2015-2020年植被吸收光合有效辐射的时空特征及影响因素分析

植被吸收光合有效辐射(Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)是植被进行光合作用中实际吸收的太阳辐射量,是植被净第一性生产力的重要指标,也是生态系统的功能模型、作物生长模型、净初级生产力模型、气候模型等的重要参数。因此高空间分辨率和精确性的植被吸收光合有效辐射对于高精度的区域生产力及光能利用率的研究具有重要意义。对CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型进行了改进,利用30m×30m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据直接计算太阳辐射,从而将其作为CASA模型的输入参数。结合多源遥感数据、气象数据,研究2015-2020年江汉平原APAR的时空分布及其影响因素。顾及江汉平原的土地利用分布特点,着重分析了江汉平原农田APAR的时空特性,研究结果较好的反映了江汉平原APAR分布。实验结果表明:(1)2015-2020年APAR年总值在3.42×10^(13)MJ-3.73×10^(13)MJ之间,总体空间分布与植被类型的分布情况相符;(2)农田月均APAR值在4月、7月高于其他月份,表现出“双峰”的特征;(3)在空间分布上,水田APAR表现出明显的纬度地带性,而旱地APAR正好相反,这可能源于种植结构重心转移;(4)通过借助地理探测器,着重考虑与植被生长相关的12个因子(包括≧10℃积温、年总日照时数、年均气温、年总降雨量、农田种植结构、年散射辐射、农田施肥、土壤类型、土壤质地(砂土、粉砂土、黏土))进行分析,结果表明这12个因素对APAR空间变异性都具有很明显的影响。对CASA的改进方法可以适用于大范围高空间精度的计算。

吸收光合有效辐射的时序变化特征及与作物产量的响应关系

利用气象卫星资料 ,反演出大面积、从每日到每旬、每月不同时间分辩率的吸收光合有效辐射资料 ,在此基础上 ,以河南省高、中、低产县的冬小麦为例 ,深入探讨了冬小麦各个生育期内A PAR的波动规律 ,结果表明 ,APAR的时序变化与冬小麦生育节律有着很好的响应关系 ,并最终影响冬小麦产量的形成。图 3,参 12。

基于高光谱遥感的水稻冠层吸收光合有效辐射的估算研究

利用高光谱遥感数据,对光谱反射率、一阶微分光谱及二阶微分光谱与吸收光合有效辐射(APAR)进行相关分析,并利用反射率、微分光谱、植被指数法研究了水稻冠层APAR的估算效果。结果表明,高光谱反射率、一阶微分光谱及二阶微分光谱的最优波段与APAR的相关性均极显著,一阶微分光谱能够更好的估算APAR,它与APAR在769nm处的拟合决定系数为0.5218;5种植被指数所选的最优波段组合拟合方程的决定系数在0.67以上,其中以复归一化差值植被指数(758,781)估算效果最好,决定系数达0.7585。

基于遥感数据的植被吸收光合有效辐射估算研究

基于MODIS遥感数据、辐射传播模型和光能利用率模型,估算位于中高纬度的美国伊利诺伊州植被吸收的光合有效辐射(APAR),结果较好地反映了该地区植被吸收的光合有效辐射的时空分布。2006-2016年该地区APAR年均值介于35. 10~39. 58 W·m^-2·a^-1,季节变化明显。夏季的APAR均值最高,集中在80~120 W·m^-2·d^-1,其次是春秋两季。基于Mann-Kendall非参数估计方法,模拟了伊利诺伊州地区2006-2016年不同季节平均APAR的变化趋势。夏季,中部、北部的APAR平均值升高幅度最大,为0. 6~1. 0 W·m^-2·a^-1,而南部的平均值呈较为明显的下降趋势;春季,中部范围APAR均值升高;秋季,南部的APAR均值升高幅度较大,而中部和北部变化幅度较小。通过水热条件变化等分析,该地区气温总体在升高,更利于中部、北部的植被生长分布,一定程度上延长了植被的生长季,而南部夏季在相对较高的温度基础上进一步升温,高温抑制植被对辐射的吸收,导致植被吸收的光合有效辐射呈下降趋势。

