LAI與FAPAR反演-定量遙感精品課程班2015-2課件

1、植被葉面積指數(shù)與FAPAR遙感反演FAPAR遙感模型與反演范聞捷范聞捷( () )北京大學(xué)遙感所北京大學(xué)遙感所2015.7.1611北京大學(xué)暑期研究生定量遙感精品課程班北京大學(xué)暑期研究生定量遙感精品課程班主要內(nèi)容主要內(nèi)容1. 1. 概述概述2. FAPAR2. FAPAR野外測量野外測量3. FAPAR 3. FAPAR 經(jīng)驗反演方法經(jīng)驗反演方法4. 4. 主要主要FAPARFAPAR遙感遙感產(chǎn)品產(chǎn)品反演算法反演算法5. FAPARP5. FAPARP遙感模型與反演遙感模型與反演221. 概述u研究意義研究意義 植被是陸地生物態(tài)系統(tǒng)的主體，是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要植被是陸地生物態(tài)系統(tǒng)的主體，是全球

2、生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。組成部分。 吸收光合有效輻射比例（吸收光合有效輻射比例（FAPAR, Fraction of Absorbed FAPAR, Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation,Photosynthetically Active Radiation,）是表征植被生長狀態(tài)）是表征植被生長狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，影響著植被許多生物、物理過程，如光合、影響著植被許多生物、物理過程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環(huán)和降水截獲量估算等呼吸、蒸騰、碳循環(huán)和降水截獲量估算等。 通過遙感方式通過遙感方式可以可以獲取植被獲取植被F

3、APARFAPAR。隨著遙感傳感器分。隨著遙感傳感器分辨率的多樣化，遙感可以提供更廣泛空間區(qū)域和時間范辨率的多樣化，遙感可以提供更廣泛空間區(qū)域和時間范圍的圍的FAPARFAPAR產(chǎn)品。產(chǎn)品。3u基本概念基本概念 PARPAR（photosynthetically Active Radiationphotosynthetically Active Radiation），光合有效輻射，光合有效輻射，指陸地植指陸地植被光合作用所能吸收的從被光合作用所能吸收的從400400到到700 nm700 nm的太陽光譜能量。的太陽光譜能量。 APARAPAR（ absorbed photosynthetica

4、lly Active Radiation absorbed photosynthetically Active Radiation ）吸收光合有效輻吸收光合有效輻射，植被冠層吸收的參與光合生物量累積的光合有效輻射部分。射，植被冠層吸收的參與光合生物量累積的光合有效輻射部分。 FAPARFAPAR（Fraction of Absorbed Photosynthetically Active RadiationFraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation）吸收吸收光合有效輻射比例，植被吸收的光合有效輻射（光合有效輻射比例，植被吸收

5、的光合有效輻射（PARPAR）占入射太陽輻）占入射太陽輻射的比例射的比例。 APAR=FAPARPAR() /TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIII455在PAR區(qū)間葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的吸收率和總光合作用效率 2. FAPAR野外測量SUNSCAN冠層分析系統(tǒng)（冠層分析系統(tǒng)（SUNSCAN Canopy Analysis System）ACCUPAR 植物群體分析儀植物群體分析儀6() /TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIIISUNSCAN探測器探測器漫射系數(shù)傳感器漫射系數(shù)傳感器（Beam fraction Sensor，BFS）DC

6、T1型掌上電腦型掌上電腦（The Work-about）一個三腳支架一個三腳支架63. FAPAR 經(jīng)驗反演方法 基于基于LAI的經(jīng)驗反演方法的經(jīng)驗反演方法 基于基于與植被指數(shù)建立經(jīng)驗關(guān)系與植被指數(shù)建立經(jīng)驗關(guān)系71K LAIFPARe FAPAR= min(SR-SRmin)/( SRmax-SRmin),0.95)CASA 模型模型FAPAR=1.2NDVI-0.187算法R2取得經(jīng)驗值方法植被類型參考文獻(xiàn)FAPAR=1.2NDVI-0.180.974PAR測量春小麥，生長階段Hatfieldetal.,1984FAPAR=0.6-(2.2NDVI)+(2.9NDVI2)-PAR測量玉米，生

7、長階段Galloetal.,1985FAPAR=1.408NDVI-0.3960.92PAR測量AlfalalPinter,1993FAPAR=1.25NDVI-0.025-Max/Min熱帶雨林/沙漠Ruimyetal.,1994FAPAR=0.279SR-0.294-Max/Min 冬季Alaska/理論最大值HelmanandKeeling,1989FAPAR=0.171SR-0.186-Max/Min高植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=0.248SR-0.268-Max/Min矮植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=1.24NDVI-0.23-1

8、D輻射傳輸方程-Breretetal.,1989FAPAR=1.164NDVI-0.1430.921D輻射傳輸方程-MyneniandWilliams,1994FAPAR=1.21NDVI-0.040.991D輻射傳輸方程-Gowardetal.,1994FAPAR=1.67NDVI-0.08-1D輻射傳輸方程- PrinceandGoward,1995FAPAR=0.105-(0.323NDVI)+(1.168NDVI2)0.851D輻射傳輸方程-MoreauandLi,1996FAPAR=3.257SAVI-0.070.861D輻射傳輸方程-MoreauandLi,1996FAPAR=0.

