基於植物光學模型的光合色素多指數協同反演方法研究

《基於植物光學模型的光合色素多指數協同反演方法研究》是依託華東師範大學，由施潤和擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於植物光學模型的光合色素多指數協同反演方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：施潤和
• 依託單位：華東師範大學

項目摘要

植物葉片內的光合色素與其光合作用密切相關，其在巨觀尺度上對陸地生態系統與大氣間的物質和能量交換有重要影響。針對當前光合色素的單一光譜指數存在抗干擾能力弱、尺度效應顯著、森林地區多尺度研究不充分、類胡蘿蔔素物質研究缺乏等問題，本研究選取浙江天童亞熱帶常綠闊葉林為研究區，選取栲樹等當地優勢喬木為研究對象，研究一種以光譜指數法為基礎，將模型模擬、敏感性分析和最最佳化技術相結合的光合色素多指數協同反演新方法，並將其用於葉片、冠層、地塊三個尺度下的葉綠素和類胡蘿蔔素定量反演研究。該方法利用闊葉輻射傳輸模型PROSPECT5，耦合適當的冠層和土壤模型，模擬出不同尺度下與實測光譜具有良好一致性的模擬光譜；通過引入一種全局敏感性分析方法，篩選出若干具有代表性的光譜指數；通過最最佳化方法實現多指數間的協同，從而在一定程度上彌補單一光合色素光譜指數穩定性差的不足，探索該方法對森林植被類胡蘿蔔素多尺度估算的可行性。

結題摘要

本項目以植物葉綠素和類胡蘿蔔素為代表的光合色素為研究對象，開展了基於多個光譜指數的光合色素協同反演方法研究，完成了任務書中規定的研究內容，取得了如下研究成果：（1）開展了植物光學模型模擬數據與實測數據的一致性的比較分析（研究內容1），發現在葉片尺度，基於葉片內部輻射傳輸機理的PROSPECT5模型具有良好的闊葉光譜模擬性能，但葉肉結構參數（N值）作為該模型的輸入參數之一，難以用實測方法獲得，本項目使用了最最佳化的方法得到的N值在某些情況下具有不穩定性，即對於同一批樣品會有少量N值存在明顯偏離，需要引起注意；在冠層尺度，實測數據獲取較少，通過與PROSAIL模型和DART模型的比較發現，冠層鬱閉程度對於光譜數據的一致性具有重要影響，這與研究區林下植被與土壤的複雜性在模型中進行了簡化有關；在地塊尺度，現有星載感測器的光譜解析度無法達到模型模擬的精度，經重採樣後會增加估算的不確定性。（2）開展了基於全局敏感性分析的不同類型光譜指數篩選與構建（研究內容2）。在篩選方面，從大量文獻中蒐集了70種與植物生化參數有關的光譜指數，完成了基於EFAST方法的全局敏感性分析，發現不同光譜指數之間差異顯著，這與指數建立時採用的方法和數據集有關；在構建方面，基於NDVI形式構建了一種能較好消除葉綠素與N值干擾的類胡蘿蔔素光譜指數。（3）開展了葉片和冠層尺度下光合色素多指數協同反演算法的建立與驗證（研究內容3），提出了基於人工神經網路方法的多指數協同反演光合色素方法，與單一指數和多指數線性組合相比，估算精度有明顯提高。總體來說，利用植物光學模型構建多指數協同反演方法開展葉綠素與類胡蘿蔔素定量反演具有可行性，且在估算精度和穩定性上比單一指數有明顯提升，但在不同尺度上存在差異，尚無法得到在各尺度上通用的光譜指數組合。在更具實用性的衛星遙感尺度，定標和大氣訂正精度對於觀測光譜的可靠性影響顯著，進而影響光合色素的估算精度。本項目增加開展了部分國產衛星定標和氣溶膠光學厚度反演與融合方面的研究工作，以提高大氣訂正精度，但與地面測量相比，仍存在難以避免的誤差。