1、植被叶面积指数与FAPAR遥感反演FAPAR遥感模型与反演范闻捷范闻捷( () )北京大学遥感所北京大学遥感所2015.7.1611北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班主要内容主要内容1. 1. 概述概述2. FAPAR2. FAPAR野外测量野外测量3. FAPAR 3. FAPAR 经验反演方法经验反演方法4. 4. 主要主要FAPARFAPAR遥感遥感产品产品反演算法反演算法5. FAPARP5. FAPARP遥感模型与反演遥感模型与反演221. 概述u研究意义研究意义 植被是陆地生物态系统的主体，是全球生态系统的重要植被是陆地生物态系统的主体，是全球
2、生态系统的重要组成部分。组成部分。 吸收光合有效辐射比例（吸收光合有效辐射比例（FAPAR, Fraction of Absorbed FAPAR, Fraction of Absorbed PhotosyntheticallyPhotosynthetically Active Radiation, Active Radiation,）是表征植被生长状态）是表征植被生长状态的关键参数的关键参数，影响着植被许多生物、物理过程，如光合、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呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获量估算等。 通过遥感方式通过遥感方式可以可以获取植被获取植被F
3、APARFAPAR。随着遥感传感器分。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围的FAPARFAPAR产品。产品。3u基本概念基本概念 PARPAR（photosyntheticallyphotosynthetically Active Radiation Active Radiation），光合有效辐射，光合有效辐射，指陆地植指陆地植被光合作用所能吸收的从被光合作用所能吸收的从400400到到700 nm700 nm的太阳光谱能量。的太阳光谱能量。 APARAPAR（ absorbed absorbed photos
4、yntheticallyphotosynthetically Active Radiation Active Radiation ）吸收光合有效辐吸收光合有效辐射，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。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。 FAPARFAPAR（Fraction of Absorbed Fraction of Absorbed PhotosyntheticallyPhotosynthetically Active Radiation Active Radiation）吸收吸收光合有效辐射比例，植被吸收的光合有效辐射（光合有效辐射比例，植被吸收的
5、光合有效辐射（PARPAR）占入射太阳辐）占入射太阳辐射的比例射的比例。 APAR=FAPARPAR()/TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIII455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（冠层分析系统（SUNSCAN Canopy Analysis System）ACCUPAR 植物群体分析仪植物群体分析仪6()/TOCGroundGroundTOCTOCFAPARIIIIISUNSCAN探测器探测器漫射系数传感器漫射系数传感器（Beam fraction Sensor，BFS）DCT1型
6、掌上电脑型掌上电脑（The Work-about）一个三脚支架一个三脚支架63. FAPAR 经验反演方法 基于基于LAI的经验反演方法的经验反演方法 基于基于与植被指数建立经验关系与植被指数建立经验关系71K LAIFPARe FAPAR= min(SR-SRmin)/( SRmax-SRmin),0.95)CASA 模型模型FAPAR=1.2NDVI-0.187算法R2取得经验值方法植被类型参考文献FAPAR=1.2NDVI-0.180.974PAR测量春小麦，生长阶段Hatfieldetal.,1984FAPAR=0.6-(2.2NDVI)+(2.9NDVI2)-PAR测量玉米，生长阶段
7、Galloetal.,1985FAPAR=1.408NDVI-0.3960.92PAR测量AlfalalPinter,1993FAPAR=1.25NDVI-0.025-Max/Min热带雨林/沙漠Ruimyetal.,1994FAPAR=0.279SR-0.294-Max/Min 冬季Alaska/理论最大值HelmanandKeeling,1989FAPAR=0.171SR-0.186-Max/Min高植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=0.248SR-0.268-Max/Min矮植被/沙漠Sellersetal.,1994FAPAR=1.24NDVI-0.23-1D辐射