9、846NDVI-0.080.923D輻射傳輸方程稀疏植被Mynenietal.,1992FAPAR=1.723MSAVI-0.1370.9683D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=2.213(MSAVI)*0.9313D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=1.71(NDVI)*0.9313D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=1-e (LAI(-K)-比爾朗伯定律-Goweretal.,1999FAPAR=min( ,0.95) 其中：SR=(1+NDVI)/(

10、1-NDVI)-CASA模型-Potteretal.,19938表表12-1基于植被指數(shù)或基于植被指數(shù)或LAI的的FAPAR不同算法（高彥華，不同算法（高彥華，20072007）minmaxminSRSRSRSR*i為初始和最終為初始和最終 植被指數(shù)之差植被指數(shù)之差894 主要FAPAR產(chǎn)品遙感反演算法 MODIS FPAR算法（算法（Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998） JRC_FPAR 反演方法反演方法1010MODIS LAI/fAPAR algorithm RT model-based define 6 cover types (biomes) base

11、d on RT (structure) considerations grasses & cereals shrubs broadleaf crops savanna broadleaf forest needle forest11草地和谷類作物灌木類闊葉作物草原闊葉林針葉林水平均一否是不確定是是是地面覆蓋度100%20-60%10-100%20-40%70%70%豎直均一（葉子光譜和葉傾角）否否否是是是莖/樹干否否否綠色莖是是下層植被否否否草地是是植被群聚輕度（minimal）隨機(random)中度（regular）輕度（minimal）重度（sever）重度（severe）冠層陰

12、影無部分無無有有背景亮度中度亮暗中度暗暗12表表12-2 輻射傳輸模型角度全球陸地植被中的冠層結(jié)構(gòu)分布輻射傳輸模型角度全球陸地植被中的冠層結(jié)構(gòu)分布1213MODIS LAI/fAPAR algorithm have different VI-parameter relationships can make assumptions within cover types e.g.,erectophileLADforgrasses/cereals e.g.,layeredcanopyforsavanna use 1-D and 3D numerical RT models (Myneni) to f

13、orward-model for range of LAI result in LUT of reflectance as fn. of view/illumination angles and wavelength LUT 64MB for 6 biomes1415161718JRC_FPAR 反演方法JRC_FPAR是歐空局聯(lián)合研究中心是歐空局聯(lián)合研究中心（European commission Joint Research Center）開發(fā)的針對歐洲的植被狀況的）開發(fā)的針對歐洲的植被狀況的FAPAR產(chǎn)品算法。產(chǎn)品算法。19基于：基于：連續(xù)植被冠層模型連續(xù)植被冠層模型（Gobron et

14、 al., 1997）6S模型模擬陸地表面特征模型模擬陸地表面特征（Vermote et al., 1997）19FAPAR算法步驟：算法步驟：第一第一：進行大氣校正進行大氣校正，消除大氣及角度的影響；消除大氣及角度的影響；第二，與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，計算第二，與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，計算FAPAR值。值。20基于：基于：連續(xù)植被冠層模型（連續(xù)植被冠層模型（Gobron et al., 1997）6S模型模擬陸地表面特征（模型模擬陸地表面特征（Vermote et al., 1997）2021iv)(1a)(2a吸收項由兩部分組成：吸收項由兩部分組成： 植被冠層對輻射的直接吸收植被冠層對輻射的直接吸收

15、植被植被- -地表多次反彈造成的植被冠層的吸收地表多次反彈造成的植被冠層的吸收)(1a)(2a5 FAPAR5 FAPAR模型模型120.4 0.7( )( )mFAPARaa21植被冠層對輻射的直接吸收植被冠層對輻射的直接吸收假設(shè)土壤為黑背景、太陽直射光假設(shè)土壤為黑背景、太陽直射光單次散射反照率：單次散射反照率：iv2q1qpa土壤背景土壤背景冠層下界面冠層下界面冠層上界面冠層上界面 lllr 22再碰撞概率再碰撞概率一次碰撞之后被散射的光子只有三種可能的去向：向上或向下一次碰撞之后被散射的光子只有三種可能的去向：向上或向下穿出冠層和繼續(xù)在冠層中發(fā)生碰撞穿出冠層和繼續(xù)在冠層中發(fā)生碰撞：根據(jù)根

