Cropview以及Airphen多光譜物候研究系統(tǒng)

1.植物物候

植被物候是不同植被現(xiàn)象年復一年重現(xiàn)的時序節(jié)點(如發(fā)芽、展葉、開花、結(jié)果、衰老、休眠)，是植被長期適應環(huán)境季節(jié)性變化的結(jié)果。其不僅是氣候變化的重要感應器，在調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化中還扮演著重要的角色。植被物候反映了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種的生存策略，其變化可能會加劇物種間的競爭關(guān)系，導致一些物種的入侵或退出，進而改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。另一方面，植被物候還直接調(diào)控著碳循環(huán)，水的蒸發(fā)散，氮、磷等養(yǎng)分的礦化和吸收等諸多生態(tài)系統(tǒng)過程。因此，研究物候規(guī)律的特征及其對氣候變化的響應對于變化研究和生態(tài)系統(tǒng)服務等具有理論和現(xiàn)實意義。植被物候與環(huán)境因子，尤其是與氣象因子的關(guān)系極為緊密。氣候變化顯著改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的物候。目前，圍繞物候變化與陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力已經(jīng)開展了很多研究，在傳統(tǒng)的人工物候觀測的基礎上，不僅自動拍照技術(shù)得到了推廣應用，通量觀測和遙感技術(shù)也在物候研究中受到了廣泛關(guān)注，觀測尺度從葉片擴展到區(qū)域甚至。但基于不同觀測技術(shù)獲取的物候指標的內(nèi)涵及其空間代表范圍存在一定差異，并且同種技術(shù)中物候指標的提取方法也不盡相同。因此，不同區(qū)域和植被類型之間的研究結(jié)果尚存在較大差異，影響了對物候變化和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力關(guān)系的客觀認識與評價。

根據(jù)上述分析，有必要對植被物候觀測技術(shù)與物候指標提取方法的研究進展進行系統(tǒng)梳理與總結(jié)?；谖墨I調(diào)研，本文介紹了目前物候觀測主要采用的技術(shù)和物候指標的提取方法，在此基礎上，基于觀測數(shù)據(jù)對比分析了不同方法的差異，為系統(tǒng)和全面認識植被物候的獲取提供借鑒和參考。

2. 植被物候觀測研究的技術(shù)與途徑

植被物候及其變化受到了長期的關(guān)注，并且在氣候變化背景下，物候觀測和研究的方法也日益發(fā)展和豐富。人類在較早時期便開始了對物候的觀測，積累了許多植物物種長達幾個世紀的觀測數(shù)據(jù)。如9世紀日本京都地區(qū)就開始了櫻花開花日期的記錄。隨著研究目的和對象尺度的不同以及研究技術(shù)的發(fā)展，在原有的人工觀測的基礎上，物候研究逐漸發(fā)展出了多種觀測研究方法，包括近地遙感和衛(wèi)星遙感的光譜特征、渦度相關(guān)通量的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及模型估算等。

2.1 直接觀測

2.1.1 人工記錄

人工記錄通過記錄特定植物或種群生長與發(fā)育過程(發(fā)芽，展葉，葉片枯黃等)的出現(xiàn)日期進行物候的觀測研究，是較為傳統(tǒng)的方式。人工記錄主要是采用一定的規(guī)范與標準，記載群落內(nèi)關(guān)鍵或優(yōu)勢植物種群的展葉、開花和凋落等物候信息。同時，人工記錄也包括各類書籍和資料中關(guān)于物候方面的記載。為研究氣候變化背景下植物和群落的長期物候變化，以及重構(gòu)過去氣候等研究提供了重要的直接數(shù)據(jù)。目前，以人工記錄方式為主要觀測技術(shù)，國內(nèi)外已形成了多個區(qū)域性的物候監(jiān)測網(wǎng)絡，如歐洲物候觀測網(wǎng)、美國國家物候網(wǎng)、法國物候網(wǎng)、加拿大物候網(wǎng), 以及中國物候觀測網(wǎng)等。

人工記錄是為直觀、準確的物候獲取方法。由于其可以得到植物發(fā)育過程中的各個物候，使得植物不同生長發(fā)育階段的研究得以實現(xiàn)。但需要指出的是，一方面人工記錄只能實現(xiàn)對群落內(nèi)有限植物種的物候觀測，同時，多區(qū)域的連續(xù)觀測需要較多的人力投入；另一方面，不同觀測人員的判斷標準可能存在一定差別，特別是對于群落的人工記錄更為明顯，在準確反映整體群落或生態(tài)系統(tǒng)尺度的物候變化方面存在較大的不確定性。

