【摘要】：草地生產(chǎn)力是草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ),為草原所有有機(jī)體生命提供了最基本的生產(chǎn)資料。草地生產(chǎn)力研究為合理開發(fā)、利用草地資源提供了科學(xué)依據(jù)。遙感技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了草地生產(chǎn)力模型產(chǎn)品的發(fā)展和廣泛使用,其中,光能利用率(LUE)模型由于其簡單的原理和可以使用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大尺度監(jiān)測成為植被生產(chǎn)力估算主要方法。雖然LUE模型都遵循相同的原理,但模型為了突出各自特點(diǎn)使用不同的公式和參數(shù)化方案,模型對不同生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的模擬能力也有較大差異。開展草地生產(chǎn)力及其關(guān)鍵光合參數(shù)(葉面積指數(shù)(LAI)、吸收光合有效輻射比例(FPAR)和LUE)的遙感產(chǎn)品驗(yàn)證及反演研究對于促進(jìn)遙感產(chǎn)品在中國草原區(qū)深度使用并提高草地生產(chǎn)力模擬精度有重要意義。本研究緊密圍繞草地生產(chǎn)力及其關(guān)鍵參數(shù)(LAI/FPAR/LUE)反演與驗(yàn)證方法研究,開展了國際主流遙感產(chǎn)品驗(yàn)證及光合參數(shù)遙感反演工作;基于中國北方草地定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)與地面實(shí)驗(yàn)資料,結(jié)合國內(nèi)外多源多尺度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(環(huán)境、哨兵-2、Landsat78、MODIS、GOME-2等),進(jìn)行了中國北方草原區(qū)總初級生產(chǎn)力(GPP)/LAI/FPAR遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)和誤差來源分析;針對遙感產(chǎn)品存在的問題,通過多算法對比,發(fā)展了適合于中國北方草原的LAI/FPAR反演模型,探索了基于光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)和日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?SIF)的草地LUE/GPP遙感反演算法,研究主要結(jié)論如下:1.基于Chinaflux和Fluxnet渦度數(shù)據(jù)開展了中國北方草原區(qū)GPP遙感產(chǎn)品驗(yàn)證與誤差來源分析。結(jié)果顯示,不同GPP產(chǎn)品在不同草地類型表現(xiàn)各異。從總體精度上來看,BESS GPPMODIS GPPVPM GPP。在高寒草甸草原,VPM GPP和MODIS GPP產(chǎn)品有輕微低估,但在位于干旱、半干旱的典型草原區(qū),三個產(chǎn)品均有不同程度的高估,干旱年份高估更加嚴(yán)重。通過誤差來源分析發(fā)現(xiàn),MODIS GPP產(chǎn)品較大的波動主要是由于做為產(chǎn)品模型輸入的FPAR和飽和水汽壓差(VPD)兩個參數(shù)較劇烈的波動導(dǎo)致;VPM GPP產(chǎn)品在生長季中期較大的偏差是由于MODIS EVI產(chǎn)品在生長季中期與渦度GPP時間變化明顯不一致引起;另外,產(chǎn)品模型輸入?yún)?shù)對干旱敏感性不如GPP對干旱條件的敏感導(dǎo)致了三個產(chǎn)品在干旱年份相比于正常年份有更嚴(yán)重的高估。2.LAI/FPAR遙感產(chǎn)品做為LUE模型和MODIS GPP產(chǎn)品重要輸入,開展對相關(guān)產(chǎn)品驗(yàn)證對理解產(chǎn)品誤差來源有重要意義。結(jié)合呼倫貝爾站和全國遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)網(wǎng)觀測數(shù)據(jù),開展了針對VEGETATION GEOV1和MODIS LAI/FPAR產(chǎn)品的驗(yàn)證。結(jié)果表明GEOV1 LAI產(chǎn)品相對于MODIS LAI產(chǎn)品更接近于地面測量情況,兩個產(chǎn)品在草甸草原有40%-50%的高估,另外MODIS LAI產(chǎn)品在LAI值大于3.0 m~2/m~2的情況下有明顯的低估。針對FPAR產(chǎn)品,MODIS FPAR產(chǎn)品相對于GEOV1 FPAR產(chǎn)品更接近于地面測量情況,兩個產(chǎn)品在農(nóng)田和針葉林站點(diǎn)精度較高,但在草甸草原有40%-50%的高估。另外、MODIS LAI/FPAR產(chǎn)品都表現(xiàn)出了較大波動的年度變化曲線。通過誤差來源分析發(fā)現(xiàn),模型輸入反射率產(chǎn)品的不確定性(較粗的空間分辨率)、模擬反射率值和測量反射率值之間的不一致性以及較短的時間分辨率(8天)是導(dǎo)致MODIS LAI/FPAR產(chǎn)品異常波動的主要原因。3.開展了呼倫貝爾草甸草原LAI遙感反演算法對比和高時空分辨率制圖。首先,發(fā)展了基于偏最小二乘回歸(PLSR)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、隨機(jī)森林(RF)、輻射傳輸模型和地統(tǒng)計(jì)方法對草甸草原LAI的反演算法,并對模型表現(xiàn)進(jìn)行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn):地統(tǒng)計(jì)方法精度最高,但需要大量地面數(shù)據(jù)支持,模型僅對建模地區(qū)和建模時間有效,不能用于其他情景;隨機(jī)森林法表現(xiàn)了較高的精度和很好的穩(wěn)定性,在植被冠層參數(shù)反演上表現(xiàn)出了很大的潛力;輻射傳輸模型在不同空間分辨率LAI反演上都有較高的精度,但該算法比較耗時、對計(jì)算機(jī)要求比較高、在大尺度上精度還有待驗(yàn)證。