Cropview以及Airphen多光譜物候研究系統

1.植物物候

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

根據上述分析，有必要對植被物候觀測技術與物候指標提取方法的研究進展進行系統梳理與總結?；谖墨I調研，本文介紹了目前物候觀測主要采用的技術和物候指標的提取方法，在此基礎上，基于觀測數據對比分析了不同方法的差異，為系統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與途徑

植被物候及其變化受到了長期的關注，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據。如9世紀日本京都地區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的發展，在原有的人工觀測的基礎上，物候研究逐漸發展出了多種觀測研究方法，包括近地遙感和衛星遙感的光譜特征、渦度相關通量的生態系統生產力以及模型估算等。

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育過程(發芽，展葉，葉片枯黃等)的出現日期進行物候的觀測研究，是較為傳統的方式。人工記錄主要是采用一定的規范與標準，記載群落內關鍵或優勢植物種群的展葉、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，以及重構過去氣候等研究提供了重要的直接數據。目前，以人工記錄方式為主要觀測技術，國內外已形成了多個區域性的物候監測網絡，如歐洲物候觀測網、美國國家物候網、法國物候網、加拿大物候網, 以及中國物候觀測網等。

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育過程中的各個物候，使得植物不同生長發育階段的研究得以實現。但需要指出的是，一方面人工記錄只能實現對群落內有限植物種的物候觀測，同時，多區域的連續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系統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

利用高分辨率數字相機可以實現對植物生長狀況的連續觀測。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境的破壞干擾。更為重要的是其可進行高頻、連續的取樣，避免了關鍵物候時期的遺漏。

與人工記錄方式相似，該方法也往往用于群落內有限物種的動態監測，對于物種豐富的群落而言，監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只能提取物種水平的物候信息，無法反映群落和生態系統尺度的物候變化。

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對生態系統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的物候直接觀測，間接提取途徑往往基于連續觀測數據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，特別是農作物生長發育中的應用非常普遍。長期以來，根據不同植物在不同季節的熱量需求，發展出了界限溫度、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控，如水熱條件以及與輻射的協同作用。與此同時，不同類型植被的生理生態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 地面通量觀測數據

作為直接測定植被冠層與大氣之間CO2交換的方法，基于渦度相關技術的生態系統CO2通量觀測不僅為生態系統生產力的評估提供了直接測定數據，并且由于生態系統碳通量的季節變化與植被的生長發育過程存在密切關系，從而為利用該數據提取生長季的開始與結束等物候指標提供了可能。一方面，由通量觀測的總生態系統生產力可以獲取植被生長季開始、生長季結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系統生產力可以獲取凈生態系統碳吸收期開始、碳吸收期結束和碳吸收期長度等物候指標。由于NEP表征了生態系統碳收支情況，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據可以將植被物候變化與生態系統生產力的形成過程直接聯系起來，從而在生態系統與變化研究中受到了越來越多的關注，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系統生產力關系提供了可能。但需要指出的是，一方面，通量數據只能獲取植被生長季節(或碳吸收期)的開始、結束和持續時間等指標，而不是傳統的展葉、開花和結實等物候指標。另一方面，用于物候提取的閾值或導數方法更適用于GEP和NEP呈現單峰型季節變化的生態系統，如溫帶地區，但難以適用于GEP和NEP呈現多峰或無明顯季節變化的生態系統，如干旱地區和熱帶地區。此外，通量數據的質量也會對物候指標提取的精度產生重要影響。

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的綠度指數(Greenness Index, GI)和色相(Hue)等參數, 實現對植被物候變化的連續監測。該方法與遙感技術有所類似，均是通過提取冠層光譜信息表征植被的動態變化。

然而近地面拍照技術的不足也十分明顯，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果產生影響，特別是在不同站點，拍攝儀器的安裝應采用統一的標準以避免產生采樣誤差。

2.2.4 衛星遙感影像

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的季節變化過程。遙感數據種類繁多，可用于檢測植被動態的遙感產品主要有NOAA-AVHRR, SPOT-VGT和MODIS等低空間分辨率數據，以及HJ-CCD，北京一號，MSS，TM，ETM+和ASTER等國內外高空間分辨率的數據。

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

由于衛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量控制, 但在物候提取中產生的影響依然存在。另外, 對于常綠生態系統, 由于反映冠層季節變化的植被指數的季節變化較小, 使得在這類生態系統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、群落結構和生態系統過程的影響。然而物候觀測技術與研究方法的多樣化、增加了植被物候與生態系統各過程之間關系的不確定性。

不同物候觀測方法各有優勢。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據，而近地拍照和通量觀測關注生態系統與景觀尺度，衛星遙感技術則可以達到更大的區域和尺度，同時這3種方式均可以實現連續的自動觀測。模型模擬雖然可以實現多時空尺度的模擬，但其適用性與準確性需要其他數據進行有效驗證。將不同觀測技術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。

基于渦度相關和遙感技術的物候提取技術在寒帶及溫帶生態系統中的應用較為廣泛，而在其他地區生態系統中還有待進一步的驗證及應用。另外，如何依據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在生理條件和外在環境因子間的聯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。

由于多源數據代表了不同的生理生態過程，同時不同的物候提取方法采用不同的判定標準，這些技術手段和方法反映了植被物候的不同側面及屬性，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，合理評估多源數據和多種方法間植被物候的差異，并建立可相互比較與轉換的處理方法體系，對于改進和*植被物候觀測具有重要的意義。 

北京博普特代理的法國Airphen多光譜成像系統廣泛用于植物物候研究，結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揮更大的作用。