叶片光化学植被指数(PRI)的修正及其敏感性分析

光化学植被指数(PRI)被成功的应用于估算不同叶片生化组分的光能利用率(LUE),这些生化组分包括叶片含水量、氮元素浓度等。以往的研究中已经成功建立了叶片、冠层和景观尺度PRI和LUE的相关关系。但是,为了利用PRI更加准确地估算叶片LUE,很多问题仍然亟需解决,比如当LUE高于0.03mol CO2 mol-1PPFD(photosynthetic photon flux density),PRI会出现一个明显的饱和区域以及PRI和LUE关系会随季节发生较大变化。文章对PRI进行了修正,并基于PROSPECT模型对这一修正形式进行了4个参数的敏感性分析。分析结果表明,叶片SR-PRI(Simple ratio PRI)对叶肉结构参数(N)、叶绿素浓度(cab)敏感性要高于叶片的等效水厚(cw)和干物质浓度(cm)。因此叶肉结构参数(N)和叶绿素浓度(cab)的微小变化都会造成SR-PRI的较大变化,进而影响到LUE的估算精度。对SR-PRI的实证实验表明,这一指数也能够很好地用来估算叶片的光能利用率并且结果要优于PRI和LUE之间的相关关系。SR-PRI最重要的一方面在于其更清晰的物理意义和对531nm处反射率变化的敏感性,因为这一波段位置的反射率变化是评价光能利用率的核心参数。

不同氮、钾施肥处理对小麦光能利用率和光化学植被指数(PRI)关系的影响

光化学植被指数PRI(photochemical reflectance index)为估算植被的光能利用率LUE(light use effi-ciency)提供了一种快速、有效的方法。越来越多的研究关注外界环境对PRI和LUE之间关系的影响,这些因素包括水分含量、CO2浓度等等。文章选择了不同氮、钾施肥量处理的小麦,测量其LUE和PRI,分析不同肥料处理对二者关系的影响。实验表明,氮、钾施肥量的增加将提高冠层光谱的PRI值和叶片内部叶绿素的含量,在此基础上提高小麦的LUE。对于不同氮、钾处理的小麦,PRI和LUE之间都获得了很好的相关关系,总的相关系数R2分别是0.7104和0.8534。随着氮、钾肥量的增加,PRI和LUE之间的相关性也在增加。对1,2,3份的氮施肥量,相关系数R2分别是0.6020,0.6404和0.8014;钾施肥量为1,2,3份时,R2分别为0.3791,0.6404和0.6769。因此,PRI不仅能够获可靠精度的LUE,并且为监测小麦的肥料状况提供了一种间接方法,这将为田间管理和精细农业提供了必要的参考信息。

利用光化学植被指数估算叶片的光能利用率

选取了喜阴植物和喜阳植物各两种,在低温、低辐照(温度为4℃,外界辐照强度为500μmol/ (m^2·s)左右)环境下考察光化学植被指数能否是叶片的光能利用率的一个指数,并研究喜阴植物和喜阳植物对这一关系的影响.实验结果表明:在相对低温低辐照条件下,光化学植被指数依然能很好地反映叶片的光能利用率(R^2=0.5951,1%显著水平),并且通常情况下对喜阳植物的(R^2=0.5565)要比对喜阴植物的好(R^2=0.5045).分析表明:主要是叶片叶绿素、叶黄素含量及其转化造成了叶片光化学植被指数和光能利用率二者响应的不同.因此,在以后的研究中,尤其是对星载数据的遥感应用,基于光谱指数的光能利用率估算应该考虑到植被自身的特性,不断改善光能利用率的估算精度.