8、传输方程-Breretetal.,1989FAPAR=1.164NDVI-0.1430.921D辐射传输方程-MyneniandWilliams,1994FAPAR=1.21NDVI-0.040.991D辐射传输方程-Gowardetal.,1994FAPAR=1.67NDVI-0.08-1D辐射传输方程- PrinceandGoward,1995FAPAR=0.105-(0.323NDVI)+(1.168NDVI2)0.851D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=3.257SAVI-0.070.861D辐射传输方程-MoreauandLi,1996FAPAR=0.846
9、NDVI-0.080.923D辐射传输方程稀疏植被Mynenietal.,1992FAPAR=1.723MSAVI-0.1370.9683D辐射传输方程热带稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=2.213(MSAVI)*0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=1.71(NDVI)*0.9313D辐射传输方程热带稀疏草原植被 BegueandMyneni,1996FAPAR=1-e (LAI(-K)-比尔朗伯定律-Goweretal.,1999FAPAR=min( ,0.95) 其中：SR=(1+NDVI)/(1-N
10、DVI)-CASA模型-Potteretal.,19938表表12-1基于植被指数或基于植被指数或LAI的的FAPAR不同算法（高彦华，不同算法（高彦华，20072007）minmaxminSRSRSRSR*i为初始和最终为初始和最终 植被指数之差植被指数之差894 主要FAPAR产品遥感反演算法 MODIS FPAR算法（算法（Mynenietal1997,Knyazikhinetal1998） JRC_FPAR 反演方法反演方法1010MODIS LAI/fAPAR algorithm RT model-based define 6 cover types (biomes) based o
11、n RT (structure) considerations grasses & cereals shrubs broadleaf crops savanna broadleaf forest needle forest11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
12、有背景亮度中度亮暗中度暗暗12表表12-2 辐射传输模型角度全球陆地植被中的冠层结构分布辐射传输模型角度全球陆地植被中的冠层结构分布1213MODIS LAI/fAPAR algorithm have different VI-parameter relationships can make assumptions within cover types e.g.,erectophileLADforgrasses/cereals e.g.,layeredcanopyforsavanna use 1-D and 3D numerical RT models (Myneni) to forward-
13、model for range of LAI result in LUT of reflectance as fn. of view/illumination angles and wavelength LUT 64MB for 6 biomes1415161718JRC_FPAR 反演方法JRC_FPAR是欧空局联合研究中心是欧空局联合研究中心（European commission Joint Research Center）开发的针对欧洲的植被状况的）开发的针对欧洲的植被状况的FAPAR产品算法。产品算法。19基于：基于：连续植被冠层模型连续植被冠层模型（Gobron et al., 1
14、997）6S模型模拟陆地表面特征模型模拟陆地表面特征（Vermote et al., 1997）19FAPAR算法步骤：算法步骤：第一第一：进行大气校正进行大气校正，消除大气及角度的影响；消除大气及角度的影响；第二，与数学方法相结合，计算第二，与数学方法相结合，计算FAPAR值。值。20基于：基于：连续植被冠层模型（连续植被冠层模型（Gobron et al., 1997）6S模型模拟陆地表面特征（模型模拟陆地表面特征（Vermote et al., 1997）2021iv)(1a)(2a吸收项由两部分组成：吸收项由两部分组成： 植被冠层对辐射的直接吸收植被冠层对辐射的直接吸收 植被植被- -