16、據(jù)能量守恒能量守恒原理原理，光子吸收的能量和散射的能量之和為，光子吸收的能量和散射的能量之和為1 112+ () 1alp qq121qqp321ppp1q2q由于由于 、 只與冠層的平均透過率有關(guān)，在一定的入射太陽天頂角時，假定只與冠層的平均透過率有關(guān)，在一定的入射太陽天頂角時，假定 G G已知，平均透過率只與已知，平均透過率只與LAILAI有關(guān)，所以再碰撞概率是有關(guān)，所以再碰撞概率是LAILAI的函數(shù)，與碰撞次的函數(shù)，與碰撞次數(shù)、波段等因素?zé)o關(guān)，在本文中暫時忽略數(shù)、波段等因素?zé)o關(guān)，在本文中暫時忽略角度角度 與碰撞次數(shù)對與碰撞次數(shù)對p p的影響，所以的影響，所以再再碰撞概率在每次碰撞時都是相

17、等的碰撞概率在每次碰撞時都是相等的，即，即23再碰撞概率再碰撞概率Stenberg (2005) Pmax=0.88，k=0.7，b=0.75假定假定G=0.5，在太陽天頂角分別為，在太陽天頂角分別為0，30，50時時p的經(jīng)驗的經(jīng)驗公式公式)exp(1maxbLAIkppLAI)exp(-0.710.66- LAI)exp(0.01550.7p:0 LAI)exp(-0.780.66- LAI)exp(0.0140.71p :30LAI)exp(-0.80.66- LAI)exp(0.010.7p:5024平均透過率平均透過率植被冠層內(nèi)散射向下透射的平均透過率植被冠層內(nèi)散射向下透射的平均透過率

18、假定假定G=0.5，在太陽天頂角分別為，在太陽天頂角分別為0，30，50時時經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式2qLAI)0.4775- exp(0.4174 = q02：LAI)0.5031- exp(0.4234 = q302：LAI)0.54- exp(0.4275 = q502：25一個光子在其生命周期內(nèi)的吸收一個光子在其生命周期內(nèi)的吸收對于前對于前n n次碰撞次碰撞 )1 ()()1 ()()1 ()1 ()(12ncpppappanc1)(1)1 ()(pac11)(10 p由于由于 ，對于無限次碰撞來說，對于無限次碰撞來說26植被冠層對光子的攔截概率植被冠層對光子的攔截概率植被冠層透過率植被冠層透

19、過率植被冠層對光子的攔截概率植被冠層對光子的攔截概率植被冠層植被冠層內(nèi)總吸收率內(nèi)總吸收率 01 expiiGiLAI )exp(LAIGPii透過)(1)(1)(01llpia27天空散射光天空散射光 天空散射光比例天空散射光比例=iEFE：天空漫輻射對目標(biāo)構(gòu)成的輻照度：天空漫輻射對目標(biāo)構(gòu)成的輻照度：太陽直射輻射對目標(biāo)構(gòu)成的輻照度：太陽直射輻射對目標(biāo)構(gòu)成的輻照度EiF28天空散射光天空散射光天空散射光到達(dá)冠層的輻照度天空散射光到達(dá)冠層的輻照度 對于均勻連續(xù)植被冠層，當(dāng)葉傾角分布為球形分布時對于均勻連續(xù)植被冠層，當(dāng)葉傾角分布為球形分布時，其，其與與葉面積指數(shù)葉面積指數(shù)LAILAI的經(jīng)驗關(guān)系的經(jīng)驗

20、關(guān)系為：為：平均攔截概率平均攔截概率：deLmLAIGiai)1 (coscos2aLi9 . 08 . 001LAIeiMemLAI)1 (9 . 08 . 0)(aLM29)(1)(10llpia平均攔截概率平均攔截概率天空散射光在植被冠層內(nèi)的吸收為天空散射光在植被冠層內(nèi)的吸收為9 . 08 . 001LAIei30)(1)(1)1 ()(1)(1)(001llllpipia植被冠層內(nèi)總吸收植被冠層內(nèi)總吸收入射光包含入射光包含太陽直射光太陽直射光和和天空散射光天空散射光，入射光在植被冠層內(nèi)被，入射光在植被冠層內(nèi)被攔截并被吸收的比例為兩種入射光的加權(quán)和攔截并被吸收的比例為兩種入射光的加權(quán)和，