光化学植被指数估算植物光能利用率的研究进展

应用遥感技术可以建立光化学植被指数(Photochemical reflectance index,PRI)和光能利用效率(Lightuseef-ficiency,LUE)的关系,LUE可用来估算净初级生产力(Net primary productivity,NPP)。因而,用PRI估算植物的LUE,为估算NPP提供了新的方法,弥补了以往以经验模式通过温度和水分对最大LUE的胁迫来获取实际LUE的不足,进而可提高NPP的估算精度。研究表明:PRI和LUE在叶片、冠层和景观尺度上都有着很好的相关性,但是随着尺度的变化,很多因素会对这一关系产生干扰,如水分、氮元素含量、叶面积指数和太阳高度角等,从而削弱了PRI和LUE的关系。该文对建立PRI和LUE的关系过程中的影响因素进行了分析,并指出今后这一研究领域中可能改进的方面,主要包括526nm和545nm处的反射率对531nm处的反射率的作用机制、PRI随LUE的饱和现象、PRI和LUE关系的时间效应以及利用PRI估算LUE的尺度效应。

植物光化学植被指数对叶片生化组分参数的敏感性

光化学植被指数PRI定义为531nm和570nm处反射率的归一化植被指数,这一指数能够成功的估算叶片尺度、冠层尺度和景观尺度的光能利用率LUE,进而可以提高净初级生产力NPP的估算精度,因而PRI有着广阔的应用前景.但是,很多干扰因素会对建立PRI和LUE的关系产生影响,并且随着尺度的变化,干扰因素也在变化.因此,研究不同尺度下各种干扰因素对PRI的影响就显得更加必要和紧迫.基于这一点,利用PROSPECT和SAIL模型分别对叶片尺度和冠层尺度影响PRI的干扰因素进行了敏感性分析.结果表明,在叶片尺度上,叶片的PRI对叶肉结构参数N和叶绿素浓度(Cab)变化有着较高的敏感性,对于叶片的干物质浓度(Cm)和等效水厚(Cw)的变化敏感性弱;在冠层尺度上,叶面积指数、叶倾角分布、太阳高度角以及观测天顶角都会引起冠层PRI的变化.土壤类型对冠层的PRI不起决定作用,冠层自身的性质才是冠层尺度PRI的决定因素.

王林苹果叶片光化学植被指数的变化规律

植物的光化学植被指数(photochemical reflectance index,PRI)与其光利用效能(light use efficiency,LUE)有密切的关系,PRI常用来估算植物的LUE。然而,植物PRI容易受环境因子的强烈影响,导致冠层PRI的应用难度很大。为了更好地利用PRI为果树科研与生产提供指导,研究果树冠层PRI的动态变化,提示其变动规律性,为利用PRI考察果树光利用效能提供参考。选择具有代表性的王林苹果树为研究对象,每棵果树在4个空间方位各采10张叶片,用Plant Pen PRI 200测量其PRI值。结果表明,果树PRI变化呈现如下规律:(1)PRI值总体分布符合正态分布规律;(2)不同树冠空间中的叶片的PRI大小不同,按照从大到小的顺序排列为南、东、西、北;(3)PRI与气温呈负相关关系,即随着气温的升高,植物的PRI反而降低;(4)果树叶片在离体后,其PRI会逐渐降低,但是,在果树叶片死亡前,PRI值会突然升高,然后降低趋于0甚至是负值,叶片活性降低直至死亡。

基于MODIS的光化学植被指数反演水稻区域光能利用率

为了探究光化学反射植被指数(Photochemical Reflectance Index,PRI)在反演大面积水稻光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)方面的潜力,利用安徽寿县国家气候观象台通量观测数据和同期MODIS卫星数据,分别构建不同参照波段下(488、551和667nm)的PRIs与站点像元LUE间的模型,并尝试利用最优模型反演区域尺度的水稻光能利用率。结果表明,在所测试的参照波段中,来自后向散射方向影像提取的PRIs与LUE的相关性更强,其中PRI_(551)表现最优;与MOD17算法相比,利用PRI_(551)-LUE模型反演的区域LUE值更符合实际,且空间分布差异明显,在多时相影像和完善数据插补方法的基础上,利用MODIS PRI在反演长时间、大面积植被的光能利用率或生产力方面具有可行性。

