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植被约占地球陆地表面积的70％，是陆地生态系统的基本组成成分。植被体内所含的叶绿素、水分、蛋白质、木质素和纤维素等组分统称为生化组分，它们都直接或间接地参与生物地球化学循环，在生态系统的物质和能量循环中发挥着重要作用，是评价植物生产力、养分亏缺、枯枝落叶分解率和碳氮养分分布等的重要因子。遥感技术为获取多时相、大尺度的生化信息提供了极大方便，尤其是高光谱影像丰富的光谱信息使定量估算植被生化参数成为可能。利用高光谱遥感数据实现对植被生化组分的监测，是生态学、农学、全球变化等科学研究以及精准农业等应用行业的迫切需求。
本文以使用高光谱影像进行植被生化参数提取为目标，利用经验半经验方法、辐射传输模型反演等方法，进行了以水分和叶绿素为主的植物生化参数提取的研究。论文从实验的设计开始，依次从叶片、冠层、高光谱遥感影像层次实现了参数的提取。第一章对研究的原理、背景和国内外进展进行了综述。第二章重点介绍了利用高光谱进行植物生化组分提取的星地同步实验，包括实验的设计、野外样本的采集、光谱测量和遥感影像的获取等。第三章到第五章依次论述了从叶片、冠层和遥感影像这三个层次的生化组分的提取，分析了尺度效应可能对反演造成的影响。这部分分析使用的方法涉及经验半经验方法和物理模型反演方法。第六章是对全文进行了概括和总结。
论文的主要研究成果和结论如下：
1.在相关项目的支持下成功开展了星地同步实验，获得了丰富的生化组分数据、实测光谱数据以及高光谱遥感影像数据。为后续的研究分析提供了数据保障，体现了论文的实验特色。
2.对遥感影像进行了几何校正和辐射校正处理。大气校正使用了亮暗目标法(经验线性大气校正法)、6S和FLAASH模型。根据波谱响应函数，利用ASD实测的野外波谱模拟了影像的冠层光谱，以此为基础分析了影像大气校正的效果。结果表明6S和FLAASH大气校正效果较好，而亮暗目标法具有较大的局限性，即对亮暗目标物的选择要求较高，在实际操作中不容易获得满足条件的地物。
3.利用经验半经验方法、物理模型反演方法进行了叶片层次的生化组分含量提取。经验半经验方法主要采用逐步回归、偏最小二乘、构建光谱指数等来构建叶片反射率反演生化组分含量的模型，在研究区获得了较好的结果。物理模型反演方法主要是基于对叶片模型PROSPECT的反演来进行的。使用物理模型反演法，首先分析了各参数对叶片反射率光谱的影响、模型对各参数的敏感性，然后实现了叶片叶绿素含量和水分含量的提取。基于物理模型的反演具有明确的物理学意义，因此具有推广价值。
4.利用经验半经验方法、物理模型反演方法对冠层层次的生化组分含量进行了提取。使用野外ASD实测的冠层光谱进行了冠层光谱和生化组分含量的相关性分析，比较了冠层光谱反射率导数、波深、光谱指数等方法。物理模型反演方法选择耦合叶片模型PROSPECT和冠层模型SAILH进行冠层光谱的模拟，在此的基础上，分析了叶片生化组分含量、叶面积指数(LM)、平均叶倾角(ALA)等参数对冠层反射率的影响。在模拟冠层光谱的基础上进行了叶绿素含量反演模型的构建，并使用野外实测数据进行验证。结果表明反演的叶绿素含量与实测值相关性较好，但估测值普遍低于实测的叶绿素含量，RMSE达到12μg/cm2。
5.在前面两部分研究的基础上，将耦合模型PROSAIL模拟的冠层反射率重采样到相关遥感影像设置的波段上，分别使用Hyperion和CHRIS影像进行了植被叶绿素含量的估算。结果表明，使用卫星影像数据进行估测的效果略差，通常估测值略低于实验的实测值。分析原因，大气对遥感卫星影像的影响最为重要。因此，影像的大气校正非常关键，对估测精度影响较大。
6.引入MODIS的三种几何分辨率影像，探讨了尺度变化对冠层光谱的影响。以实测数据为基础模拟了冠层反射率，并重采样到遥感影像设置的光谱波段上。Hyperion的几何分辨率为30m，在实验样区中提取的冠层反射率与模型值拟合较好。但在部分波段Hyperion对地无光谱特性不够敏感，例如700nm左右。MODIS影像在250m分辨率下，模型计算值和影像提取值匹配的最好，500m分辨率下效果稍差，而在1000m分辨率下，大部分实验样区在影像上对应的象元DN值没有明显差别，即不同样区的象元灰度值相同，这与实际情况不符。分析原因是在较低分辨率下，很多象元并非纯象元，说明地表异质性对影像的影响很大，是利用影像反演生化组分必须考虑的问题。