基于多角度高光谱观测和MODIS影像的光能利用率模型研究

作     者：杨志青 

作者单位：北京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈报章

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0713[理学-生态学] 

主      题：光能利用率 光化学植被指数 碳通量 自动多角度观测 BRDF模型 

摘      要：陆地生态系统通过光合作用吸收CO,研究光合作用对于认识和理解碳收支平衡和区域以及全球的气候变化及其影响具有重要的意义。光能利用率作为植被光合作用的关键参数,成为监测植被总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)的关键因子。随着高光谱的发展,光化学植被指数(Photochemical Reflectance Index,PRI)在光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)的估算方面表现出了巨大的潜力,但是PRI-LUE存在很大的不确定性。PRI反演LUE的影响因素分析和建模在以前的研究中主要是集中于在冠层或者用MODIS数据在景观或者区域尺度上的单一森林植被,而在站点尺度上对人工种植的多种植物混合的城市绿地生态系统和均一植物玉米农田生态系统的研究还比较少,两者的关系模型并不清晰。本文采用高光谱数据、MODIS影像数据和通量观测数据,对比分析了两种生态系统碳通量、PRI和LUE的日、季节变化特征,并建立和筛选出了在不同时空尺度、冠层光照条件和植被生长期的光能利用率模型。针对影响光能利用率反演的主要因素,进行深入分析,修正或削弱其影响作用,改善LUE的遥感反演效果,进而提高碳通量的反演精度,一方面有利于景观或者区域尺度上碳通量的模拟,另外一方面有助于认识生态系统碳循环的动态过程,减少碳循环与碳收支评价中的不确定性。本研究主要得到以下结论:(1)由于研究的生态系统基本上都是落叶植被,所以无论是农田生态系统还是城市绿地生态系统,植被的不同生长时期对生态系统碳通量的影响较大。在植被旺盛生长时期,GPP、NEE的日变化剧烈。在植被衰老的时期,则变化较平缓。这是在生长季光合和呼吸作用之间的差值所导致的。(2)PRI随着不同的观测角度和太阳角度发生剧烈的变化,并且对于不同生态系统,变化也各不相同。在均一植被玉米农田生态系统中PRI在观测方向上的差异主要来源于观测到的玉米的不同部位,而在城市绿地生态系统中PRI的差异主要源于观测到的不同植被,其次才是观测到植被的不同部位。研究发现不同植被对PRI和LUE变化的响应有所差别,导致了在不同角度PRI的区别以及在不同生态系统中PRI-LUE关系的差异。(3)在对PRI和LUE与气象因子的相关性分析中,发现在农田生态系统中,PRI和LUE分别与土壤温度和光合有效辐射有着较好的相关性。而在城市绿地生态系统中,PRI、LUE都和光合有效辐射相关性最强,而且PRI和土壤温度之间几乎没有相关性。因此,在以不同的植被类型为主的生态系统中,由于环境条件的不同,影响PRI和LUE的主要环境因子之间有着很大的差异。(4)在站点尺度上,基于多角度高光谱平台观测系统得到的高光谱反射数据,通过RossThick-LiSparse BRDF模型的驱动得到的PRI,与通量数据反演的LUE,在两种生态系统中植被不同的物候期和时空尺度上都有良好的相关性,但是两者的最优模型有所差异。(5)采用MODIS-PRI,建立了光能利用率反演模型。在奥林匹克森林公园城市绿地生态系统和张掖大满超级站玉米农田生态系统分别为,PRI=0.7143*LUE+0.0061(R=0.5107),PRI=5.3653*LUE+0.0134(R=0.646)。