归一化差异植被指数仪的研制与应用

　　1　引　言

　　植被地物共有的特征是叶片丰富的含水量和叶绿素等色素,所以植被地物在可见~近红外波段呈现特有的光谱反射率特性。主要表现在:0.4μm~0.70μm可见光波段,由于色素吸收,特别是叶绿素a、b在450nm和660nm附近的强吸收,在可见光波段植被具有“蓝边”、“绿峰”、“黄边”“红谷”等区别于土壤、岩石、水体的独特光谱特征;0.78μm~1.3μm波段,由于光线在叶片内部的多次散射形成,且色素和纤维素在该波段是近似透明的,即便是叶片含水量也只在0.97μm、1.2μm附近有两个较弱的吸收峰,所以该波段光谱反射率较高,又称为近红外反射率平台[1,2]。

　　植被长势、营养等信息能够反映在光谱反射率上,而归一化差异植被指数NDVI(Normalized Dif-ference Vegetation Index)正是可见光红波段和近红外波段两波段的归一化比值[3]。它一方面反映植被光合作用的有效辐射吸收情况,另一方面能够反映作物群体大小、健康程度情况,是目前应用最为广泛的植被指数[4~6]。

　　目前,研究人员主要利用地物光谱仪,获取植被光谱反射率曲线,从光谱反射率曲线提取红波段和近红外波段的光谱反射率,然后计算NDVI值。但野外使用的便携式光谱仪,不仅价格昂贵,而且使用时不能直接得到NDVI值,工作人员背负近10kg的仪器在现场进行测试,费工费时十分不便,迫切需要开发一种手持式NDVI专用测量仪,其重量轻,适合于手持,现场测试时能直接获取NDVI值。

　　2　NDVI仪的方法及原理

　　归一化差异植被指数NDVI的定义为[3]

　　式中ρR为植被在红光波段的叶绿素吸收特征波段的反射率;ρNIR为近红外平台特征波段的植被反射率。利用地物光谱仪进行NDVI值测量时,因视场角较小、对日光照明条件有较高要求,限制了仪器的广泛应用。本文提供一种用于测量NDVI的新方法,根据这种方法设计的NDVI测试仪重量轻,体积小,成本低,结构简单,使用方便,适合于大批量生产。

　　该仪器的工作原理如下:利用日光作光源,通过四个具有特殊光谱响应特性的光电探测器,在近红外和红光两个特征波段,分别对太阳入射光和植被的反射光进行探测,测得的太阳入射光和植被反射光谱在红波段和近红外两个波段的辐射强度。若仪器测得红光特征波段的入射光信号为ER,对应波段的植被反射光信号为ERR;近红外反射率平台特征波段的入射光信号为EIR,对应波段的植被反射光信号为EIRR,则有

　　式中kR和kIR为比例常数,由仪器的光学系统、光电探测器及其适配放大器的特性参数决定。若令kIR= kRk,就有