另外結(jié)果還發(fā)現(xiàn)Sentinel-2和Landsat數(shù)據(jù)有很好的一致性,Sentinel-2數(shù)據(jù)的使用能有效的增加地面觀測頻率�；诎l(fā)展的LAI反演算法,論文還利用了時間自適應(yīng)反射率融合模型(STARFM)與LAI反演輻射傳輸模型(PROSAIL)對Landsat、Sentinel-2和MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合生成了每天30m分辨率的草地LAI數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示,STARFM融合算法在均質(zhì)草地上有較好的表現(xiàn),但對于異質(zhì)性較強(qiáng)的地表融合效果較差。4.開展了兩種基于遙感方法(PRI方法和熒光方法)的中國北方草地LUE和GPP反演研究。通過建立PRI-LUE關(guān)系發(fā)現(xiàn),衛(wèi)星觀測角度和冠層結(jié)構(gòu)都對PRI-LUE關(guān)系有較大影響。雖然PRI和LUE展現(xiàn)了一定的相關(guān)性,而且加入氣象因子會提高兩者關(guān)系,但相比于EVI和NDVI等植被指數(shù)并沒有展現(xiàn)明顯的優(yōu)勢,利用PRI在大尺度反演植被LUE和GPP還有較大困難。而通過熒光數(shù)據(jù)來估算LUE和GPP在8天尺度和月尺度上都有非常好的相關(guān)性,通過熒光方法來估算LUE和GPP較適用于植被覆蓋度較高區(qū)域,對于植被覆蓋度較低的區(qū)域仍存在較大不確定性。研究對于提高草原生產(chǎn)力遙感模擬精度以及遙感產(chǎn)品在中國草原區(qū)的應(yīng)用提供了理論依據(jù),同時也為中國北方草地生產(chǎn)力和碳循環(huán)模擬監(jiān)測提供了新的手段,將對全球碳循環(huán)研究具有重要意義。
【圖文】：

開展了 LAI 反演研究，并開展了模型在篩選預(yù)測變量和對高相關(guān)變量敏感性分析。然后開展了基于 HJ 影像的偏最小二乘回歸（PLSR），人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、隨機(jī)森林（RF）和地統(tǒng)計(jì)方法在草甸草原 LAI 反演算法對比研究，并針對對不同模型參數(shù)、不同牧場類型和草地不同生長階段模型表現(xiàn)進(jìn)行了評估。第五章 融合 Landsat/Sentinel-2/MODIS 數(shù)據(jù)生成高時空 LAI 數(shù)據(jù)集。利用時間自適應(yīng)反射率融合模型（STARFM）與 LAI 反演輻射傳輸模型（PROSAIL）對 Landsat、Sentinel-2 和 MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行融合生成每天 30m 分辨率的草地 LAI 數(shù)據(jù)，并利用地面觀測數(shù)據(jù)評價(jià)了 PROSAIL 模型和 STARFM 模型的表現(xiàn)。第六章 基于 MODIS-PRI 數(shù)據(jù)的中國北方草地 LUE 遙感反演。開展了基于 MODIS-PRI 的中國北方植被 LUE 反演研究。分析了傳感器觀測角度和冠層結(jié)構(gòu)對 PRI-LUE 關(guān)系的影響，并嘗試通過加入氣象因子來提高 PRI-LUE 關(guān)系。第七章 基于熒光數(shù)據(jù)的中國北方草地 LUE 和 GPP 遙感反演。利用 GOME-2 熒光數(shù)據(jù)建立與三個 GPP 產(chǎn)品的關(guān)系，從 8 天尺度和月尺度來評價(jià) SIF-GPP 在不同生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)系，并同兩個植被指數(shù)（EVI2 和 NDVI）反演 GPP 進(jìn)行了對比。最后嘗試通過結(jié)合 PRI 和 SIF 來共同反演 LUE 和 GPP。第八章 結(jié)論與展望。對全文研究結(jié)論和不足進(jìn)行總結(jié)，并對下一步的研究工作進(jìn)行展望。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士學(xué)位論文 第二章 基于地面渦度數(shù)據(jù)的中國區(qū)GPP遙感產(chǎn)品驗(yàn)證2.3.2 GPP 8 天產(chǎn)品直接驗(yàn)證通過將三個 GPP 產(chǎn)品與 8 天平均渦度數(shù)據(jù)直接對比，可進(jìn)一步評價(jià)產(chǎn)品精度，對比散點(diǎn)圖如圖 2.2 所示，驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表 2.2。結(jié)果顯示，三個產(chǎn)品與渦度 GPP 都有非常好的相關(guān)性，除鼎湖山和西雙版納兩個站點(diǎn)外，R2均能達(dá)到 0.75 以上。但三個產(chǎn)品在不同的生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)各不相同。在森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，VPM GPP 與渦度 GPP 的散點(diǎn)回歸線更接近于 1:1 線，而且在三個產(chǎn)品中與渦度數(shù)據(jù)有最小的偏差（RMSE 和 MAE），說明 VPM GPP 產(chǎn)品在這兩個生態(tài)系統(tǒng)有較高的精度，BESS GPP 產(chǎn)品表現(xiàn)次之，MODIS GPP 明顯低估渦度 GPP，表現(xiàn)最差（相對另兩個產(chǎn)品更大的 RMSE 和 MAE 值）。在草地生態(tài)系統(tǒng)，BESS GPP 產(chǎn)品和 MODIS GPP 產(chǎn)品比VPM GPP 產(chǎn)品表現(xiàn)要更接近與渦度 GPP，，BESS GPP 產(chǎn)品與渦度數(shù)據(jù)有最小的 RMSE 和 MAE值（多倫站除外），表現(xiàn)最好，MODIS GPP 產(chǎn)品次之。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP79;S812

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2681695