亚热带针阔混交林光化学植被指数与光能利用效率关系研究

利用光化学植被指数(PRI)反演区域尺度植被光能利用效率(LUE)的动态变化特征是当前生态系统生产力遥感研究的一个重要方向。基于2014年4月-2015年3月在广东省肇庆市鼎湖山森林生态试验站开展了植被冠层光谱和涡度相关通量同步观测,探讨亚热带常绿针阔混交林LUE与PRI的相关性及其调控因素。研究表明:(1)亚热带常绿针阔混交林LUE-PRI存在显著相关关系,但其相关性存在较大的季节性差异,冬季的相关性(R^2=0.40,P<0.01)明显优于夏季(R^2=0.04,P<0.01);(2)削弱植被自身的色素含量以及观测区内部的冠层结构、土壤背景、观测和光照条件影响后的?PRI难以有效表征亚热带常绿针阔混交林的LUE动态变化(表征程度为10%左右);(3)植被吸收的光合有效辐射(PAR)对LUE-PRI关系影响较大,饱和水汽压差(VPD)和日均温(Ta)对LUE-PRI相关性的影响较弱。需要进一步分析森林冠层结构、物候变化等因素对两者关系的影响,提高PRI作为亚热带森林LUE动态变化指示器的精度。

阳生叶光能利用率与光化学反射植被指数关系

【目的】对帽儿山地区主要树种的实测光谱与植被光能利用率进行统计分析,从光化学植被指数定义出发,修正PRI指数,进而得到阳生叶PRI与LUE之间较稳定的定量关系,为碳循环模型准确估计植被初级生产力(GPP)和净初级生产力(NPP)提供基础。【方法】数据采集时间为2016年8月,测量时间为10:00—15:00。LUE测定采用Li-Cor6400光合仪,叶片反射率是通过SVC HR-1024i在实验室测量获得。对实测PRI指数与LUE分针阔树种进行相关性分析和回归分析;对多波段反射率与LUE进行逐步回归分析,提取与LUE高相关性波段,重新组合形成新的PRI指数;分针阔树种建立修正后PRI指数与LUE回归关系。【结果】1)传统PRI指数与LUE相关性分析:针阔树种阳生叶PRI与LUE的pearson相关系数为0.234(P=0.079);阔叶仅为0.121(P=0.389),相关性低;针叶相对较好为0.467(P=0.174),对针叶进一步进行回归拟合,其R2较低(R2=0.218 2;P=0.174),传统PRI指数在此次研究中适用性较差。2)对多个波段反射率逐步回归分析,筛选后得到5个波段反射率组成的多元回归模型,其相关性有所提高(R2=0.402 2,P=0.04);波段518 nm处反射率对LUE的贡献率最大,偏回归平方和R2=0.133 4。基于传统PRI定义,对PRI指数进行修正,用518 nm反射率替换531 nm处反射率,用修正PRI指数与LUE建立新的一元回归模型。3)用修正PRI指数与LUE分树种分别建立一元回归模型,其回归结果:对于针阔树种阳生叶叶片两者之间R2为0.496 9(P<0.001),RMSE为0.024 7;对于阔叶树种阳生叶叶片两者之间R2为0.404 5(P<0.001),RMSE为0.023 6;对于针叶树种阳生叶叶片两者之间R2为0.538 5(P<0.001),RMSE为0.018 9。结果与传统PRI指数构建的一元回归模型及逐步回归构建的多元模型相比,显著性有明显提高。【结论】建立帽儿山地区针阔叶树种上层阳生叶叶片修正后PRI指数与LUE的关系。相比较传统PRI指数,修正后的PRI指数与LUE有着更高的相关性;所构建的一元回归模型不管是对针叶树种还是阔叶树种都有良好适用性。

