《生态系统模型》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,遥感,在生态模型中的应用,莫兴国,中国科学院地理科学与资源研究所,Email:,moxg,Tel: 64889307,生态系统模型尺度,叶片,冠层,流域,区域,全球,Down Scaling,Upscaling,组织,生态模型的主要尺度,叶片尺度,植物对气象要素变化的生理响应,2,冠层尺度,土壤植物大气系统耦合,生态模型的主要尺度,3.,区域尺度,区域气候、陆面过程与生态动 力 学过程相互作用,4.,全球尺度,气候系统与生态系统的耦合,尺度问题的来源,？,变量和过程之间的非线性关系,地表过程特征参数的空间变异性,过程之间的复杂相互作用,尺度扩展的难点,如何估计代表地面空间变异性的模型核心参数，如地表反射率，表面导度、地表粗糙度和土壤含水量，这些参数往往导致地表通量的空间变异。,近地面气象要素常常受地表和局地小气候的影响，而偏离其面上平均值。,空间变异性、尺度和生态过程真实描述的相互关系,从空间测量可以获得大面积地表特征数据，是尺度扩展的重要手段。,遥感定义,遥远感知,遥感就是对地物在电磁波不同波段范围的反射、发射、透过和吸收的能量进行测量，以识别物体信息或特性的技术。,不同地物具有不同的反射、发射和吸收特性，导致遥感方式、平台和应用的多样性,。,遥感简介,观测媒体：电磁波谱,观测平台：卫星、,(,航天,),飞机、雷达,基础：地物反射吸收波谱,土壤水分,降雨、雪,植被,电磁波谱,雪,主要观测平台,卫星遥感图像,静止轨道：单点观测,极轨：有规律地大面积观测,提供,NDVI,，,表面温度，土地覆盖等数据,高空航空图像,10-12km,特定调查，航空测量,低空航空照片,500-8000km,特定调查,航空测量,地面观测铁塔,100m,理论探索,科学实验,观测平台,观测高度,主要目的,静止轨道同步卫星,36000km,定点观测,太阳同步卫星,500-1000km,周期性观测,航天飞机,240-350km,不定期观测,太空实验,无线电探测仪,100-100km,各种探测内容 （如气象）,高空喷气式飞机,10-12km,侦察,;,大面积调查,低中空飞机,500-8000m,各种调查,航空测量,遥感观测平台,RS,图像的优势,可监测大面积的地物变化,获取人眼不能检测的光谱波段特征,可定时定点有规律地获取数据,常用于生态学研究的卫星数据,常用的探测器,NOAA AVHRR,Landsat,TM,SPOT Vegetation,Terra MODIS,遥感为生态研究提供些什么？,充实,GIS,背景数据,地理位置、,DEM,气象数据,气温、地面温度、海水温度、辐射、降水、云,土壤信息,土壤水分,土壤质地,植被动态变化信息,植被覆盖,NDVI,，,LAI,遥感可以得到的生物物理参数,叶绿素和胡萝卜素在可见光波段的吸收光谱,不同生育阶段，植物叶片的叶绿素含量和胡萝卜素的含量会有所变化，这就导致叶片颜色的变化和冠层反射吸收光谱的变化,植物在不同状态下的光谱反射,植被反射光谱,在可见光波段内,差别不明显,白桦,杉树,松树,植被指数的由来,当人们用不同波段的植被,-,土壤系统的反射率因子，以一定的形式组合成一个参数时，发现它与植被特性参数间的函数关系，比单一波段值更稳定、可靠，该类组合统称为植被指数。,植被指数的主要形式,简单植被指数,归一化植被指数,土壤调整植被指数,增强型植被指数,植被,NDVI,季相变化的缘起,植物在不同生育阶段对,VIS,和,NIR,波段反射率的不同，形成了,NDVI,的季相变化,反映植被的变化过程。,NDVI,的季相变化,植被指数,(NDVI),的年变化,中国陆地区域,NDVI,植被指数的订正,由于云的污染、大气变异性、双向反射的影响，植被指数常受扰动。,采用滤波的方法消除噪音,Savitzky,Golay,滤波,Fourier,滤波,Best index slope extraction,法,常用的滤波方法,土壤水分,不同含水量的土壤具有不同的光谱吸收特性，土壤水分含量越高，反射率越低,RS,可直接获取的土壤信息,土壤水分,-,微波遥感,理论基础,在有云覆盖时,可见光波段监测土壤水分很难。