LAI与FAPAR反演-定量遥感精品课程班2015-2
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
e.g., erectophile LAD for grasses/cereals e.g., layered canopy for savanna
use 1-D and 3D numerical RT models (Myneni) to forward-model for range of LAI result in LUT of reflectance as fn. of view/illumination angles and wavelength LUT ~ 64MB for 6 biomes
14
15
16
17
18
JRC_FPAR 反演方法
JRC_FPAR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 FAPAR产品算法。
基于：连续植被冠层模型 （Gobron et al., 1997） 6S模型模拟陆地表面特征 （Vermote et al., 1997）
RT model-based define 6 cover types (biomes) based on RT (structure) considerations
grasses & cereals shrubs broadleaf crops savanna broadleaf forest needle forest
30 : p 0.71 exp(0.014 LAI)- 0.66 exp(-0.78 LAI)
50 : p 0.7 exp(0.01 LAI)- 0.66 exp(-0.8 LAI)
24
•平均透过率
植被冠层内散射向下透射的平均透过率 q2 假定G=0.5，在太阳天顶角分别为0°，30°，50°时经验公式
FAPAR（Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation）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×PAR
FAPAR ( I
TOC
I
Ground
I
Ground
北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班
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@pku.edu.cn) 北京大学遥感所 2015.7.16
1
1
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
a2 ( )
吸收项由两部分组成：
植被冠层对辐射的直接吸收 a1 ( ) 植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收 a2 ( )
FAPAR
0.40.7 m
(a1 ( ) a2 ( ))
21
21
植被冠层对辐射的直接吸收
i
v
q1
p
冠层上界面
a q2
冠层下界面 土壤背景
草地 是 是 轻度 轻度 随机 中度 重度 重度 （minima （minimal） (random) （regular） （sever）（severe） l） 无 部分 无 无 有 有 中度 亮 暗 中度 暗 暗
12
12
13
MODIS LAI/fAPAR algorithm
have different VI-parameter relationships can make assumptions within cover types
R2
取得经验值方法
0.974 PAR 测量 PAR 测量
植被类型
春小麦，生长阶段 玉米，生长阶段
参考文献
Hatfield et al.,1984 Gallo et al.,1985
0.92 -
PAR 测量 Max/Min
Alfalal 热带雨林/沙漠
Pinter,1993 Ruimy et al.,1994 Helman and Keeling,1989 Sellers et al.,1994 Sellers et al.,1994 Breret et al.,1989 Myneni and Williams,1994 Goward et al.,1994 Moreau and Li,1996
,0.95) 其中： SR=(1+NDVI)/(1-NDVI)
8
8
Δ**i为初始和最终 植被指数之差
9
4 主要FAPAR产品遥感反演算法
• MODIS FPAR算法（Myneni et al 1997, Knyazikhin et al 1998） • JRC_FPAR 反演方法
10
10
MODIS LAI/fAPAR algorithm
11
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
草地和谷类 作物 否 100% 否 否 否 灌木类 是 20-60% 否 否 否 阔叶作物 不确定 10-100% 否 否 否 草原 是 20-40% 是 绿色茎 阔叶林 是 >70% 是 是 针叶林 是 >70% 是 是
水平均一 地面覆盖度 竖直均一 （叶子光谱 和叶倾角） 茎/树干 下层植被 植被群聚 冠层阴影 背景亮度
19
19
•基于：连续植被冠层模型（Gobron et al., 1997）
•6S模型模拟陆地表面特征（Vermote et al., 1997）
FAPAR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
20
5 FAPAR模型
i
v
a1 ( )
2
2
1. 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, Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation, ）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。
6 FAPAR ( ITOC I Ground I Ground ITOC ) / ITOC
6
3. FAPAR 经验反演方法
• 基于LAI的经验反演方法
FPAR 1 e
K LAI
• 基于与植被指数建立经验关系
FAPAR= min((SR-SRmin)/( SRmax-SRmin),0.95) CASA 模型
Max/Min 冬季Alaska/理论最大值
FAPAR=0.171×SR-0.186
FAPAR=0.248×SR-0.268 FAPAR=1.24×NDVI-0.23 FAPAR=1.164×NDVI-0.143 FAPAR=1.21×NDVI-0.04 FAPAR=1.67×NDVI-0.08 FAPAR=0.105(0.323×NDVI)+(1.168×ND VI2) FAPAR=3.257×SAVI-0.07 FAPAR=0.846×NDVI-0.08 FAPAR=1.723×MSAVI0.137 FAPAR=2.213×(ΔMSAVI)** FAPAR=1.71×(ΔNDVI)** FAPAR=1-e (LAI(-K)) FAPAR=min(
假设土壤为黑背景、太阳直射光 单次散射反照率：
l rl l
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：
p q1 q2 1