不同干旱条件下夏玉米全生育期冠层吸收光合有效辐射比的高光谱遥感反演

冠层吸收光合有效辐射比(fAPAR)是植被生产力遥感模型的重要参数.但关于不同干旱条件下作物全生育期的fAPAR遥感反演研究仍未见报道.本研究利用2015年夏玉米5个灌水处理模拟试验的高光谱反射率和fAPAR观测资料,分析了不同干旱条件下夏玉米关键生育期fAPAR和高光谱反射率变化特征,探讨了fAPAR与反射率、一阶导数光谱反射率和植被指数的关系.结果表明:轻度水分胁迫和充分供水条件下,fAPAR较高;重度水分胁迫和重度持续干旱条件下,fAPAR较低.冠层可见光、近红外光和短波红外光区的反射率与fAPAR分别呈负相关、正相关和负相关关系.fAPAR与可见光和短波红外光区的383、680和1980 nm附近的反射率的相关性最强,相关系数均达-0.87.一阶导数光谱反射率与fAPAR相关性强且稳定的波段为580、720和1546 nm,相关系数分别为-0.91、0.89和0.88. 9个常用植被指数与fAPAR呈线性或对数关系,其中,增强型植被指数、复归一化植被指数、土壤调节植被指数和修正的土壤调节植被指数与fAPAR的关系模型最好,决定系数(R^2)均在0.88以上,平均相对误差分别为16.6%、16.6%、16.7%和16.2%;基于一阶导数光谱反射率与fAPAR的对数关系在(720±5) nm波段处的模拟效果较好,R^2达0.86;直接选择反射率数据估算fAPAR的效果较差,R^2最高为0.81.研究结果可为fAPAR的准确反演及评估作物干旱状况提供支撑.

玉米和大豆光合有效辐射吸收比例与植被指数和叶面积指数的关系

基于东北典型黑土区的玉米和大豆的实测光谱反射率、光合有效辐射及叶面积数据,选取常用的9种植被指数,并根据光谱曲线特征和植被指数结构建立了两种新的植被指数,对其估算玉米和大豆冠层FPAR效果进行了对比分析。结果表明,各植被指数与冠层光合有效辐射吸收比例(FPAR)的关系因植被类型而异。以近、短波红外波段较以可见光、近红外波段计算植被指数的估算效果好。NDVI、RVI在可见光、近红外波段计算的植被指数中估算FPAR效果较好,玉米估算模型R2分别为0.81和0.82,大豆估算模型R2均为0.81;NDSI、RSI在近、短波红外波段计算的植被指数中较好,玉米估算模型R2均为0.86,大豆估算模型R2均为0.84,优于NDVI和RVI。试验表明,利用近、短波红外波段估算FPAR是可行的;冠层含水量较土壤背景对FPAR影响更大;玉米和大豆冠层FPAR与叶面积指数(LAI)呈较好的对数关系,估算模型R2分别为0.75和0.70;但用植被指数估算FPAR效果要优于用叶面积指数。

数字图像估测棉花光合有效辐射吸收比例

研究利用数字图像技术估测棉花光合有效辐射吸收比例的方法,以期为棉花生长状况的动态监测提供依据。2013-2014年设置不同株行距配置试验,在棉花关键生育时期通过数码相机、线性光量子传感器分别测定棉花覆盖度和光合有效辐射吸收比例。结果表明,不同配置方式下,fCover和fAPAR的季节变化规律基本一致,生育后期由于非绿色器官的增多致使低估fCover;fCover与fIPAR和fAPAR呈线性的极显著正相关,与LAI和干物质呈指数的极显著正相关;综合分析2a数据,建立图像覆盖度估测fAPAR的模型(R2=0.895,SE=0.076);根据独立试验数据对估测模型进行检验的结果显示,模型的决定系数(R2=0.964)较高且预测误差(RMSE=0.058)较小。因此,图像覆盖度是一种简便、快捷、有效地估测棉花光合有效辐射吸收比例的方法。

