植被指数第三弹-色素

标签：Chlorophyll frac image 700 第三叶绿素 rho 色素植被指数

植被指数第三弹—叶、色素与光

植被指数第三弹—叶、色素与光
叶片色素
光谱特征
色素指数

秋天叶子变黄变红，是因为叶绿素合成变少；而叶黄素、花青素等辅助色素显现出来。

叶片色素

叶片色素和叶片生理机能有着诸多联系：

叶绿素吸收光能，输送能量至光合结构；

类胡罗卜素也可为光合作用提供能量；

而花青素则保护叶片，不受部分辐射（如紫外线）伤害^[1]。

叶片色素可以指示叶片生理机能状况以及健康状态：

当叶片衰老时，叶绿素减少的速度大于叶黄素。

新叶中花青素含量较高，因此新叶中光合速率偏低。

同时，若叶片生长受到低温胁迫，或者部分叶片衰老过程中，花青素含量通常也是偏高的。

叶片结构差异通常有：叶片厚度、叶片密度、空气-水界面数、叶表层厚度、短柔毛、叶毛、表面蜡。

光谱特征

光利用率指数是用来度量植被在光合作用中对入射光的利用效率。

光的利用效率直接与碳吸收效率、植被生长速度和光合有效辐射（fAPAR）有很大的关系。

叶片中的叶绿素在红光和蓝光波段存在吸收峰，而类胡罗卜素在蓝波段也存在吸收峰；故常采用红波段（红光波段吸收峰区间在660nm-680nm）来指示叶片中的叶绿素浓度。

叶绿素(\(Chlorophyll a\), \(Chlorophyll b\), \(Chlorophyll a/b\))

① 叶绿素a（\(Chlorophyll a\)）主要吸收红光，叶绿素b（\(Chlorophyll b\)）主要吸收蓝紫光。

② 叶绿素a呈蓝绿色,叶绿素b呈黄绿色。

③ 大多数植物体中叶绿素a的含量比叶绿素b的含量多2～3倍。

叶绿素a/b与红边的关系—叶绿素a吸收峰对应的波长比叶绿素b长20nm左右，所以一植物，叶绿素a多的话，红边会往长波方向移。

叶绿素荧光与红边的关系—叶绿素荧光在690nm处达到最大值。

叶绿体的自发荧光是因为，叶绿体中的叶绿素分子吸收光子的能量没有完全被利用。

叶绿素吸收的光能，用作：① 光合作用（photosynthesis）② 叶绿素的自发荧光（Chlorophyll fluorescence）③热能 (Non photochemical quenching)

光合作用利用的能量，只是叶绿素吸收光能的一部分。光合作用的能量是被顺利转化到受体的能量，而未被顺利转化的部分，就成为自发荧光和热能。

由于叶绿素b对蓝紫光的吸收力大于叶绿素a，所以阴生植物能很好地利用荫蔽条件下占优势的漫射光（蓝紫光），阳生植物则相反。因此，阳生植物的叶绿素a/b值（\(Chlorophyll a/b\)）较高，而阴生植物叶绿素a/b值较低。

色素指数

☝️这个说法不严谨，是个人之言...

1 PRI(Photochemical Reflection Index)

光合午休(midday "photosynthetic depressions")：在一定范围内，光合作用随着光照强度的增强而增强。但在夏季光照最强的中午，由于气孔的关闭，使植物体内获得的CO2减少，影响了暗反应过程中CO2的固定，光合作用减弱。

因NDVI对动态生理过程（如光午休）不敏感，1992年，Gamon, Peñuelas和Field，为度量叶黄素循环(xanthophyll cycle)的相对水平（光合利用率Light Use Efficiency），从向日葵的反射曲线中提取光化学植被指数\(PRI\)^[2]。

\[PRI=\frac{\rho_{531}-\rho_{570}}{\rho_{531}+\rho_{570}} \]

数值范围从-1到1，绿色植被该范围通常为-0.2到0.2。

该指数可用于，监测单一发育良好植被的日光合调节情况。当植物冠层结构发生昼夜变化时，该指数不能很好地反映光合利用情况。

类胡萝卜素色素可以指示，光合作用过程中，光的利用效率(Light Use Efficiency)，即树叶每单位吸收能量吸收二氧化碳的速率。因此，它可应用于植被生产力的研究。

2 PSRI(Plant Senescence Reflectance index)

植物衰老反射率指数\(PSRI\)，由Merzlyak在1999年提出^[3]，该指数对类胡罗卜素的聚集比较敏感，可用于确定叶片衰老状态和果实成熟程度。

\[PSRI=\frac{\rho_{680}-\rho_{500}}{\rho_{750}} \]