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
a +l (p q1 q2 ) 1
SR SRmin SRmax SRmin
0.92 0.99 0.85
Max/Min
Max/Min 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程
高植被/沙漠
矮植被/沙漠 -
- Prince and Goward,1995
0.86 0.92 0.968 0.931 0.931 -
由于q1 、q2 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
p1 p2 p3
23
•再碰பைடு நூலகம்概率
对于前n次碰撞
1 (p) n ac ( ) (1 ) 1 p
由于 0＜p＜1 ，对于无限次碰撞来说
ac ( )
1 1 p
26
•植被冠层对光子的拦截概率
植被冠层透过率
P透过 exp( Gi
i
LAI )
植被冠层对光子的拦截概率 i0 1 exp
FAPAR=1.2×NDVI-0.18
7
7
表12-1基于植被指数或LAI的FAPAR不同算法（高彦华，2007）
算法
FAPAR=1.2×NDVI-0.18 FAPAR=0.6(2.2×NDVI)+(2.9×NDVI2) FAPAR=1.408×NDVI-0.396 FAPAR=1.25×NDVI-0.025 FAPAR=0.279×SR-0.294
1D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 比尔朗伯定律 CASA 模型
稀疏植被
Moreau and Li,1996 Myneni et al.,1992
热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 Gower et al.,1999 Potter et al.,1993
I
TOC
)/I
TOC
4
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
5
5
2. FAPAR野外测量
SUNSCAN冠层分析系统（SUNSCAN Canopy Analysis System） ACCUPAR 植物群体分析仪
SUNSCAN探测器 漫射系数传感器 （Beam fraction Sensor，BFS） DCT1型掌上电脑 （The Work-about） 一个三脚支架
0：q 2 = 0.4174 exp(- 0.4775 LAI)
30：q 2 = 0.4234 exp( - 0.5031 LAI)
50：q 2 = 0.4275 exp( - 0.54 LAI)
25
•一个光子在其生命周期内的吸收
ac () (1 ) p(1 ) (p) 2 (1 ) (p) n1 (1 )
Stenberg (2005) p pmax 1 exp(k LAI b )
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
0 : p 0.7 exp(0.0155 LAI)- 0.66 exp(-0.71 LAI)
Gi
LAI i
植被冠层内总吸收率
1 l ( ) a1 ( ) i0 1 pl ( )
27
•天空散射光
天空散射光比例
=
E i F E
E ：天空漫辐射对目标构成的辐照度
i F ：太阳直射辐射对目标构成的辐照度
3
基本概念
PAR（photosynthetically Active Radiation），光合有效辐射，指陆地植 被光合作用所能吸收的从400到700 nm的太阳光谱能量。 APAR（ absorbed photosynthetically Active Radiation ）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。
use 1-D and 3D numerical RT models (Myneni) to forward-model for range of LAI result in LUT of reflectance as fn. of view/illumination angles and wavelength LUT ~ 64MB for 6 biomes
14
15
16
17
18
JRC_FPAR 反演方法
JRC_FPAR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 FAPAR产品算法。
基于：连续植被冠层模型 （Gobron et al., 1997） 6S模型模拟陆地表面特征 （Vermote et al., 1997）
RT model-based define 6 cover types (biomes) based on RT (structure) considerations
grasses & cereals shrubs broadleaf crops savanna broadleaf forest needle forest
30 : p 0.71 exp(0.014 LAI)- 0.66 exp(-0.78 LAI)
50 : p 0.7 exp(0.01 LAI)- 0.66 exp(-0.8 LAI)
24
•平均透过率
植被冠层内散射向下透射的平均透过率 q2 假定G=0.5，在太阳天顶角分别为0°，30°，50°时经验公式
FAPAR（Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation）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×PAR
FAPAR ( I
TOC
I
Ground
I
Ground
北京大学暑期研究生定量遥感精品课程班
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@pku.edu.cn) 北京大学遥感所 2015.7.16
1
1
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
a2 ( )
吸收项由两部分组成：
植被冠层对辐射的直接吸收 a1 ( ) 植被-地表多次反弹造成的植被冠层的吸收 a2 ( )
FAPAR
0.40.7 m
(a1 ( ) a2 ( ))
21
21
植被冠层对辐射的直接吸收
i
v
q1
p
冠层上界面
a q2
冠层下界面 土壤背景
草地 是 是 轻度 轻度 随机 中度 重度 重度 （minima （minimal） (random) （regular） （sever）（severe） l） 无 部分 无 无 有 有 中度 亮 暗 中度 暗 暗
12
12
13
MODIS LAI/fAPAR algorithm
have different VI-parameter relationships can make assumptions within cover types
R2
取得经验值方法
0.974 PAR 测量 PAR 测量
植被类型
春小麦，生长阶段 玉米，生长阶段
参考文献
Hatfield et al.,1984 Gallo et al.,1985
0.92 -
PAR 测量 Max/Min
Alfalal 热带雨林/沙漠
