LAI与FAPAR反演-定量遥感精品课程班2015-2.

植被叶面积指数与FAPAR遥感反演——FAPAR遥感模型与反演范闻捷([e-mail])北京大学遥感所2015.7.1611北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班主要内容1.概述2.FAPAR野外测量3.FAPAR经验反演方法4.主要FAPAR遥感产品反演算法5.FAPAR—P遥感模型与反演221.概述研究意义植被是陆地生物态系统的主体，是全球生态系统的重要组成部分。吸收光合有效辐射比例（FAPAR,FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation,）是表征植被生长状态的关键参数，影响着植被许多生物、物理过程，如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获量估算等。通过遥感方式可以获取植被FAPAR。随着遥感传感器分辨率的多样化，遥感可以提供更广泛空间区域和时间范围的FAPAR产品。3基本概念PAR（photosyntheticallyActiveRadiation），光合有效辐射，指陆地植被光合作用所能吸收的从400到700nm的太阳光谱能量。APAR（absorbedphotosyntheticallyActiveRadiation）吸收光合有效辐射，植被冠层吸收的参与光合生物量累积的光合有效辐射部分。FAPAR（FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation）吸收光合有效辐射比例，植被吸收的光合有效辐射（PAR）占入射太阳辐射的比例。APAR=FAPAR×PAR()/TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIII455在PAR区间叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的吸收率和总光合作用效率2.FAPAR野外测量SUNSCAN冠层分析系统（SUNSCANCanopyAnalysisSystem）ACCUPAR植物群体分析仪6()/TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIIISUNSCAN探测器漫射系数传感器（BeamfractionSensor，BFS）DCT1型掌上电脑（TheWork-about）一个三脚支架63.FAPAR经验反演方法•基于LAI的经验反演方法•基于与植被指数建立经验关系71KLAIFPAReFAPAR=min((SR-SRmin)/(SRmax-SRmin),0.95)CASA模型FAPAR=1.2×NDVI-0.187算法R2取得经验值方法植被类型参考文献FAPAR=1.2×NDVI-0.180.974PAR测量春小麦，生长阶段Hatfieldetal.,1984FAPAR=0.6-(2.2×NDVI)+(2.9×NDVI2)-PAR测量玉米，生长阶段Galloetal.,1985FAPAR=1.408×NDVI-0.3960.92PAR测量AlfalalPinter,1993FAPAR=1.25×NDVI-0.025-Max/Min热带雨林/沙漠Ruimyetal.,1994FAPAR=0.279×SR-0.294-Max/Min冬季Alaska/理论最大值HelmanandKeeling,1989FAPAR=0.171×SR-0.186-Max/Min高植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=0.248×SR-0.268-Max/Min矮植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=1.24×NDVI-0.23-1D辐射传输方程-Breretetal.,1989FAPAR=1.164×NDVI-0.1430.921D辐射传输方程-MyneniandWilliams,1994FAPAR=1.21×NDVI-0.040.991D辐射传输方程-Gowardetal.,1994FAPAR=1.67×NDVI-0.08-1D辐射传输方程-PrinceandGoward,1995FAPAR=0.105-(0.323×NDVI)+(1.168×NDVI2)0.851D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=3.257×SAVI-0.070.861D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=0.846×NDVI-0.080.923D辐射传输方程稀疏植被Mynenietal.,1992FAPAR=1.723×MSAVI-0.1370.9683D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996FAPAR=2.213×(ΔMSAVI)**0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996FAPAR=1.71×(ΔNDVI)**0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996FAPAR=1-e(LAI(-K))-比尔朗伯定律-Goweretal.,1999FAPAR=min(,0.95)其中：SR=(1+NDVI)/(1-NDVI)-CASA模型-Potteretal.,19938表12-1基于植被指数或LAI的FAPAR不同算法（高彦华，2007）minmaxminSRSRSRSRΔ**i为初始和最终植被指数之差894主要FAPAR产品遥感反演算法•MODISFPAR算法（Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998）•JRC_FPAR反演方法1010