利用光化学反射植被指数估算光能利用率研究的进展

植被光能利用率(LUE)是估计植被初级生产力(GPP)和净初级生产力(NPP)模型的一个重要输入,准确地估计LUE对于生态学研究有重要的意义。由于LUE随环境的变化关系十分复杂,现有的LUE估算模型过于粗糙简单,而通过遥感直接估计LUE将会更加可靠。研究表明,光化学反射植被指数(PRI)与LUE有很好的相关性,故PRI在利用遥感估计LUE方面具有极大的潜力。但是很多研究也发现了PRI-LUE的关系不够稳健,受许多因素的干扰,比如物种构成、冠层结构及大气等。因此,PRI的广泛应用还需要更多的研究。本文首先介绍了PRI的定义及PRI随LUE变化的生理机制,再综述了一些利用遥感手段建立PRI-LUE关系的例子,然后分析了影响PRI-LUE关系的各种干扰因素,最后对PRI研究取得的成果、存在的问题以及发展前景作了总结。

多角度高光谱对光化学反射植被指数估算光能利用率的影响探究

由于光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)随环境的变化关系十分复杂,现有的LUE估算植被初级生产力(GPP)和净初级生产力(NPP)的模型过于粗糙简单,而通过遥感直接估计LUE会更加可靠。研究表明,光化学反射植被指数(PRI)与LUE有很好的相关性,故PRI在利用遥感估计LUE方面具有极大的潜力。但是,很多研究也发现了PRI-LUE的关系受到许多因素的干扰。为了探究多角度高光谱对光化学反射植被指数估算光能利用率的影响,分析了各观测日的光化学反射植被指数变化情况及其与实测光能利用率的关系。结果表明:在主平面的4个观测日都表现出后向的PRI值大于前向的PRI值,均表现出当光谱仪探头从后向散射方向向着前向散射方向变化时,PRI值逐渐变小然后随着天顶角的变大而变大;在光合作用的外部条件和内部环境不受影响的情况下,PROSAIL模型在主平面前向散射方向的中等角度(45°和60°)与后向散射方向的小角度(-15°和-30°)可以较好模拟出单一植被覆盖条件下水稻冠层植被的反射光谱。

城市绿地生态系统多角度高光谱光化学反射植被指数与光能利用率的关系

光能利用率(LUE)是陆地生态系统总初级生产力(GPP)估算的一个重要参数。LUE的准确估算对于在区域甚至全球尺度上使用LUE模型估算GPP是非常重要的。一个基于通量塔的观测视场与通量观测足迹在时空上相匹配的自动多角度遥感平台为LUE在站点尺度上的准确估算提供了一个好方法。该文基于通量塔涡度相关(EC)和自动多角度高光谱连续观测获取的连续30 min的数据,在站点空间尺度和0.5 h与日时间尺度上,探讨了城市绿地生态系统秋季光化学反射植被指数(PRI)与LUE之间的关系。研究发现,反映植被叶面积和色素变化的植被绿度指数在秋季呈现逐渐下降的趋势,表征了植被冠层的状态与结构变化,叶片从绿色逐渐变黄凋落,植被冠层叶片的叶绿素逐渐减少,裸露的枝干增多;用空气温度和代表物候过程的绝对绿度指数(2G_RB)做线性回归分析,得到回归系数(R2)为0.60(p<0.001)。说明在城市绿地生态系统中,空气温度是决定植被物候过程的主要驱动因素,随着植被物候变化,叶片的凋落导致的裸露土壤的增多以及随时间变化的色素含量和其比例的变化将影响PRI和LUE的关系;采用植被生长模型(logistic曲线),拟合时间与2G_RB,得到曲率变化最快的点,确定为秋季植被落叶期的初日,即第290天。在0.5 h和日时间尺度上,PRI都可以捕捉LUE的变化。但是日尺度上不同物候期,PRI和LUE的关系发生了急剧的变化。在秋季植被正常生长期,PRI和LUE之间的关系最密切(R2=0.70,p<0.001)。当土壤温度大于15℃、光合有效辐射(PAR)大于300μmol·m^(–2)·s^(–1)以及饱和水汽压差(VPD)大于700 Pa的情况下,PRI能够更好地预测LUE。基于通量塔尺度上时空尺度相匹配,利用半经验的核驱动二向反射分布函数模型得到的高光谱PRI和通量观测得到的LUE在不同环境条件下的关系以及考虑到在植被的不同物候期对PRI和LUE的关系的优化,将会更加准确地估算城市绿地生态系统的LUE。