15、地表多次反弹造成的植被冠层的吸收地表多次反弹造成的植被冠层的吸收)(1a)(2a5 FAPAR5 FAPAR模型模型120.4 0.7( )( )mFAPARaa21植被冠层对辐射的直接吸收植被冠层对辐射的直接吸收假设土壤为黑背景、太阳直射光假设土壤为黑背景、太阳直射光单次散射反照率：单次散射反照率：iv2q1qpa土壤背景土壤背景冠层下界面冠层下界面冠层上界面冠层上界面 lllr 22再碰撞概率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穿出冠层和继续在冠层中发生碰撞：根据根据能量守恒能量
16、守恒原理原理，光子吸收的能量和散射的能量之和为，光子吸收的能量和散射的能量之和为1 112+ () 1alp qq 121qqp321ppp1q2q由于由于 、 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 G已知，平均透过率只与已知，平均透过率只与LAILAI有关，所以再碰撞概率是有关，所以再碰撞概率是LAILAI的函数，与碰撞次的函数，与碰撞次数、波段等因素无关，在本文中暂时忽略数、波段等因素无关，在本文中暂时忽略角度角度 与碰撞次数对与碰撞次数对p p的影响，所以的影响，所以再再碰撞概率在每次碰撞时都是相等的碰撞概率
17、在每次碰撞时都是相等的，即，即23再碰撞概率再碰撞概率Stenberg (2005) Pmax=0.88，k=0.7，b=0.75假定假定G=0.5，在太阳天顶角分别为，在太阳天顶角分别为0，30，50时时p的经验的经验公式公式)exp(1maxbLAIkppLAI)exp(-0.710.66- LAI)exp(0.01550.7p:0 LAI)exp(-0.780.66- LAI)exp(0.0140.71p :30LAI)exp(-0.80.66- LAI)exp(0.010.7p:5024平均透过率平均透过率植被冠层内散射向下透射的平均透过率植被冠层内散射向下透射的平均透过率假定假定G=
18、0.5，在太阳天顶角分别为，在太阳天顶角分别为0，30，50时时经验公式经验公式2qLAI)0.4775- exp(0.4174 = q02：LAI)0.5031- exp(0.4234 = q302：LAI)0.54- exp(0.4275 = q502：25一个光子在其生命周期内的吸收一个光子在其生命周期内的吸收对于前对于前n n次碰撞次碰撞 )1 ()()1 ()()1 ()1 ()(12ncpppappanc1)(1)1 ()(pac11)(10 p由于由于 ，对于无限次碰撞来说，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对光子的拦截概率植被冠层透过率植被冠层透过率植被冠层
19、对光子的拦截概率植被冠层对光子的拦截概率植被冠层植被冠层内总吸收率内总吸收率 01 expiiGiLAI )exp(LAIGPii透过)(1)(1)(01llpia27天空散射光天空散射光 天空散射光比例天空散射光比例=iEFE：天空漫辐射对目标构成的辐照度：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：太阳直射辐射对目标构成的辐照度EiF28天空散射光天空散射光天空散射光到达冠层的辐照度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对于均匀连续植被冠层，当叶倾角分布为球形分布时，其，其与叶与叶面积指数面积指数LAILAI的经验关系的经验关系为：为：
20、平均拦截概率平均拦截概率：deLmLAIGiai)1 (coscos2aLi9 . 08 . 001LAIeiMemLAI)1 (9 . 08 . 0)(aLM29)(1)(10llpia平均拦截概率平均拦截概率天空散射光在植被冠层内的吸收为天空散射光在植被冠层内的吸收为9 . 08 . 001LAIei30)(1)(1)1 ()(1)(1)(001llllpipia植被冠层内总吸收植被冠层内总吸收入射光包含入射光包含太阳直射光太阳直射光和和天空散射光天空散射光，入射光在植被冠层内被，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
21、部，则植被冠层内部的吸收表示为：的吸收表示为：31植被植被- -地表多次反弹造成的植被冠层的吸收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，即在白背景光源下时，即在白背景光源下土壤表面土壤表面grcriv冠层上界面冠层上界面冠层下界面冠层下界面1 1）未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射2 2）经植被冠层一次或多次经植被冠层一次或多次散射后散射后到达地表的辐射到达地表的辐射32植被植被- -地表多次反弹造成的植被冠层的吸收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