不同水分条件下棉花红边参数与冠层光合有效辐射和经济系数的相关分析

为探明高光谱红边参数与棉花光合有效辐射参数和经济系数(HI)的关系,利用ASD Fieldspec FR2500地物高光谱辐射仪和LI-190SA线性光量子传感器分别测试棉花两品种五水分处理冠层反射光谱和冠层光合有效辐射(PAR),通过对反射光谱数据进行一阶微分,获取棉花红边位置(λr)、红边斜率(Dr)和红边面积(SDr)参数,同时对光合有效辐射数据处理得到吸收光合有效辐射(APAR)和吸收光合有效辐射截获量(FAPAR)。结果表明:随着生育时期的变化,红边参数Dr和SDr均在盛铃期达最高值,盛铃末期达最低值,冠层光合特征参数APAR和FAPAR分别在开花结铃期和盛铃期达到较高值。对Dr和SDr分别与APAR、FAPAR和经济系数(HI)进行相关分析,结果表明,Dr和SDr与APAR、FAPAR均呈现极显著的正指数函数关系(rDr-APAR=0.5132**,rSDr-APAR=0.4953**,rDr-FAPAR=0.7175**,rSDr-FAPAR=0.7497**,n=40,α=1%);Dr和SDr与HI均呈现极显著的最高负指数函数相关(rDr-HI=-0.8709**,rSDr-HI=-0.8859**,n=40,α=1%)。利用Dr和SDr分别估算FAPAR和HI,模型方程的精度分别为95.4%、78.1%、95.5%和79.7%,说明通过红边参数与光合有效辐射参数和HI的相关函数模型,可以实时、精准地和非破坏性地预测棉花冠层光合有效辐射参数和HI。

基于不同植被指数的棉花光合有效辐射吸收分量估算研究

通过开展小区棉花密度和水分对比试验,分析不同密度和水分处理的棉花整个生育期光合有效辐射吸收分量(FPAR)与光谱反射率的相关关系,建立棉花FPAR光谱估算模型。结果表明,棉花FPAR与选取的所有植被指数均呈极显著相关,其中绿度植被指数(GREENNDVI)和反射率比值(GMI)与FPAR的相关性最好,相关系数(r)分别为0.794和0.765。分别用GREENNDVI和GMI建立棉花FPAR的估算模型,其决定系数(r2)分别为0.657和0.633,均方根误差(RMSE)分别为0.089和0.093。研究表明,利用光谱特征参数可以有效地估算棉花整个生育期的FPAR。

植被光合有效辐射吸收分量及最大光能利用率算法的改进

植被冠层对入射光有效辐射的吸收系数(FPAR)和最大光能利用率是NPP模拟的重要参数。利用光量子仪实测了典型草原植被类型关键生育期光合有效辐射值,根据NDVI与FPAR之间的良好相关性,建立了2个FAPR估算模型。结果表明,实测的FPAR值与模型估算的FPAR之间的相关性均达到极显著水平,2个模型的估测值之间没有显著性差异。因此,本研究中采取求均值后计算了我国草原的FPAR,并与NASA-FPAR产品进行了嵌套和互补,形成全国完整的草原FPAR空间分布图。同时,基于归一化植被指数和叶面积指数,以中国草原18大类分类结果为基础单元,对中国草原18大类的最大光能利用率进行调整,调整后的最大光能利用率输入NPP模型后,改善了NPP估算精度,在大类尺度上,总体预测精度为85.71%。

2001—2018年淮河流域植被光合有效辐射吸收比(FAPAR)时空变化格局分析

光合有效辐射吸收比是表征植被光合作用能力和生长状态的重要参量,是反映全球气候变化的重要因子。选取地处中国南北气候过渡带、生态环境脆弱的淮河流域为研究区域,基于2001—2018年GLASS MODIS FAPAR数据,采用年际变化分析法和趋势变化分析法,分析了近18年来淮河流域植被FAPAR的时空变化格局。结果是:淮河流域植被FAPAR呈中西部高、东北部低的空间分布特征,西部山区和中部农作物种植区植被FAPAR较高,植被FAPAR低值区分布在北部沂蒙山地区和郑州、开封、徐州等大城市及其周边地区。2001—2018年间淮河流域年均FAPAR以每年0.19%(P<0.05)的速率增加,显著增加的区域主要分布在西部的大别山、伏牛山和桐柏山以及东北部的沂蒙山北部等地区。流域内春季和夏季FAPAR变化不显著,秋季和冬季FAPAR呈显著增加趋势,各类型植被秋季和冬季变化趋势基本一致,但春季和夏季变化趋势不一致。

