森林fAPAR遥感估算研究——以大别山金寨区为例

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光合有效辐射吸收系数(Fraction of Absorbed Photosynthetically ActiveRadiation,fAPAR)直接反映了植被冠层对光能的截获和吸收能力,是光能利用率模型估算净第一生产力的关键参数,更是陆地生态系统碳循环和碳通量研究的重要参数。森林生态系统作为全球碳库的重要组成部分,在平衡“碳源”和“碳汇”方面起着重要的作用。因此,研究森林fAPAR的遥感估算方法具有理论意义和使用价值。  论文针对大别山金寨样区森林生态系统的特点,选取了专门应用于森林生态系统冠层反射率模拟的辐射传输模型INFORM模型,结合反向人工神经网络(BP-ANN),建立了区域尺度的森林fAPAR遥感估算模型,并利用多种方法对该机理模型进行评价,并基于不同研究区,探讨了基于INFORM-BPANN森林fAPAR遥感估算模型的普适性。其主要内容和结论如下:  (1)针对大别山金寨样区的森林生态系统特点,结合野外实测参量,开展了INFORM模型参数的本地化研究。分析了INFORM模型结果对不同参数的敏感性,确定了适合研究区的模型参数。研究发现,森林密度(SD)、平均冠幅(CD)、叶面积指数(LAI)和冠层高度(H)是模型的敏感性参数。同时,研究还发现,cosi>0.51的样点模拟效果较好,地形扰动大的地区(cosi≤0.51)地形校正效果较差,从而导致模拟结果与实测反射率比较时偏差较大,因此,在山区定量遥感反演中,地形是一个重要的影响因素。  (2)在INFORM模型本地化的基础上,利用模型的敏感性分析结果,定量确定模型的输入参数,开展了研究区森林冠层反射率数据的模拟。针对fAPAR不是INFORM模型直接输入参数的问题,利用野外实测fAPAR与LAI之间的对数函数关系,建立由fAPAR与模拟森林冠层反射率构成的训练数据集,用于训练BP-ANN。构建INFORM-BPANN的森林fAPAR遥感估算模型,并估算分析了大别山金寨样区的森林fAPAR空间分布;估算结果与实测结果比较显示,对于地形扰动小的地区(cosi>0.51),其估算结果较好,估算值和实测值的R2达0.47,RMSE为0.11;而对地形扰动大的地区(cosi≤0.51),R2降到了0.03,RMSE为0.16,地形效应明显。  (3)为了进一步评价基于INFORM-BPANN的fAPAR估算模型的精度和普适性,论文利用基于植被指数的fAPAR经验模型估算结果及现有的MODISfAPAR数据产品,分别与基于INFORM-BPANN模型的估算结果进行比较分析。结果表明,基于经验模型估算的fAPAR与INFORM-BPANN模型估算结果高度相关(R2=0.71),相比MODIS fAPAR产品存在明显的低估现象;将INFORM-BPANN模型应用于天童山样区的森林fAPAR估算,结果表明,估算得到的fAPAR与实测数据总体上具有较好的一致性,但也存在轻微的低估现像。因此,本文构建的基于INFORM-BPANN的fAPAR估算模型在区域尺度上具有较高精度和较强的普适性。  论文的主要创新点为:(1)针对研究区森林生态系统的特点,利用野外实测参量,对INFORM模型参数化和区域化展开研究,提出了INFORM模型的适用条件,实现该模型参数在复杂研究区的本地化;(2)利用INFORM模型模拟森林冠层反射率,结合BP-ANN反演策略,实现从冠层反射率向fAPAR的转化,突破了传统的经验模型和查找表估算方式,提高了fAPAR的反演效率。
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