2.1.2 相機拍攝

利用高分辨率數(shù)字相機可以實現(xiàn)對植物生長狀況的連續(xù)觀測。通過對單株植物的高頻自動拍照和人工目測圖像解譯，提取和確定植物生長發(fā)育階段等方面的信息，以獲取植物的物候變化。

相對于人工記錄方式，相機在安裝和調(diào)試完成后，可自動運行，減少了人工成本以及人工觀測帶來的環(huán)境的破壞干擾。更為重要的是其可進行高頻、連續(xù)的取樣，避免了關(guān)鍵物候時期的遺漏。

與人工記錄方式相似，該方法也往往用于群落內(nèi)有限物種的動態(tài)監(jiān)測，對于物種豐富的群落而言，監(jiān)測對象的增加需要較大的設備成本和人工投入。此外，對單個植株的自動拍照技術(shù)只能提取物種水平的物候信息，無法反映群落和生態(tài)系統(tǒng)尺度的物候變化。

2.2 間接提取

相對物候直接觀測的對象為葉片、單株植物或種群，植被物候的間接獲取則強調(diào)對生態(tài)系統(tǒng)植被冠層生長過程的整體觀測。同時，相較于小范圍和非連續(xù)的物候直接觀測，間接提取途徑往往基于連續(xù)觀測數(shù)據(jù)獲取長時間和大尺度的植被物候信息。

2.2.1 溫度觀測資料

溫度作為熱量的指標，在植被物候研究，特別是農(nóng)作物生長發(fā)育中的應用非常普遍。長期以來，根據(jù)不同植物在不同季節(jié)的熱量需求，發(fā)展出了界限溫度、積溫等不同的溫度指標以反映植被的物候變化。例如，很多研究將0 ℃或5 ℃作為植被生長季節(jié)的開始。也有研究表明，只有達到一定的積溫后植被才開始進入生長季。需要指出的是，利用溫度指標指示物候發(fā)生的前提是假設其僅受到溫度的影響，但實際上植被物候往往受到多個要素的共同調(diào)控，如水熱條件以及與輻射的協(xié)同作用。與此同時，不同類型植被的生理生態(tài)過程對熱量的要求也存在差異。因此，單一的溫度指標往往不足以準確指示植被的物候變化。

2.2.2 地面通量觀測數(shù)據(jù)

作為直接測定植被冠層與大氣之間CO2交換的方法，基于渦度相關(guān)技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測不僅為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的評估提供了直接測定數(shù)據(jù)，并且由于生態(tài)系統(tǒng)碳通量的季節(jié)變化與植被的生長發(fā)育過程存在密切關(guān)系，從而為利用該數(shù)據(jù)提取生長季的開始與結(jié)束等物候指標提供了可能。一方面，由通量觀測的總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可以獲取植被生長季開始、生長季結(jié)束和生長季長度等物候指標。由于GEP表征了植被的光合能力，因此基于GEP獲取的物候可稱為“光合物候”。另一方面，由通量觀測的凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力可以獲取凈生態(tài)系統(tǒng)碳吸收期開始、碳吸收期結(jié)束和碳吸收期長度等物候指標。由于NEP表征了生態(tài)系統(tǒng)碳收支情況，因此基于NEP獲取的物候可稱為“碳吸收物候”。

由此可見，基于地面通量觀測數(shù)據(jù)可以將植被物候變化與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的形成過程直接聯(lián)系起來，從而在生態(tài)系統(tǒng)與變化研究中受到了越來越多的關(guān)注，特別是隨著通量觀測站點的日益增多，為在更大尺度上直接表征物候變化與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力關(guān)系提供了可能。但需要指出的是，一方面，通量數(shù)據(jù)只能獲取植被生長季節(jié)(或碳吸收期)的開始、結(jié)束和持續(xù)時間等指標，而不是傳統(tǒng)的展葉、開花和結(jié)實等物候指標。另一方面，用于物候提取的閾值或?qū)?shù)方法更適用于GEP和NEP呈現(xiàn)單峰型季節(jié)變化的生態(tài)系統(tǒng)，如溫帶地區(qū)，但難以適用于GEP和NEP呈現(xiàn)多峰或無明顯季節(jié)變化的生態(tài)系統(tǒng)，如干旱地區(qū)和熱帶地區(qū)。此外，通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量也會對物候指標提取的精度產(chǎn)生重要影響。

2.2.3 近地面遙感資料

通過在植被上方對冠層的自動高頻拍照取樣，并利用圖像中紅、綠、藍波段的光譜信息得到可表征植被冠層動態(tài)的綠度指數(shù)(Greenness Index, GI)和色相(Hue)等參數(shù), 實現(xiàn)對植被物候變化的連續(xù)監(jiān)測。該方法與遙感技術(shù)有所類似，均是通過提取冠層光譜信息表征植被的動態(tài)變化。

