准地获取植被的物理和生理特征，如植被密 度、叶片倾角分布及生物量等信息[14]。Gao 等[15] 研究表明，在太阳的入射角和传感器的观测角刚好 满足镜面反射的几何条件下，镜面反射会使红光和 近红外光的反射率同时增加，这可能导致 NDVI 的 值降低，甚至在一定条件下产生偏差。Huete 等[16] 研究表明，增强植被指数（enhencedvegetationindex， EVI）在设计时考虑了大气和土壤背景的影响，但它 仍然对镜面反射敏感，尤其是在高太阳角度的情况 下更为明显。这种效应可能导致传感器无法准确捕 捉植被的实际反射特性，从而影响指数精度。 Roujean 等[17] 提出了一个地表双向反射模型，用于 对遥感数据进行校正。该模型被广泛应用于镜面反 射效应的研究，尤其在植被指数计算中，该模型可 以有效地减少由镜面反射带来的偏差。Verhoef 等[18] 开发了一种结合土壤、叶片、冠层和大气辐射 传输模型的方法，用于模拟多角度下的地表反射率。 该方法有效校正了由镜面反射效应引起的植被指数 误差，为植被监测提供了高精度的模拟结果。
植被指数通常被用来估算植物生物量、叶面积 指数和植被健康状况，但这些指数基于卫星或其他 遥感平台获取的反射数据，而反射光的各向异性 （包括镜面反射效应）会对植被指数的精度产生重 要影响。因此，研究和校正镜面反射对植被指数的 影响，是提高遥感数据分析精度的重要内容。虽然 在植被镜面反射及光谱测量方法等领域已有相关文 献发表[19-21]，但缺少镜面反射对不同植被指数及植 被参数的量化影响研究。为此，本文评估了镜面反 射对 20 种不同植被指数的影响，并对利用这些植 被指数计算所得的植被覆盖度 (fractionalvegetation cover，FVC) 进行比较分析，为提高植被指数的精度 以 确定反演植被参数提供依据。
1 镜面反射与植被指数和植被覆盖度的关 系分析
1.1 镜面反射与植被指数
植被指数通常依赖于不同波段的反射率来衡量 植被的健康状况或覆盖程度，而镜面反射则可能影 响这些反射率，特别是在近红外（NIR）波段和可见 光波段的影响更大。植被的反射率通常由漫反射和镜面反射两种反射机制组成。植被的漫反射主要决 定了其遥感反射光谱，而镜面反射尤其在近红外波 段则可能导致反射光谱中的异常亮点。根据文献 [6] 的研究，植被指数通常假设光线的反射是均匀的 漫反射，以归一化差异植被指数 NDVI 为例，其计 算公式为：
式中：NIR——近红外波段的反射率；
R——红光波段的反射率。
当镜面反射效应存在时，特别是在近红外波段， 镜面反射会使传感器接收到的反射率增加，用 NIRspecular 表示受镜面反射影响后的近红外波段反 射率，则：
其中 ΔNIR 是由于镜面反射效应导致的近红外反射 率增加值。因此，受到镜面反射影响后的 NDVI 值 可以表示为：
该公式表明，当 ΔNIR>0 时，镜面反射会使反 射 率进一步增强，使 NDVI 出现明显偏差。
1.2 镜面反射与植被覆盖度
像元二分模型（pixeldichotomymodel，PDM） 是一种常用于遥感图像分析的混合像元分解模型， 特别适用于植被覆盖度 FVC 的估算[22]。其基本思 想是将混合像元分解为两种理想端元：一种是纯净 的植被端元，另一种是纯净的非植被（通常为裸土 或其他非植被表面）端元。这个模型假设每个像元 的反射率可看作是植被部分和非植被部分反射率的 线性组合。
由公式（5）变形，像元二分模型中的植被覆盖 度 FVC 公式如下：
式中：R——混合像元的实际反射率；
Rsoil——非植被端元的反射率（裸土、建筑等）；
Rveg——植被端元的反射率（完全植被覆盖）。
根据像元二分模型原理，将一个像元的 NDVI 值表示为完全植被覆盖与无植被覆盖组成的形式。 因此，基于 NDVI 的植被覆盖度 FVC 的公式为：
式中：NDVIveg——完全植被覆盖时的 NDVI 值，通 常接近 1；