湿地植被叶面积指数对光化学指数和光能利用率关系的影响——基于实测数据和PROSPECT-SAIL模型

光化学指数PRI(Photochemical Reflectance Index)是估算光能利用率LUE(Light Use Efficiency)的一种快速监测的有效指标,分析各种因素对二者的影响是提高估算精度的前提。论文针对三种杭州湾典型湿地植物[旱柳(Salix matsudana)、柽柳(Tamarix chinensis)和芦苇(Phragm itescommunis)],实地观测了其光合作用及日变化、叶面积指数以及同步植被光谱。同时采用PROSPECT-SAIL模型模拟叶面积指数LAI(Leaf Area Index)从小到大变化时植被冠层反射率,分析LAI的变化对冠层PRI的影响。结果表明:1)三种植被在日变化上,芦苇、旱柳和柽柳的PRI和LUE的相关性较好,R2分别为0.581 6、0.524 6和0.514 6;而对同一种植被在不考虑时间变化的条件下,PRI和LUE的相关性会有所减弱,对于LAI较小的冠层,PRI不能精确反映LUE;2)当LAI<5时,冠层下土壤背景对冠层PRI影响较大,在不同土壤背景下,土壤亮度低的对冠层PRI影响较小;3)当LAI>5时,土壤背景对冠层PRI影响较小,冠层自身的LAI才是影响PRI和LUE相关性的决定因素。因此,PRI和LUE关系模型还需要进一步探索和完善,引入更精确的模型和参数,不断提高LUE估算的准确度。

基于改进的PRI方法对植被冠层叶绿素含量的反演

叶绿素是植被光合作用的重要色素,对植被的健康状况有直接的指示作用。利用遥感技术准确、快速地获取植被叶绿素含量对精准农业具有重要意义。文章在对各种光化学植被指数(Photochemical Reflectance Index,PRI)与叶绿素含量进行敏感性分析的基础上,提取出对叶绿素变化较为敏感的组合形式,并考虑土壤背景的影响,提出了一种改进的PRI模型,同时利用在小汤山试验田获取的地面采样数据和实用模块化成像光谱仪(Operative Modular Imaging Spectrometer,OMIS)数据进行验证。结果表明,基于OMIS高光谱数据,模型能够很好地对植被冠层的叶绿素含量进行反演,反演的叶绿素含量与实测值具有较好的相关性。

森林光能利用效率的测定方法及主要影响因子

光能利用率(LUE)反映了植被通过光合作用吸收和固定大气中CO_2的能力,是表征生态系统生产力的关键参数,被广泛用于估算区域和全球生产力.文中主要总结分析了LUE的测量方法、动态变化特征和影响因子.环境因子和生物因子共同影响森林LUE的时空变异特征.基于碳循环以及LUE模型的研究,以后的LUE研究应注重以下几个方面:1)多种LUE测量方法的综合利用;2)深入研究LUE的时空变异特征及其影响因子;3)探讨环境和生物因子对生态系统LUE的综合影响;4)LUE与其他资源利用效率之间的耦合作用对森林生态系统的影响.