不同水分条件下棉花冠层光合有效辐射特征分析

【目的】研究棉花不同水分条件下的吸收光合有效辐射(APAR)和光合有效辐射截获量(FAPAR)随生育期的变化特征,为实时、无损、快速监测棉花生育期的生长状况,提供理论依据。【方法】通过线性光量子传感器获取棉花新陆早13号和33号两品种5水分处理冠层6个生育时期的光合有效辐射(PAR),计算得到APAR和FAPAR,分析它们的日变化和生育期的变化规律。【结果】两品种5水分处理6个生育期的APAR日变化均呈抛物线曲线,早晨08:00和晚20:00的APAR都为最低,分别在14:00时和12:00时达到最大。它们的FAPAR日变化都呈字型曲线,上午和下午的FAPAR出现两个最大峰值,中午14:00时达最低峰值。两品种5水分冠层的APAR和FAPAR均在开花初期较低,盛铃末期达最低,分别在盛花期和开花结铃期达最大,随着生育期它们的APAR和FAPAR与棉花的生育进程一致,两品种5水分在各生育时期的APAR和FAPAR高低排列顺序均为W_5>W_4>W_3>W_2>W_1。【结论】棉花的不同水分状况影响其APAR和FAPAR的变化,利用棉花APAR和FAPAR的日变化及其随生育期的变化特征,可以诊断棉花的水分和生长状况。

呼伦贝尔羊草草甸草原光合有效辐射分量变化规律分析

通过实测呼伦贝尔羊草草原冠层光合有效辐射(PAR)各分量并计算冠层反射率、土壤反射率,对其季节变化、日变化进行浅析。研究表明,在生长季6月初-9月下旬,PAR和APAR(吸收性光合有效辐射)季节变化均呈减小趋势。PAR波动较大,在25～58mol/m2;APAR则在17～34mol/m2波动。光合有效辐射吸收比例(FPAR)随季节推移呈增大趋势,波动范围在0.46～0.77,最大值出现在8月下旬,可达0.77。晴天冠层入射PAR、反射PAR、透射PAR和土壤反射PAR日变化均呈较标准正弦曲线。冠层反射率在中午12点前后最低而早晚值较高。土壤反射率日变化6月波动较大,在0.4之内,7-9月,仅在0.08内。APAR日变化趋势和入射PAR基本一致。6月、7月至8月中旬,晴天FPAR日变化呈较标准的余弦曲线,变动幅度为0.60,9月变动幅度仅为0.13,几乎趋于常数。本研究在获取较准确地面实测PAR数据的同时得到FPAR,可为本地区草地FPAR的精度评估和验证提供参考。

大针茅典型草原冠层光合有效辐射各分量变化规律分析

利用光量子仪实测了大针茅典型草原植被类型关键生育期光合有效辐射值,分析了入射PAR、冠层反射PAR、透射PAR、土壤反射PAR与FPAR的变化规律。结果表明,入射与透射PAR呈较标准正弦曲线变化、而冠层反射与土壤反射PAR呈不太平滑的正弦曲线变化,最大值均出现在中午12:30左右;FPAR曲线开口方向与PAR的开口方向相反,呈较标准的余弦曲线变化,最小值出现在中午11:30左右;且日均FPAR值可用一天内的上午9:30或下午14:30的瞬时值来替代;NDVI、LAI与FPAR均呈线性关系,且R^2分别达到0.87、0.7。

基于MODIS数据的草地植被光合过程参数估算--以内蒙古自治区为例

以内蒙古自治区为例,利用MODIS遥感影像和TOMS紫外波段反射率数据,在GIS和RS软件支持下,计算分析了内蒙古草地生长季的光合有效辐射(PAR)、光合有效辐射吸收系数(FPAR)、吸收性光合有效辐射(APAR)及其时空变化,并分析了气候因子对FPAR、PAR的影响。结果表明:内蒙古草地生长季的PAR、FPAR、APAR的估算值与其他研究者基本一致,方法可行,可为草地NPP估算及建模提供参考。内蒙古草地生长季平均PAR为1973.8 MJ/m2,FPAR为0.275,APAR为516.64 MJ/m2。内蒙古草地生长季的PAR、FPAR、APAR时空变化明显:FPAR及APAR空间上呈东北向西南地区递减的趋势,PAR与之相反。4月份(生长季初期)以后,随着时间的推移PAR、FPAR、APAR都开始增加,但出现峰值的时间不同。内蒙古草地生长季,不同草地类型的FPAR及APAR差异明显,在草地NPP估算及建模时应引起重视。