NDVIsoil——无植被覆盖时（裸土）的 NDVI 值，通常接近 0。
公式表明，镜面反射会使植被覆盖度 FVC 出现 偏差。
以上分析表明，镜面反射会对归一化差异植被 指数 NDVI 及基于 NDVI 的植被覆盖度 FVC 产生 影响，但对于不同植被指数镜面反射的影响需进一 步 深入研究。
2 植被指数及植被覆盖度的计算测量
为了研究镜面反射对多种植被指数的影响，如 表 1 所 示 ， 测 量 计 算 20 种 植 被 指 数 (vegetation indexes,VI)。指数被归一化到 0~1 的范围内，以便 比较镜面反射的效果。归一化方法如下：
其中，VImax 和 VImin 分别为 VI 的最大值和最小值。
为了进一步分析镜面反射对植被覆盖度 FVC 的影响，本文使用同样的 20 种植被指数来计算 FVC。基于公式（7），这里的 FVC 可以表示为：
式中：VI——植被指数；
VI′ min VI′ 和 max——VI 在 95% 置信水平内的最 小值和最大值。
基于上述计算测量方法，本文构建的植被高光 谱数据采集测量实验系统如图 1 所示，使用高光谱 成像仪 (SHIS-N220，深圳中达瑞和) 采集花叶青木 的光谱数据。在秋季的上午 11-12 点测量，观测角 度为 60°，成像距离为 6m。去除低信噪比的光谱波 段以及其他冗余的光谱波段，留下 400~1000nm 波 长 范围内的 61 个波段数据。
3 实验结果与讨论
3.1 镜面反射对植被指数的影响
图 2 显示了对图像采用 20 种不同植被指数的 结果。除改进叶绿素吸收指数 MCARI1、修正型三角植被指数 MTVI1 外，镜面反射区域与漫反射区 域的明亮程度差异显著。镜面反射区域的改进叶绿 素吸收指数 MCARI1、改良土壤调整植被指数 MSAVI、修正型三角植被指数 MTVI1、植被衰老反 射指数 PSRI、结构不敏感色素指数 SIPI 较高，但其 余植被指数均较低。图 3 显示了镜面反射区域与漫 反射区域植被指数的平均值。镜面反射对大部分植 被指数的影响都比较大，而镜面反射区域与漫反射 区域的结构不敏感色素指数 MCARI1、修正型三角 植被指数 MTVI1 平均值差异不大。
为了定量评估镜面反射的效果，本文为每种植 被指数编制了 1000 个采样点的直方图，如图 4 所 示，镜面反射区域和漫反射区域分别用红色和蓝色 标注。镜面反射条件下叶片改进叶绿素吸收指数 MCARI1 和修正型三角植被指数 MTVI1 的分布与 漫反射条件下相似。然而，大气阻抗植被指数 ARVI、增强植被指数 EVI、修正比值植被指数 MSR、 归一化差异植被指数 NDVI、优化的土壤调节植被指数 OSAVI 和土壤调整植被指数 SAVI 有明显差 异。考虑镜面反射区域与漫反射区域植被指数的平 均值，SAVI 差异最大，镜面反射区域与漫反射区域 的数据分布几乎完全分开。镜面反射区域的归一化 SAVI 值大多小于 0.3，而漫反射区域的归一化 SAVI 值大于 0.8。因此，土壤调整植被指数 SAVI 可 以用来区分植被的镜面反射区域与漫反射区域。
3.2 镜面反射对植被覆盖度的影响
式 (9) 中，使用不同的植被指数计算了 20 种植 被覆盖度 FVC 结果，由于计算模式与式 (8) 几乎相 同，因此镜面反射对 FVC 的影响与图 4 所示数据一 致。使用相同的随机采样点，本文计算了不同植被 指数下 FVC 图像的最大值、最小值和平均值，以及 镜面反射区域和漫反射区域的平均值，如表 2 所示， 并用图 5 以箱线图的形式进行数据显示，图中黑色 点为异常值，这与花叶青木的斑点有关。由于研究 区域的所有镜面反射都发生在叶片上，因此在镜面 反射区域和漫反射区域，植被覆盖度 FVC 的实际值 应为 1。因此，无论在镜面反射区域和漫反射区域， 估算的植被覆盖度 FVC 值越接近 1，结果越准确， 植被指数性能越好。