利用BRDF模型改进PRI反演水稻光能利用率

为探究双向反射分布(BidirectionalReflectanceDistributionFunction,BRDF)模型改进的光化学植被指数(Photochemical Reflectance Index,PRI)反演水稻冠层光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)能力,该研究利用多角度水稻冠层辐射数据和同期通量观测数据,引入BRDF模型对多角度PRI进行观测角度标准化处理。获取晴天09:00—15:00每半小时数据156组,其中130组数据用来建模,另外26组数据对所建模型进行验证。结果表明:BRDF模型在晴空指数(ClearnessIndex,CI)较低时拟合效果较差,随着CI的升高模型模拟效果变好;BRDF模型的拟合参数受光照条件和植被状况的影响,不同CI范围下的各向同性权值ki与LUE相关性均良好(决定系数大于0.3),在0.6≤CI<0.7时相关性最佳,决定系数为0.63;无论是否采用BRDF模型的角度校正,由PRI反演LUE的模型均可采用线性形式或指数形式;但采用BRDF模型的角度校正后,反演模型精度得到显著提升,决定系数从0.46(P<0.01,校正前)提高到0.8(P<0.01,校正后);验证结果显示,采用BRDF模型的角度校正前后,相对反演偏差指数由1.34提升到2.6,同时验证的拟合决定系数也由0.44提高到0.87。该研究相比较传统多角度遥感观测的PRI指数,BRDF模型的角度修正提高了PRI对水稻LUE的反演能力,证明了多角度冠层光谱观测可利用BRDF模型提高其植被指数对植物生理活动探测能力的可行性。

基于通量和光谱观测的中亚热带人工针叶林光能利用效率的反演

利用光谱反射率测量的光化学植被指数(PRI)估算植被光合作用的光能利用效率(LUE),能够更好地为生态系统总初级生产力的估算及尺度扩展提供重要的技术支撑.本研究以中国通量网(ChinaFLUX)千烟洲通量观测站为研究区域,2013年9月和12月在通量塔上测量了中亚热带人工针叶林的植被反射光谱,并获取了通量塔上同步观测的气象数据和涡度相关通量数据,对两者进行回归分析.结果表明:PRI-LUE相关关系(R2=0.20,P<0.001)优于NDVI-LUE.在整个观测期内,土壤水分含量(SWC)与PRI组合的二元回归模型能够提高LUE的估算精度(日间观测R2=0.29,P<0.001;正午观测R2=0.30,P<0.01),而在秋季,饱和水汽压差(VPD)与PRI组合的二元回归模型能较好地估算正午LUE(R2=0.448,P<0.001),表明环境因子SWC和VPD是影响PRI-LUE关系的重要因素,不同季节的二元回归模型所选择的最佳环境变量有所不同.

Remote Sensing Indices to Measure the Seasonal Dynamics of Photosynthesis in a Southern China Subtropical Evergreen Forest

The accurate measurement of the dynamics of photosynthesis in China’s subtropical evergreen forest ecosystems is an important contribution to carbon(C) sink estimates in global terrestrial ecosystems and their responses to climate change. Eddy covariance has historically been the only direct method to assess C flux of whole ecosystems with high temporal resolution, but it suffers from limited spatial resolution. During the last decade, continuous global monitoring of plant primary productivity from spectroradiometer sensors on flux towers and satellites has extended the temporal and spatial coverage of C flux observations. In this study, we evaluated the performance of two physiological remote sensing indices, fluorescence reflectance index(FRI) and photochemical reflectance index(PRI), to measure the seasonal variations of photosynthesis in a subtropical evergreen forest ecosystem using continuous canopy spectral and flux measurements in the Dinghushan Nature Reserve in southern China.The more commonly used NDVI has been shown to be saturated and mainly affected by illumination(R^2=0.88, p <0.001), but FRI and PRI could better track the seasonal dynamics of plant photosynthetic functioning by comparison and are less affected by illumination(R^2=0.13 and R^2=0.51, respectively) at the seasonal scale. FRI correlated better with daily gross primary production(GPP) in the morning hours than in the afternoon hours, in contrast to PRI which correlated better with light-use efficiency(LUE) in the afternoon hours. Both FRI and PRI could show greater correlations with GPP and LUE respectively in the senescence season than in the recovery-growth season. When incident PAR was taken into account, the relationship between GPP and FRI was improved and the correlation coefficient increased from 0.22 to 0.69(p < 0.001). The strength of the correlation increased significantly in the senescence season(R^2=0.79, p < 0.001). Our results demonstrate the application of FRI and PRI as physiological indices for the accurate measurement of the seasonal dynamics of plant community photosynthesis in a subtropical evergreen forest, and suggest these indices may be applied to carbon cycle models to improve the estimation of regional carbon budgets.