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(fanwj@)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主要內(nèi)容1.概述2.FAPAR野外測(cè)量3.FAPAR經(jīng)驗(yàn)反演方法4.主要FAPAR遙感產(chǎn)品反演算法5.FAPAR—P遙感模型與反演221.概述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)的重要組成部分。吸收光合有效輻射比例（FAPAR,FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation,）是表征植被生長(zhǎng)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，影響著植被許多生物、物理過(guò)程，如光合、呼吸、蒸騰、碳循環(huán)和降水截獲量估算等。通過(guò)遙感方式可以獲取植被FAPAR。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(shí)間范圍的FAPAR產(chǎn)品。3基本概念PAR（photosyntheticallyActiveRadiation），光合有效輻射，指陸地植被光合作用所能吸收的從400到700nm的太陽(yáng)光譜能量。APAR（absorbedphotosyntheticallyActiveRadiation）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。FAPAR（FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation）吸收光合有效輻射比例，植被吸收的光合有效輻射（PAR）占入射太陽(yáng)輻射的比例。APAR=FAPAR×PAR455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(cè)量SUNSCAN冠層分析系統(tǒng)（SUNSCANCanopyAnalysisSystem）ACCUPAR植物群體分析儀6SUNSCAN探測(cè)器漫射系數(shù)傳感器（BeamfractionSensor，BFS）DCT1型掌上電腦（TheWork-about）一個(gè)三腳支架63.FAPAR經(jīng)驗(yàn)反演方法基于LAI的經(jīng)驗(yàn)反演方法基于與植被指數(shù)建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系7FAPAR=min((SR-SRmin)/(SRmax-SRmin),0.95)CASA模型FAPAR=1.2×NDVI-0.187算法R2取得經(jīng)驗(yàn)值方法植被類型參考文獻(xiàn)

FAPAR=1.2×NDVI-0.180.974PAR測(cè)量春小麥，生長(zhǎng)階段Hatfieldetal.,1984

FAPAR=0.6-(2.2×NDVI)+(2.9×NDVI2)-PAR測(cè)量玉米，生長(zhǎng)階段Galloetal.,1985

FAPAR=1.408×NDVI-0.3960.92PAR測(cè)量AlfalalPinter,1993

FAPAR=1.25×NDVI-0.025-Max/Min熱帶雨林/沙漠Ruimyetal.,1994

FAPAR=0.279×SR-0.294-Max/Min冬季Alaska/理論最大值HelmanandKeeling,1989

FAPAR=0.171×SR-0.186-Max/Min高植被/沙漠Sellersetal.,1994

FAPAR=0.248×SR-0.268-Max/Min矮植被/沙漠Sellersetal.,1994

FAPAR=1.24×NDVI-0.23-1D輻射傳輸方程-Breretetal.,1989

FAPAR=1.164×NDVI-0.1430.921D輻射傳輸方程-MyneniandWilliams,1994

FAPAR=1.21×NDVI-0.040.991D輻射傳輸方程-Gowardetal.,1994

FAPAR=1.67×NDVI-0.08-1D輻射傳輸方程-PrinceandGoward,1995

FAPAR=0.105-(0.323×NDVI)+(1.168×NDVI2)0.851D輻射傳輸方程-MoreauandLi,1996

FAPAR=3.257×SAVI-0.070.861D輻射傳輸方程-MoreauandLi,1996

FAPAR=0.846×NDVI-0.080.923D輻射傳輸方程稀疏植被Mynenietal.,1992

FAPAR=1.723×MSAVI-0.1370.9683D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

FAPAR=2.213×(ΔMSAVI)**0.9313D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

FAPAR=1.71×(ΔNDVI)**0.9313D輻射傳輸方程熱帶稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

FAPAR=1-e(LAI(-K))-比爾朗伯定律-Goweretal.,1999

FAPAR=min(

,0.95)其中：SR=(1+NDVI)/(1-NDVI)-CASA模型-Potteretal.,19938表12-1基于植被指數(shù)或LAI的FAPAR不同算法（高彥華，2007）Δ**i為初始和最終植被指數(shù)之差894主要FAPAR產(chǎn)品遙感反演算法MODISFPAR算法（Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998）JRC_FPAR反演方法1010MODISLAI/fAPARalgorithmRTmodel-baseddefine6covertypes(biomes)basedonRT(structure)considerationsgrasses&cerealsshrubsbroadleafcropssavannabroadleafforestneedleforest11

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(shù)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(jī)(random)中度（regular）輕度（minimal）重度（sever）重度（severe）冠層陰影無(wú)部分無(wú)無(wú)有有背景亮度中度亮暗中度暗暗12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1213MODISLAI/fAPARalgorithmhavedifferentVI-parameterrelationshipscanmakeassumptionswithincovertypese.g.,erectophileLADforgrasses/cerealse.g.,layeredcanopyforsavannause1-Dand3DnumericalRTmodels(Myneni)toforward-modelforrangeofLAIresultinLUTofreflectanceasfn.ofview/illuminationanglesandwavelengthLUT~64MBfor6biomes1415161718JRC_FPAR反演方法JRC_FPAR是歐空局聯(lián)合研究中心（EuropeancommissionJointResearchCenter）開(kāi)發(fā)的針對(duì)歐洲的植被狀況的FAPAR產(chǎn)品算法。19基于：連續(xù)植被冠層模型（Gobronetal.,1997）6S模型模擬陸地表面特征（Vermoteetal.,1997）19FAPAR算法步驟：第一：進(jìn)行大氣校正，消除大氣及角度的影響；第二，與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合，計(jì)算FAPAR值。20基于：連續(xù)植被冠層模型（Gobronetal.,1997）6S模型模擬陸地表面特征（Vermoteetal.,1997）2021吸收項(xiàng)由兩部分組成：