MODISLAI/fAPARalgorithmRTmodel-baseddefine6covertypes(biomes)basedonRT(structure)considerationsgrasses&cerealsshrubsbroadleafcropssavannabroadleafforestneedleforest11草地和谷类作物灌木类阔叶作物草原阔叶林针叶林水平均一否是不确定是是是地面覆盖度100%20-60%10-100%20-40%70%70%竖直均一（叶子光谱和叶倾角）否否否是是是茎/树干否否否绿色茎是是下层植被否否否草地是是植被群聚轻度（minimal）随机(random)中度（regular）轻度（minimal）重度（sever）重度（severe）冠层阴影无部分无无有有背景亮度中度亮暗中度暗暗12表12-2辐射传输模型角度全球陆地植被中的冠层结构分布1213MODISLAI/fAPARalgorithmhavedifferentVI-parameterrelationshipscanmakeassumptionswithincovertypese.g.,erectophileLADforgrasses/cerealse.g.,layeredcanopyforsavannause1-Dand3DnumericalRTmodels(Myneni)toforward-modelforrangeofLAIresultinLUTofreflectanceasfn.ofview/illuminationanglesandwavelengthLUT~64MBfor6biomes1415161718JRC_FPAR反演方法JRC_FPAR是欧空局联合研究中心（EuropeancommissionJointResearchCenter）开发的针对欧洲的植被状况的FAPAR产品算法。19基于：连续植被冠层模型（Gobronetal.,1997）6S模型模拟陆地表面特征（Vermoteetal.,1997）19FAPAR算法步骤：第一：进行大气校正，消除大气及角度的影响；第二，与数学方法相结合，计算FAPAR值。20•基于：连续植被冠层模型（Gobronetal.,1997）•6S模型模拟陆地表面特征（Vermoteetal.,1997）2021iv)(1a)(2a吸收项由两部分组成：植被冠层对辐射的直接吸收植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收)(1a)(2a5FAPAR模型120.40.7(()())mFAPARaa21植被冠层对辐射的直接吸收假设土壤为黑背景、太阳直射光单次散射反照率：iv2q1qpa土壤背景冠层下界面冠层上界面lllr22•再碰撞概率一次碰撞之后被散射的光子只有三种可能的去向：向上或向下穿出冠层和继续在冠层中发生碰撞：根据能量守恒原理，光子吸收的能量和散射的能量之和为112+()1alpqq121qqp321ppp1q2q由于、只与冠层的平均透过率有关，在一定的入射太阳天顶角时，假定G已知，平均透过率只与LAI有关，所以再碰撞概率是LAI的函数，与碰撞次数、波段等因素无关，在本文中暂时忽略角度与碰撞次数对p的影响，所以再碰撞概率在每次碰撞时都是相等的，即23•再碰撞概率Stenberg(2005)Pmax=0.88，k=0.7，b=0.75假定G=0.5，在太阳天顶角分别为0°，30°，50°时p的经验公式)exp(1maxbLAIkppLAI)exp(-0.710.66-LAI)exp(0.01550.7p:0LAI)exp(-0.780.66-LAI)exp(0.0140.71p:30LAI)exp(-0.80.66-LAI)exp(0.010.7p:5024•平均透过率植被冠层内散射向下透射的平均透过率假定G=0.5，在太阳天顶角分别为0°，30°，50°时经验公式2qLAI)0.4775-exp(0.4174=q02：LAI)0.5031-exp(0.4234=q302：LAI)0.54-exp(0.4275=q502：25•一个光子在其生命周期内的吸收对于前n次碰撞)1()()1()()1()1()(12ncpppappanc1)(1)1()(pac11)(10＜＜p由于，对于无限次碰撞来说26•植被冠层对光子的拦截概率植被冠层透过率植被冠层对光子的拦截概率植被冠层内总吸收率01expiiGiLAI)exp(LAIGPii透过)(1)(1)(01llpia27•天空散射光天空散射光比例=iEFE：天空漫辐射对目标构成的辐照度：太阳直射辐射对目标构成的辐照度EiF28•天空散射光天空散射光到达冠层的辐照度对于均匀连续植被冠层，当叶倾角分布为球形分布时，其与叶面积指数LAI的经验关系为：平均拦截概率：deLmLAIGiai)1(coscos2aLi9.08.001~LAIeiMemLAI)1(9.08.0)(aLM29)(1)(1~0llpia•平均拦截概率天空散射光在植被冠层内的吸收为9.08.001~LAIei30)(1)(1~)1()(1)(1)(001llllpipia•植被冠层内总吸收入射光包含太阳直射光和天空散射光，入射光在植被冠层内被拦截并被吸收的比例为两种入射光的加权和，则植被冠层内部的吸收表示为：31植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收入射光包含太阳直射光和天空散射光时，即在白背景光源下土壤表面grcriv冠层上界面冠层下界面1）未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射2）经植被冠层一次或多次散射后到达地表的辐射32植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射比例经植被冠层一次或多次散射后到达地表的辐射比例到达地表的入射光辐射比例为两部分所占的比例之和)~1()1()1(001iif21fffpqppipqppif11)1(~)1(11)1(2020233植被-地表多次反弹造成的植被冠层