3 SIPI(Structure Insensitive Pigment Index)

结构不敏感色素指数\(SIPI\)，由Peñuelas等人1995年提出^[4]，其度量可尽量减少冠层结构变量（如LAI）的影响，可以很好地表征叶肉结构，指示类胡萝卜素和叶绿素比率的变化。SIPI增加，可表明类胡萝卜素色素增加。该指数可应用于：植被健康监测、植物生理胁迫检测、作物生产和产量分析。

\[SIPI=\frac{\rho_{800}-\rho_{445}}{\rho_{800}-\rho_{red}} \]

SIPI取值范围0到2，健康植被的取值范围为0.8到1.8。

# SIPI (Structure Insensitive Pigment Index)
def getSIPI(image):
    # Compute the SIPI using an expression.
    SIPI = image.expression ('((NIR - BLUE) / (NIR - RED))',{
        'NIR': image.select ('B8'),
        'BLUE': image.select ('B2'), 
        'RED': image.select ('B4')
    }).rename("SIPI")
    
    image = image.addBands(SIPI)

    return(image)

类胡萝卜素反射指数（\(CRI1\),\(CRI2\)）, 花青素反射指数（\(ARI1\), \(ARI2\)）

\[CRI1=\frac{1}{\rho_{510}}-\frac{1}{\rho_{550}}\\ CRI2=\frac{1}{\rho_{510}}-\frac{1}{\rho_{700}}\\ ARI1=\frac{1}{\rho_{550}}-\frac{1}{\rho_{700}}\\ ARI2=\rho_{800}(\frac{1}{\rho_{550}}-\frac{1}{\rho_{700}}) \]

4 RGRI(Red Green Ratio Index)

\(RGRI\)，由J. A. GAMON和J. S. SURFUS在1999年提出^[5]，体现的是花青素与叶绿素的比率，可用于估计树冠中树叶发育情况，也可能表征某些树冠开花。计算公式是：红色范围内所有波段的平均值，除以绿色范围内所有波段的平均值。

\[RGRI=\frac{\sum_{i=600}^{699}R_i}{\sum_{j=500}^{599}R_j} \]

数值范围从0.1到大于8，绿色植被的取值范围通常为0.7到3。可应用于：植物生长周期（物候学）研究、冠层胁迫检测、作物产量预测。

5 CARI(the Chlorophyll Absorption Ratio Index)

叶绿素吸收比率指数\(CARI\)于1994年由Kim等人提出^[6]，可以有效减少冠层非光合作用物质引起的光合有效辐射变化的影响，但易受到背景土壤反射率影响。公式如下：

\[CARI= CAR*(\frac{\rho_{700}}{\rho_{670}})\\ CAR = \frac{\vert(a*670+\rho_{670}+b)\vert}{(a^2+1)^{0.5}}\\ a = \frac{\rho_{700}-\rho_{500}}{150}\\ b = \rho_{550}-(a*550) \]

MCARI(Modified CARI)

\(修正型CARI\)表征的是，670 nm处的反射率（叶绿素吸收波段），相对于550 nm和700 nm处的反射率。Daughtry ^[7]研究发现背景反射率对于（\(\rho_{700}-\rho_{550}\)）的影响大于对于（\(\rho_{700}-\rho_{670}\)）的影响，使用比值\(\frac{\rho_{700}}{\rho_{670}}\)抵消背景对（\(\rho_{700}-\rho_{550}\)）的影响，得出公式如下：

\[MCARI=[(\rho_{700}-\rho_{670})-0.2(\rho_{700}-\rho_{550})\frac{\rho_{700}}{\rho_{670}}] \]

TCARI(Transformed CARI)

\(转换型CARI\)由Haboudane等人提出^[8]

\[TCARI=3[(\rho_{700}-\rho_{670})-0.2(\rho_{700}-\rho_{550})\frac{\rho_{700}}{\rho_{670}}] \]

整个CARI体系的核心在于在550, 700和670nm的波段吸收深度^[9]。kim等认为670nm波段是叶绿素a的强吸收波段，而550和700nm是叶绿素a的强反射波段。

但是，叶绿素a强吸收波段，应当为红谷位置，而非简单的670nm，且550及700nm处，也不是叶绿素的最强反射波段,实际上还要受到其他很多因素的影响。

6 GCI(Green Chlorophyll Index/CIgreen)

绿色叶绿素指数\(GCI\)可以反映植物的叶绿素含量，公式：

\[GCI=\frac{NIR}{GRN}-1 \]

该指数可被用来估计各种植物的叶绿素含量。叶绿素含量可反映植被的生理状态，可作为植物健康的衡量标准。

# GCI (Green Chlorophyll Index)
def getGCI(image):
    # Compute the GCI using an expression.
    GCI = image.expression ('(((NIR) / (GREEN)) - 1)', {
        'NIR': image.select ('B8'),  
        'GREEN': image.select ('B3')
        }).rename("GCI")
    
    image = image.addBands(GCI)

    return(image)