植被冠層對(duì)輻射的直接吸收

植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收5FAPAR模型21植被冠層對(duì)輻射的直接吸收假設(shè)土壤為黑背景、太陽(yáng)直射光單次散射反照率：土壤背景冠層下界面冠層上界面22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：向上或向下穿出冠層和繼續(xù)在冠層中發(fā)生碰撞：根據(jù)能量守恒原理，光子吸收的能量和散射的能量之和為1由于

、

只與冠層的平均透過(guò)率有關(guān)，在一定的入射太陽(yáng)天頂角時(shí)，假定G已知，平均透過(guò)率只與LAI有關(guān)，所以再碰撞概率是LAI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(shí)忽略角度

與碰撞次數(shù)對(duì)p的影響，所以再碰撞概率在每次碰撞時(shí)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，在太陽(yáng)天頂角分別為0°，30°，50°時(shí)p的經(jīng)驗(yàn)公式24平均透過(guò)率植被冠層內(nèi)散射向下透射的平均透過(guò)率假定G=0.5，在太陽(yáng)天頂角分別為0°，30°，50°時(shí)經(jīng)驗(yàn)公式25一個(gè)光子在其生命周期內(nèi)的吸收對(duì)于前n次碰撞

由于，對(duì)于無(wú)限次碰撞來(lái)說(shuō)26植被冠層對(duì)光子的攔截概率植被冠層透過(guò)率植被冠層對(duì)光子的攔截概率植被冠層內(nèi)總吸收率27天空散射光

天空散射光比例：天空漫輻射對(duì)目標(biāo)構(gòu)成的輻照度：太陽(yáng)直射輻射對(duì)目標(biāo)構(gòu)成的輻照度28天空散射光天空散射光到達(dá)冠層的輻照度

對(duì)于均勻連續(xù)植被冠層，當(dāng)葉傾角分布為球形分布時(shí)，其與葉面積指數(shù)LAI的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：平均攔截概率：29平均攔截概率天空散射光在植被冠層內(nèi)的吸收為30植被冠層內(nèi)總吸收入射光包含太陽(yáng)直射光和天空散射光，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，則植被冠層內(nèi)部的吸收表示為：31植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收入射光包含太陽(yáng)直射光和天空散射光時(shí)，即在白背景光源下土壤表面冠層上界面冠層下界面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2）經(jīng)植被冠層一次或多次散射后到達(dá)地表的輻射32植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收未與冠層發(fā)生碰撞而直接穿擊冠層到達(dá)地表的輻射比例經(jīng)植被冠層一次或多次散射后到達(dá)地表的輻射比例到達(dá)地表的入射光輻射比例為兩部分所占的比例之和33植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收植被冠層下界面形成的向上的漫輻射比例為向上的漫輻射在植被冠層內(nèi)被吸收的比例為34植被冠層的吸收光合有效輻射比例FAPAR植被冠層對(duì)輻射的直接吸收植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收總吸收35蒙特卡羅模擬對(duì)比驗(yàn)證MC模擬驗(yàn)證結(jié)果:β=036蒙特卡羅模擬對(duì)比驗(yàn)證MC模擬驗(yàn)證結(jié)果:β=0.337蒙特卡羅模擬對(duì)比驗(yàn)證MC模擬驗(yàn)證結(jié)果:β=138非均勻連續(xù)植被FAPAR模型連續(xù)植被和離散植被連續(xù)植被：植被個(gè)體特征不明顯，可以模擬為一個(gè)由均勻散射層構(gòu)成的薄層模型，其典型代表為農(nóng)田。離散植被：植被個(gè)體特征顯著，表現(xiàn)為以個(gè)體隨機(jī)集合為特征的離散型，其典型代表為森林。連續(xù)植被離散植被39非均勻連續(xù)植被FAPAR模型尼爾遜參數(shù)

對(duì)于一個(gè)均勻無(wú)限的冠層，假設(shè)葉片隨機(jī)分布，當(dāng)一束光線穿過(guò)植被冠層，可以用Poisson模型（Nilson，1971）來(lái)計(jì)算孔隙率如果葉片發(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Poisson模型估算的孔隙率會(huì)低估實(shí)際的值40非均勻連續(xù)植被FAPAR模型利用尼爾遜參數(shù)修正

植被冠層對(duì)入射直射光的攔截概率平均攔截概率41非均勻連續(xù)植被FAPAR

植被冠層對(duì)輻射的直接吸收植被-地表多次反彈造成的植被冠層的吸收總吸收42FAPAR算法43FAPARFAPARFAPAR43FAPAR反演輸入?yún)?shù)參數(shù)：LAI尼爾遜（Nils