与其他植被覆盖度 FVC 计算结果相比，使用改 进叶绿素吸收指数 MCARI1 的结果更准确 (平均值 为 0.956)，并且不受镜面反射的强烈影响 (镜面反射 区域和漫反射区域之间的差异为 0.044)。然而，改 良土壤调整植被指数的 FVC-MSAVI 的精度相对较低，平均值为 0.244。利用改进叶绿素吸收指数 MCARI2、修正型三角植被指数 MTVI2 和可视化大 气阻抗指数 VARI 估算的植被覆盖度 FVC 值受镜 面反射的影响较大，且在漫反射区域精度较高。在 这些指标下，镜面反射导致精度显著降低，例如，漫 反射区域的 MTVI2 为 0.932，而镜面反射区域仅为 0.234。修正比值植被指数的 FVC-RDVI 在漫反射 区域的平均值最高，说明它更适合于无镜面反射情 况下的植被覆盖度 FVC 估算。需要注意的是，镜面 反射区的改进叶绿素吸收指数 MCARI1、修正型三 角植被指数 MTVI1、植被衰老反射指数 PSRI 和结 构不敏感色素指数 SIPI 估算值均高于漫反射区的 估算值，说明镜面反射不影响这些指数的精度，镜 面反射区域的 FVC-MCARI1 平均值为 0.978，这比 漫反射区域的任何指数都要大。因此，改进叶绿素 吸 收指数 MCARI1 是估计 FVC 的最佳指标。
4 结束语
本文针对镜面反射对植被指数的影响问题，搭 建了一套植被高光谱数据采集系统。首先为了定量 评估镜面反射效果，比较了 20 种植被指数在镜面 反射区域和漫反射区域的平均值，并对每种植被指 数图在镜面反射区域和漫反射区域随机选取 1000 个采样点编制直方图。其次，基于像元二分法比较 分析了相应植被指数的植被覆盖度。得到以下结论：
镜面反射的影响因使用的植被指数不同而不同， 除改进叶绿素吸收指数 MCARI1 和修正型三角植 被指数 MTVI1 外，所有指数在镜面反射区域和漫 反射区域之间差异显著，大气阻抗植被指数 ARVI、 增强植被指数 EVI、修正比值植被指数 MSR、归一 化差异植被指数 NDVI、优化的土壤调节植被指数 OSAVI 和土壤调整植被指数 SAVI 差异较大，且分 布在几乎完全独立的区间。因此，这 6 个指数可以 用来区分镜面反射区域和漫反射区域。除改进叶绿 素吸收指数 MCARI1、改良土壤调整植被指数 MSAVI、修正型三角植被指数 MTVI1、植被衰老反 射指数 PSRI 和结构不敏感色素指数 SIPI 指数在镜 面反射区域较大外，其余指数在镜面反射区域均较 漫反射区域小。 镜面反射的存在可能会影响利用植被指数估算 的植被参数。本文以植被覆盖度 FVC 为例进行了 计算，发现镜面反射在使用改进叶绿素吸收指数 MCARI2、修正型三角植被指数 MTVI2 和可视化大 气阻抗指数 VARI 时确实有显著的影响。MTVI2 在漫反射区域精度很高，在镜面反射区域精度明显 下 降 。
镜 面 反 射 对 使 用 改 进 叶 绿 素 吸 收 指 数 MCARI1 计算的 FVC 只有很小的影响，它具有最 高的平均精度，这表明使用 MCARI1 计算的植被覆 盖度 FVC 可以抑制镜面反射的影响，并且仍然具有 良好的精度。
需要说明的是，成像角度的变化确实会对植被 的观测产生影响，进而影响植被指数的计算和 FVC 的估计精度。MCARI1 作为一种针对叶绿素吸收 特征设计的指数，其性能在不同观测角度下可能会 受到影响。例如，当地基遥感系统观测角度发生变 化时，光线穿透植被冠层的路径长度、阴影比例、以 及地表背景的贡献都会发生变化，这些因素都可能 影响 MCARI1 对叶绿素含量的敏感度，进而影响其 估计 FVC 的准确性。目前 MCARI1 在本研究特定 条件下表现良好，但在未来的研究中，我们将重点 关注观测角度对 MCARI1 以及其他相关植被指数 的影响。通过设计包含不同观测角度的实验方案， 系统地研究观测角度对植被反射率的影响。深入分 析 MCARI1 对不同观测角度的敏感程度，明确其适 用范围和局限性。