21、則植被冠層內(nèi)部，則植被冠層內(nèi)部的吸收表示為：的吸收表示為：31植被植被- -地表多次反彈造成的植被冠層的吸收地表多次反彈造成的植被冠層的吸收入射光包含太陽直射光和天空散射光入射光包含太陽直射光和天空散射光時，即在白背景光源下時，即在白背景光源下土壤表面土壤表面grcriv冠層上界面冠層上界面冠層下界面冠層下界面1 1）未與冠層發(fā)生碰撞而直接穿擊冠層到達(dá)地表的輻射未與冠層發(fā)生碰撞而直接穿擊冠層到達(dá)地表的輻射2 2）經(jīng)植被冠層一次或多次經(jīng)植被冠層一次或多次散射后散射后到達(dá)地表的輻射到達(dá)地表的輻射32植被植被- -地表多次反彈造成的植被冠層的吸地表多次反彈造成的植被冠層的吸收收未與冠層發(fā)生碰撞而直接

22、穿擊冠層到達(dá)地表的輻射未與冠層發(fā)生碰撞而直接穿擊冠層到達(dá)地表的輻射比例比例經(jīng)植被冠層一次或多次經(jīng)植被冠層一次或多次散射后散射后到達(dá)地表的輻射到達(dá)地表的輻射比例比例到達(dá)地表的入射光輻射比例為兩部分所占的比例之和到達(dá)地表的入射光輻射比例為兩部分所占的比例之和)1 ()1 ()1 (001iif21fffpqppipqppif11)1 ()1 (11)1 (2020233植被植被- -地表多次反彈造成的植被冠層的吸地表多次反彈造成的植被冠層的吸收收植被冠層下界面形成的向上的漫輻射比例為植被冠層下界面形成的向上的漫輻射比例為 cggcgcggrrrfrrrrrff1)(232llcggpirrrfa1

23、11)(02向上的漫輻射在植被冠層內(nèi)被吸收的比例為向上的漫輻射在植被冠層內(nèi)被吸收的比例為34植被冠層的吸收植被冠層的吸收光合有效輻射比例光合有效輻射比例FAPARFAPAR植被冠層對輻射的直接吸收植被冠層對輻射的直接吸收植被植被- -地表多次反彈造成的植被冠層的吸收地表多次反彈造成的植被冠層的吸收總吸收總吸收llcggpirrrfa111)(02)(1)(1)1 ()(1)(1)(001llllpipia120.4 0.7( )( )mFAPARaa35蒙特卡羅模擬對比驗證蒙特卡羅模擬對比驗證MCMC模擬驗證結(jié)果模擬驗證結(jié)果: : =036蒙特卡羅模擬對比驗證蒙特卡羅模擬對比驗證MCMC模擬驗

24、證結(jié)果模擬驗證結(jié)果: : =0.337蒙特卡羅模擬對比驗證蒙特卡羅模擬對比驗證MCMC模擬驗證結(jié)果模擬驗證結(jié)果: : =138非均勻連續(xù)植被非均勻連續(xù)植被FAPARFAPAR模型模型連續(xù)植被和離散植被連續(xù)植被和離散植被連續(xù)植被連續(xù)植被：植被個體特征不明顯，可以模擬為一個由均勻散射層：植被個體特征不明顯，可以模擬為一個由均勻散射層構(gòu)成的薄層模型，其典型代表為農(nóng)田。構(gòu)成的薄層模型，其典型代表為農(nóng)田。離散植被離散植被：植被個體特征顯著，表現(xiàn)為以個體隨機集合為特征的：植被個體特征顯著，表現(xiàn)為以個體隨機集合為特征的離散型，其典型代表為森林。離散型，其典型代表為森林。連續(xù)植被連續(xù)植被 離散植被離散植被39

25、非均勻連續(xù)植被非均勻連續(xù)植被FAPARFAPAR模型模型尼爾遜參數(shù)尼爾遜參數(shù) 對于一個均勻無限的冠層，假設(shè)葉片隨機分布，當(dāng)一束光線穿對于一個均勻無限的冠層，假設(shè)葉片隨機分布，當(dāng)一束光線穿過植被冠層，可以用過植被冠層，可以用Poisson模型（模型（Nilson，1971）來計算孔隙率）來計算孔隙率 aLAIGP)()(exp)(如果葉片發(fā)生群聚，葉片間相互遮陰的概率增加，光路上有效如果葉片發(fā)生群聚，葉片間相互遮陰的概率增加，光路上有效截光面積減少，導(dǎo)致利用截光面積減少，導(dǎo)致利用Poisson模型估算的孔隙率會低估實際模型估算的孔隙率會低估實際的值的值 aLAIGP)()()(exp)(40非均勻連續(xù)植被非均勻連續(xù)植被FA