LAI与FAPAR反演-定量遥感精品课程班2015-2

植被叶面积指数与FAPAR遥感反演

——FAPAR遥感模型与反演范闻捷(fanwj@)北京大学遥感所2015.7.1611北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班主要内容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.FAPAR—P遥感模型与反演221.概述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,FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation,）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。通过遥感方式可以获取植被FAPAR。随着遥感传感器分辨率的多样化，遥感可以提供更广泛空间区域和时间范围的FAPAR产品。3基本概念PAR（photosyntheticallyActiveRadiation），光合有效辐射，指陆地植被光合作用所能吸收的从400到700nm的太阳光谱能量。APAR（absorbedphotosyntheticallyActiveRadiation）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。FAPAR（FractionofAbsorbedPhotosyntheticallyActiveRadiation）吸收光合有效辐射比例，植被吸收的光合有效辐射（PAR）占入射太阳辐射的比例。APAR=FAPAR×PAR455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（SUNSCANCanopyAnalysisSystem）ACCUPAR植物群体分析仪6SUNSCAN探测器漫射系数传感器（BeamfractionSensor，BFS）DCT1型掌上电脑（TheWork-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=1.2×NDVI-0.187算法R2取得经验值方法植被类型参考文献

FAPAR=1.2×NDVI-0.180.974PAR测量春小麦，生长阶段Hatfieldetal.,1984

FAPAR=0.6-(2.2×NDVI)+(2.9×NDVI2)-PAR测量玉米，生长阶段Galloetal.,1985

FAPAR=1.408×NDVI-0.3960.92PAR测量AlfalalPinter,1993

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

FAPAR=0.279×SR-0.294-Max/Min冬季Alaska/理论最大值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辐射传输方程-Breretetal.,1989

FAPAR=1.164×NDVI-0.1430.921D辐射传输方程-MyneniandWilliams,1994

FAPAR=1.21×NDVI-0.040.991D辐射传输方程-Gowardetal.,1994

FAPAR=1.67×NDVI-0.08-1D辐射传输方程-PrinceandGoward,1995

FAPAR=0.105-(0.323×NDVI)+(1.168×NDVI2)0.851D辐射传输方程-MoreauandLi,1996

FAPAR=3.257×SAVI-0.070.861D辐射传输方程-MoreauandLi,1996

FAPAR=0.846×NDVI-0.080.923D辐射传输方程稀疏植被Mynenietal.,1992

FAPAR=1.723×MSAVI-0.1370.9683D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

FAPAR=2.213×(ΔMSAVI)**0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

FAPAR=1.71×(ΔNDVI)**0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被BegueandMyneni,1996

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

FAPAR=min(

,0.95)其中：SR=(1+NDVI)/(1-NDVI)-CASA模型-Potteretal.,19938表12-1基于植被指数或LAI的FAPAR不同算法（高彦华，2007）Δ**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MODISFPAR算法（Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998）JRC_FPAR反演方法1010MODISLAI/fAPARalgorithmRTmodel-baseddefine6covertypes(biomes)basedonRT(structure)considerationsgrasses&cerealsshrubsbroadleafcropssavannabroadleafforestneedleforest11

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/fAPARalgorithmhavedifferentVI-parameterrelationshipscanmakeassumptionswithincovertypese.g.,erectophileLADforgrasses/cerealse.g.,layeredcanopyforsavannause1-Dand3DnumericalRTmodels(Myneni)toforward-modelforrangeofLAIresultinLUTofreflectanceasfn.ofview/illuminationanglesandwavelengthLUT~64MBfor6biomes1415161718JRC_FPAR反演方法JRC_FPAR是欧空局联合研究中心（EuropeancommissionJointResearchCenter）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（Gobronetal.,1997）6S模型模拟陆地表面特征（Vermoteetal.,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（Gobronetal.,1997）6S模型模拟陆地表面特征（Vermoteetal.,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5FAPAR模型21植被冠层对辐射的直接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可能的去向：向上或向下穿出冠层和继续在冠层中发生碰撞：根据能量守恒原理，光子吸收的能量和散射的能量之和为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已知，平均透过率只与LAI有关，所以再碰撞概率是LAI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对于前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

对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LAI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）未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射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接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FAPAR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总吸收35蒙特卡罗模拟对比验证MC模拟验证结果:β=036蒙特卡罗模拟对比验证MC模拟验证结果:β=0.337蒙特卡罗模拟对比验证MC模拟验证结果:β=138非均匀连续植被FAPAR模型连续植被和离散植被连续植被：植被个体特征不明显，可以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FAPAR模型尼尔逊参数

对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，可以用Poisson模型（Nilson，1971）来计算孔隙率如果叶片发生群聚，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FAPAR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FAPAR

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总吸收42FAPAR算法43FAPARFAPARFAPAR43FAPAR反演输入参数参数：LAI尼尔逊（Nils