Pinter,1993 Ruimy et al.,1994 Helman and Keeling,1989 Sellers et al.,1994 Sellers et al.,1994 Breret et al.,1989 Myneni and Williams,1994 Goward et al.,1994 Moreau and Li,1996
,0.95) 其中： SR=(1+NDVI)/(1-NDVI)
8
8
Δ**i为初始和最终 植被指数之差
9
4 主要FAPAR产品遥感反演算法
• MODIS FPAR算法（Myneni et al 1997, Knyazikhin et al 1998） • JRC_FPAR 反演方法
10
10
MODIS LAI/fAPAR algorithm
11
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
草地和谷类 作物 否 100% 否 否 否 灌木类 是 20-60% 否 否 否 阔叶作物 不确定 10-100% 否 否 否 草原 是 20-40% 是 绿色茎 阔叶林 是 >70% 是 是 针叶林 是 >70% 是 是
水平均一 地面覆盖度 竖直均一 （叶子光谱 和叶倾角） 茎/树干 下层植被 植被群聚 冠层阴影 背景亮度
19
19
•基于：连续植被冠层模型（Gobron et al., 1997）
•6S模型模拟陆地表面特征（Vermote et al., 1997）
FAPAR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
20
5 FAPAR模型
i
v
a1 ( )
2
2
1. 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, Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation, ）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。
6 FAPAR ( ITOC I Ground I Ground ITOC ) / ITOC
6
3. FAPAR 经验反演方法
• 基于LAI的经验反演方法
FPAR 1 e
K LAI
• 基于与植被指数建立经验关系
FAPAR= min((SR-SRmin)/( SRmax-SRmin),0.95) CASA 模型
Max/Min 冬季Alaska/理论最大值
FAPAR=0.171×SR-0.186
FAPAR=0.248×SR-0.268 FAPAR=1.24×NDVI-0.23 FAPAR=1.164×NDVI-0.143 FAPAR=1.21×NDVI-0.04 FAPAR=1.67×NDVI-0.08 FAPAR=0.105(0.323×NDVI)+(1.168×ND VI2) FAPAR=3.257×SAVI-0.07 FAPAR=0.846×NDVI-0.08 FAPAR=1.723×MSAVI0.137 FAPAR=2.213×(ΔMSAVI)** FAPAR=1.71×(ΔNDVI)** FAPAR=1-e (LAI(-K)) FAPAR=min(
假设土壤为黑背景、太阳直射光 单次散射反照率：
l rl l
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：
p q1 q2 1
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
a +l (p q1 q2 ) 1
SR SRmin SRmax SRmin
0.92 0.99 0.85
Max/Min
Max/Min 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程 1D辐射传输方程
高植被/沙漠
矮植被/沙漠 -
- Prince and Goward,1995
0.86 0.92 0.968 0.931 0.931 -
由于q1 、q2 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
p1 p2 p3
23
•再碰பைடு நூலகம்概率
对于前n次碰撞
1 (p) n ac ( ) (1 ) 1 p
由于 0＜p＜1 ，对于无限次碰撞来说
ac ( )
1 1 p
26
•植被冠层对光子的拦截概率
植被冠层透过率
P透过 exp( Gi
i
LAI )
植被冠层对光子的拦截概率 i0 1 exp
FAPAR=1.2×NDVI-0.18
7
7
表12-1基于植被指数或LAI的FAPAR不同算法（高彦华，2007）
算法
FAPAR=1.2×NDVI-0.18 FAPAR=0.6(2.2×NDVI)+(2.9×NDVI2) FAPAR=1.408×NDVI-0.396 FAPAR=1.25×NDVI-0.025 FAPAR=0.279×SR-0.294
1D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 3D辐射传输方程 比尔朗伯定律 CASA 模型
稀疏植被
Moreau and Li,1996 Myneni et al.,1992
热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 热带稀疏草原植被 Begue and Myneni,1996 Gower et al.,1999 Potter et al.,1993
I
TOC
)/I
TOC
4
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
5
5
2. FAPAR野外测量
SUNSCAN冠层分析系统（SUNSCAN Canopy Analysis System） ACCUPAR 植物群体分析仪
SUNSCAN探测器 漫射系数传感器 （Beam fraction Sensor，BFS） DCT1型掌上电脑 （The Work-about） 一个三脚支架
0：q 2 = 0.4174 exp(- 0.4775 LAI)
30：q 2 = 0.4234 exp( - 0.5031 LAI)
50：q 2 = 0.4275 exp( - 0.54 LAI)
25
•一个光子在其生命周期内的吸收
ac () (1 ) p(1 ) (p) 2 (1 ) (p) n1 (1 )
Stenberg (2005) p pmax 1 exp(k LAI b )
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
0 : p 0.7 exp(0.0155 LAI)- 0.66 exp(-0.71 LAI)
Gi
LAI i
植被冠层内总吸收率
1 l ( ) a1 ( ) i0 1 pl ( )
27
•天空散射光
天空散射光比例
=
E i F E
E ：天空漫辐射对目标构成的辐照度
i F ：太阳直射辐射对目标构成的辐照度
3
基本概念
PAR（photosynthetically Active Radiation），光合有效辐射，指陆地植 被光合作用所能吸收的从400到700 nm的太阳光谱能量。 APAR（ absorbed photosynthetically Active Radiation ）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。