,微波对云的穿透力强，是微波监测地面水分状况的优势,地物发射率取决于介电特性,干燥土壤和水分的介电特性有巨大差异,(,干土,5,水,80,),微波传感器都对土壤介电特性、表面粗糙度敏感,植被层是半透明的,与太阳亮度无关,方法,被动微波方法：微波辐射计,重复观测频率高，数据量低，数据处理简单,用微波辐射计获取土壤的亮度温度，然后通过物理模型反演土壤水分或与土壤水分建立经验关系。,有效采样深度,2-5cm,微波发射与土壤湿度之间较好的相关关系可以达到,20cm,土层,主动微波方法：成像雷达,数据分辨率高，数据量大，处理复杂,发射电磁波,接收后向散射回波,建立地物形态和物理特征与后向散射回波之间的关系,以后向散射系数法为主,对裸土较好,在有植被覆盖或地表粗糙度大较时,影响较大,.,蒸散遥感反演的原理与方法,地表蒸散遥感原理,可见光,近红外,热红外,反照率,植被指数,地表温度,转换,净辐射,土壤热通量,显热通量,潜热通量,波文比,蒸发比,卫星辐射通量,地表参数,模型,地表能量平衡,湿度指针,遥感蒸散方法,经验直接法,Empirical direct methods,能量收支残差法,Residual methods of the energy budget,机理模型法,Deterministic methods,植被指数法,Vegetation index methods,经验直接法,能量收支残差法,地表能量平衡,余项法：,感热,净辐射,土壤热通量,净辐射与土壤热通量的反演,参考高度,双层模型,方向性地表温度,地表发射率,覆盖率,时间尺度扩展,日蒸散,方法,1,方法,2,方法,3,净辐射,蒸散,Penman-Monteith,与,NDVI,结合的遥感蒸散计算方法,潜在蒸散,环境影响因子订正，得到实际蒸散,华北蒸散量,华北灌溉量,2001-222,2002-236,2003-229,全球蒸散随纬度分布,遥感光合生产力,植被光合生产力与植被吸收的光合有效辐射量成正比,遥感信息可以估算光合有效辐射量,GPP,NPP,模型,GLO-PEM (,GLObal,Production Efficiency Model,，,Prince &,Goward, 1995,),基于生产效率概念，基本上全部利用卫星遥感资料来计算陆地生态系统,GPP NPP,的生态系统模拟模型,CASA NPP model,植物叶片气孔,RS GPP model,The gross daily photosynthesis (g DM m,-2,d,-1,):,C1,C2: CO2 concentration in the air and intercellular.,ra,rc,: aerodynamic and canopy resistances,潜在光合有效辐射,推导出,P,g,Pot,is estimated from the PAR:,Canopy,PAR,0,APAR:,冠层吸收的光合有效辐射,模型描述,植被吸收的光合有效辐射,APAR,PARabove,PARbelow,地面实测数据,裸土,NDVI=0.05,郁闭绿色植被,NDVI=0.9,对,AVHRR,数据,考虑大气效应的结果,对于地表实测,NDVI=0.9,而言,对应的,AVHRR,数据大概降低,0.25,f,PAR,的计算,fpar,=1.24NDVI-0.168,对,MODIS,fpar,也可表示为,fpar,=0.95(1-exp(-kLAI),NDVI,FPAR,结果示例,GPP,1987 GLO-PEM NPP,黄土高原,2000-2002,年,GPP (mol C/m2 yr),全球,GPP,参考书,徐希儒，遥感物理，北京大学出版社,Eagleson, PS,著，杨大文译,生态水文学，中国水利水电出版社,Bonan, Ecological climatology (,生态气候学,(,有中译本,),Campbell and Norman, An introduction to environmental physics (,环境物理,),。,思考题,生态系统模型为什么需要尺度扩展？,那些地表特征参数可由遥感信息反演？,植被指数是指什么？它为什么能反映植被的变化？它有何局限性？,光能利用率模型的基本原理是什么？它与遥感信息如何结合,?,遥感蒸散模型的基本原理是什么？,