LAI与FAPAR反演定量遥感课程班-课件

LAI与FAPAR反演定量遥感课程主要内容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、FAPARP遥感模型与反演221、概述u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,FAPAR,Fraction Fraction of of Absorbed Absorbed Photosynthetically Photosynthetically Active Active Radiation,Radiation,)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。通过遥感方式能够获取植被FAPARFAPAR。随着遥感传感器分辨率的多样化,遥感能够提供更广泛空间区域和时间范围的FAPARFAPAR产品。3u基本概念PARPAR(photosynthetically Active Radiationphotosynthetically Active Radiation),光合有效辐射,指陆地植被光合作用所能吸收的从400400到700 nm700 nm的太阳光谱能量。APARAPAR(absorbed photosynthetically Active Radiation absorbed photosynthetically Active Radiation)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。FAPARFAPAR(Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Fraction of Absorbed Photosynthetically Active RadiationRadiation)吸收光合有效辐射比例,植被吸收的光合有效辐射(PARPAR)占入射太阳辐射的比例。APAR=FAPARPAR455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(SUNSCAN Canopy Analysis System)ACCUPAR 植物群体分析仪6SUNSCAN探测器漫射系数传感器(Beam fraction Sensor,BFS)DCT1型掌上电脑(The Work-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7FAPAR=min(SR-SRmin)/(SRmax-SRmin),0、95)CASA 模型FAPAR=1、2NDVI-0、187算法R2取得经验值方法植被类型参考文献FAPAR=1、2NDVI-0、180、974PAR测量春小麦,生长时期Hatfieldetal、,1984FAPAR=0、6-(2、2NDVI)+(2、9NDVI2)-PAR测量玉米,生长时期Galloetal、,1985FAPAR=1、408NDVI-0、3960、92PAR测量AlfalalPinter,1993FAPAR=1、25NDVI-0、025-Max/Min热带雨林/沙漠Ruimyetal、,1994FAPAR=0、279SR-0、294-Max/Min 冬季Alaska/理论最大值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、23-1D辐射传输方程-Breretetal、,1989FAPAR=1、164NDVI-0、1430、921D辐射传输方程-MyneniandWilliams,1994FAPAR=1、21NDVI-0、040、991D辐射传输方程-Gowardetal、,1994FAPAR=1、67NDVI-0、08-1D辐射传输方程-PrinceandGoward,1995FAPAR=0、105-(0、323NDVI)+(1、168NDVI2)0、851D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=3、257SAVI-0、070、861D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=0、846NDVI-0、080、923D辐射传输方程稀疏植被Mynenietal、,1992FAPAR=1、723MSAVI-0、1370、9683D辐射传输方程热带稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=2、213(MSAVI)*0、9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=1、71(NDVI)*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,20072007)*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MODIS FPAR算法(Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998)JRC_FPAR 反演方法1010MODISLAI/fAPARalgorithmRT model-baseddefine 6 cover types(biomes)based on RT(structure)considerationsgrasses&cerealsshrubsbroadleaf cropssavannabroadleaf forestneedle forest11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/fAPARalgorithmhave different VI-parameter relationshipscan make assumptions within cover typese、g、,erectophileLADforgrasses/cerealse、g、,layeredcanopyforsavannause 1-D and 3D numerical RT models(Myneni)to forward-model for range of LAIresult in LUT of reflectance as fn、of view/illumination angles and wavelengthLUT 64MB for 6 biomes1415161718JRC_FPAR反演方法JRC_FPAR是欧空局联合研究中心(European mission Joint Research Center)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(Gobron et al、,1997)6S模型模拟陆地表面特征(Vermote et al、,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(Gobron et al、,1997)6S模型模拟陆地表面特征(Vermote et al、,1997)2021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5 FAPAR5 FAPAR模型21植被冠层对辐射的直截了当吸收假设土壤为黑背景、太阳直射光单次散射反照率:土壤背景冠层下界面冠层上界面22再碰撞概率一次碰撞之后被散射的光子只有三种估计的去向:向上或向下穿出冠层和接着在冠层中发生碰撞:依照能量守恒原理,光子吸收的能量和散射的能量之和为1 1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 G已知，平均透过率只与LAILAI有关，所以再碰撞概率是LAILAI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 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25一个光子在其生命周期内的吸收关于前n n次碰撞 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27天空散射光 天空散射光比例：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28天空散射光天空散射光到达冠层的辐照度 关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LAILAI的经验关系为:平均拦截概率:29平均拦截概率天空散射光在植被冠层内的吸收为30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冠层上界面冠层下界面1 1)未与冠层发生碰撞而直截了当穿击冠层到达地表的辐射2 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截了当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33植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收植被冠层下界面形成的向上的漫辐射比例为向上的漫辐射在植被冠层内被吸收的比例为34植被冠层的吸收光合有效辐射比例FAPARFAPAR植被冠层对辐射的直截了当吸收植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收总吸收35蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果:=036蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果:=0、337蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果:=138非均匀连续植被FAPARFAPAR模型连续植被和离散植被连续植被:植被个体特征不明显,能够模拟为一个由均匀散射层构成的薄层模型,其典型代表为农田。离散植被:植被个体特征显著,表现为以个体随机集合为特征的离散型,其典型代表为森林。连续植被 离散植被39非均匀连续植被FAPARFAPAR模型尼尔逊参数 关于一个均匀无限的冠层,假设叶片随机分布,当一束光线穿过植被冠层,能够用Poisson模型(Nilson,1971)来计算孔隙率 假如叶片发生群聚,叶片间相互遮阴的概率增加,光路上有效截光面积减少,导致利用Poisson模型估算的孔隙率会低估实际的值 40非均匀连续植被FAPARFAPAR模型利用尼尔逊参数修正 植被冠层对入射直射光的拦截概率平均拦截概率41非均匀连续植被FAPARFAPAR 植被冠层对辐射的直截了当吸收植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收总吸收42FAPAR算法43FAPARFAPARFAPARFAPARFAPARFAPAR43FAPAR反演输入参数参数:LAI尼尔逊(Nilson)参数G函数叶片反射率、叶片透过率、土壤反射率太阳天顶角再碰撞概率天空散射光比例44FAPAR计算结果验证HJ-1BHJ-1B卫星过境时间:11:5211:527 7月8 8号地面观测:1313点-17-17点45感谢您的聆听！感谢您的聆听！