22、地表的辐射未与冠层发生碰撞而直接穿击冠层到达地表的辐射比例比例经植被冠层一次或多次经植被冠层一次或多次散射后散射后到达地表的辐射到达地表的辐射比例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到达地表的入射光辐射比例为两部分所占的比例之和)1 ()1 ()1 (001iif21fffpqppipqppif11)1 ()1 (11)1 (2020233植被植被- -地表多次反弹造成的植被冠层的吸收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植被冠层下界面形成的向上的漫辐射比例为 cggcgcggrrrfrrrrrff1)(232llcggpirrrfa111)(02
23、向上的漫辐射在植被冠层内被吸收的比例为向上的漫辐射在植被冠层内被吸收的比例为34植被冠层的吸收植被冠层的吸收光合有效辐射比例光合有效辐射比例FAPARFAPAR植被冠层对辐射的直接吸收植被冠层对辐射的直接吸收植被植被- -地表多次反弹造成的植被冠层的吸收地表多次反弹造成的植被冠层的吸收总吸收总吸收llcggpirrrfa111)(02)(1)(1)1 ()(1)(1)(001llllpipia120.4 0.7( )( )mFAPARaa35蒙特卡罗模拟对比验证蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果模拟验证结果: : =036蒙特卡罗模拟对比验证蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果模拟验
24、证结果: : =0.337蒙特卡罗模拟对比验证蒙特卡罗模拟对比验证MCMC模拟验证结果模拟验证结果: : =138非均匀连续植被非均匀连续植被FAPARFAPAR模型模型连续植被和离散植被连续植被和离散植被连续植被连续植被：植被个体特征不明显，可以模拟为一个由均匀散射：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。层构成的薄层模型，其典型代表为农田。离散植被离散植被：植被个体特征显著，表现为以个体随机集合为特征：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。的离散型，其典型代表为森林。连续植被连续植被 离散植被离散植被39非均匀连续植
25、被非均匀连续植被FAPARFAPAR模型模型尼尔逊参数尼尔逊参数 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，可以用过植被冠层，可以用Poisson模型（模型（Nilson，1971）来计算孔隙率）来计算孔隙率 aLAIGP)()(exp)(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，导致利用截光面积减少，导致利用Poisson模型估算的孔隙率会低估实际模型估算的孔隙率会低估实际的值的值 aLAIGP)()()(exp)(40非均匀连续植被非
26、均匀连续植被FAPARFAPAR模型模型利用尼尔逊参数修正利用尼尔逊参数修正 植被冠层对入射直射光的拦截概率植被冠层对入射直射光的拦截概率平均拦截概率平均拦截概率aiiiLAIGiexp1)(0deiaiiLAIG)1 (cossin2)()(20041非均匀连续植被非均匀连续植被FAPARFAPAR 植被冠层对辐射的直接吸收植被冠层对辐射的直接吸收植被植被- -地表多次反弹造成的植被冠层的吸收地表多次反弹造成的植被冠层的吸收总吸收总吸收)(1)(1)()1 ()(1)(1)(),(001llllpipiallcggpirrrfa11)(1),(0*2120.40.7( ,)( ,)mFAPA
27、Raa 42FAPAR算法算法43FAPARFAPARFAPARFAPARFAPARFAPAR43FAPAR反演反演输入输入参数参数：参数参数：LAI尼尔逊（尼尔逊（Nilson）参数）参数G函数函数叶片反射率、叶片透过率、土壤反射率叶片反射率、叶片透过率、土壤反射率太阳天顶角太阳天顶角再碰撞概率再碰撞概率天空散射光比例天空散射光比例44FAPAR计算计算结果验证结果验证HJ-1BHJ-1B卫星过境卫星过境时间：时间：11:5211:527 7月月8 8号地面观测：号地面观测：1313点点-17-17点点45LAI与与FAPAR算法算法1km4620122012年黑河流域年黑河流域1km LAI1km LAI分布分布20122012年黑河流域年黑河流域1kmFPAR1kmFPAR分布分布46Thank you for you attention!Institute of Remote Sensing and Geographical Information System, Peking UniversityInstitute of Remote Sensing and Geographical Information System, Peking University