然而近地面拍照技術(shù)的不足也十分明顯，主要來自2個方面。一方面，由于綠度指數(shù)來源于圖像光譜，因此其對天氣情況的敏感性較強，不同天氣下入射太陽輻射的差異對圖像產(chǎn)生較大影響。另一方面，儀器的安裝角度決定了觀測的視角，視角的不同會對終的提取結(jié)果產(chǎn)生影響，特別是在不同站點，拍攝儀器的安裝應采用統(tǒng)一的標準以避免產(chǎn)生采樣誤差。

2.2.4 衛(wèi)星遙感影像

遙感影像中包含了地物的反射率信息，可以反映地物的不同變化，包括冰雪融化、植被蓋度、植被冠層的生長等物理和生理生態(tài)的季節(jié)變化過程。遙感數(shù)據(jù)種類繁多，可用于檢測植被動態(tài)的遙感產(chǎn)品主要有NOAA-AVHRR, SPOT-VGT和MODIS等低空間分辨率數(shù)據(jù)，以及HJ-CCD，北京一號，MSS，TM，ETM+和ASTER等國內(nèi)外高空間分辨率的數(shù)據(jù)。

通過與植被特性相關(guān)的光合輻射波段和近紅外波段的反射率，可以從遙感數(shù)據(jù)中得到歸一化差值植被指數(shù)和增強植被指數(shù)，并通過反演得到葉面積指數(shù)等表征植被生長和物候變化的重要參數(shù)。與此同時，衛(wèi)星遙感可以實現(xiàn)尺度的不間斷監(jiān)測，并可以獲取氣象站點和通量站點區(qū)域的物候變化信息， 以實現(xiàn)區(qū)域尺度上植被物候變化的動態(tài)監(jiān)測，成為大尺度物候變化研究中常用的方法。

由于衛(wèi)星遙感圖像形成于外層空間，因此包含了云層、氣溶膠等干擾。盡管采用了MVC(Maximum Value Composite)、濾波去噪等一系列方法進行質(zhì)量控制, 但在物候提取中產(chǎn)生的影響依然存在。另外, 對于常綠生態(tài)系統(tǒng), 由于反映冠層季節(jié)變化的植被指數(shù)的季節(jié)變化較小, 使得在這類生態(tài)系統(tǒng)獲取的物候信息往往存在較大不確性。

物候作為一個綜合指標，反映了氣候變化對植物生長、群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)過程的影響。然而物候觀測技術(shù)與研究方法的多樣化、增加了植被物候與生態(tài)系統(tǒng)各過程之間關(guān)系的不確定性。

不同物候觀測方法各有優(yōu)勢。人工地面觀測擁有較長時段的植株水平的物候直接記錄數(shù)據(jù)，而近地拍照和通量觀測關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)與景觀尺度，衛(wèi)星遙感技術(shù)則可以達到更大的區(qū)域和尺度，同時這3種方式均可以實現(xiàn)連續(xù)的自動觀測。模型模擬雖然可以實現(xiàn)多時空尺度的模擬，但其適用性與準確性需要其他數(shù)據(jù)進行有效驗證。將不同觀測技術(shù)獲取的物候信息相互融合，有助于物候研究不僅在空間尺度上延展，同時在時間跨度上延伸。

基于渦度相關(guān)和遙感技術(shù)的物候提取技術(shù)在寒帶及溫帶生態(tài)系統(tǒng)中的應用較為廣泛，而在其他地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中還有待進一步的驗證及應用。另外，如何依據(jù)植被類型選取合適的提取方法也值得進一步研究。由于對于物候與植物內(nèi)在生理條件和外在環(huán)境因子間的聯(lián)系還缺乏深入的理解，通過物候模型獲取物候指標的準確性還有待提高，尤其是在受到更為復雜因子作用的秋季物候的提取方面。

由于多源數(shù)據(jù)代表了不同的生理生態(tài)過程，同時不同的物候提取方法采用不同的判定標準，這些技術(shù)手段和方法反映了植被物候的不同側(cè)面及屬性，有利于更加全面地認識植被物候及其變化。另一方面, 不同研究方法在提取的物候指標間有所差異，并增加了植被物候研究中的不確定性。因此，合理評估多源數(shù)據(jù)和多種方法間植被物候的差異，并建立可相互比較與轉(zhuǎn)換的處理方法體系，對于改進和完善植被物候觀測具有重要的意義。 

北京博普特代理的法國Airphen多光譜成像系統(tǒng)廣泛用于植物物候研究，結(jié)合了高分辨相機以及近地遙感研究方法，必將在物候研究中發(fā)揮更大的作用。