内蒙古草地关键光合过程参数的时空变化特征

地球表面的瞬时光合有效辐射(Photosynthetically Active Radiation,PAR)和植被吸收的光合有效辐射(Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)是许多集中于生物圈和大气之间交换过程研究的关键参量。光合有效辐射吸收比例(Fraction of Photosynthetically Active Radiation,FPAR)是APAR和PAR的比值,是许多气候模型及生产力模型的基本特征参量。因此,研究PAR/APAR/FPAR的时空变化规律,对准确估算草地NPP具有十分重要的作用。本文利用MODIS遥感影像和TOMS紫外波段反射率数据,在GIS和RS软件支持下,计算分析了内蒙古草地生长季的PAR/FPAR/APAR及其时空变化,并分析了气候因子对FPAR/APAR的影响。结果表明:内蒙古草地生长季平均PAR为1973.8MJ/m2,FPAR为0.275,APAR为516.64MJ/m2。内蒙古草地生长季的PAR/FPAR/PAR时空变化明显:FPAR及APAR空间上呈东北向西南地区递减的趋势,PAR与之相反。自生长季初期(4月份),随着时间的推移PAR/FPAR/APAR都开始增加,只是出现峰值的时间不同。内蒙古草地生长季不同草地类型的FPAR及APAR差异明显,在草地NPP估算及建模时应引起重视。

高光谱吸收特征参数反演草地光合有效辐射吸收率

在植被光合有效辐射吸收率(FAPAR)遥感估算中被广泛采用的植被指数法,其估算精度往往受到"红波段吸收峰"峰值点光谱反射率易饱和特征的影响。考虑到高光谱吸收特征参数能较好地诠释地物光谱吸收特征的细节信息,基于微分法与包络线去除法研发"高光谱曲线特征吸收峰自动识别法"识别对FAPAR敏感的特征吸收峰,再结合连续统去除法以及光谱吸收指数(SAI)提取FAPAR的高光谱吸收特征参数,构建估算天然草地冠层水平FAPAR的高光谱吸收特征参数模型。结果表明:(1)天然草地冠层FAPAR与高光谱吸收特征参数具有很好的相关性,其中,"红波段吸收峰"SAI对FAPAR变化最为敏感,在植被覆盖度较高时,其饱和性相比"红波段吸收峰"峰值点反射率与归一化植被(NDVI)值有较大的提升。(2)以"红波段吸收峰"SAI为变量的对数方程为FAPAR的最佳估算模型,在植被覆盖度处于中与高时,其FAPAR预测精度比NDVI模型有不同程度的提高。研究采用的高光谱吸收特征参数一定程度上弥补了部分植被指数因饱和问题在估算FAPAR时的不足,可作为植被FAPAR反演的新参数,适用于中、高覆盖度的天然草地FAPAR监测。

基于辐射传输模型的FPAR_(green)与几种植被指数的关系研究

为了更好地分析不同植被指数与真实光合有效辐射吸收比例(FPAR_(green))的相关性,利用PROSPECT+SAIL模型对FPAR_(green)进行计算,同时模拟在植被指数类别、叶倾角分布和土壤背景反射率等不同输入参数条件下的多种常见植被指数,观察各植被指数与FPAR_(green)线性拟合精度,寻找最优的植被指数。结果表明,NDVI、SAVI和EVI都是反演FPAR_(green)较好的植被指数。

2010—2012年北京植被光合有效辐射吸收比例的时空变化

利用MODIS产品中分辨率为1 km的光合有效辐射吸收比例（FPAR）数据,结合植被功能型分类,分析2010—2012年北京植被FPAR的空间分布特征,以及各种植被类型FPAR的多年变化,并进一步探讨了FPAR与叶面积指数（LAI）之间的相关性.结果表明：研究期间,北京植被的FPAR空间分布均呈现出东北部、西南部高,并向中心城区逐渐递减的分布特征.通过FPAR的叠加分析还发现,各种植被类型FPAR年平均值的波动均较小,针叶树、阔叶树、草地、作物FPAR的年均值波动范围仅分别在0.42～0.44、0.38～0.39、0.32～0.33、0.21～0.22,但各种植被类型FPAR的年内变化范围均较大.各种植被类型的FPAR与LAI也具有较好的线性或对数关系.经过Timesat软件中的Savitzky-Golay平滑滤波后,各种植被类型FPAR的季节性变化特征更加明显.

落叶阔叶林冠层非光合组分对冠层FPAR的影响分析——一种分层模拟的方法

估算并消除冠层非光合组分(non-photosynthetic vegetation,NPV)吸收的光合有效辐射,对准确估算生态系统总初级生产力(gross primary productivity,GPP)具有重要意义。以落叶阔叶林为例,通过设置不同情景,应用任意倾斜叶片散射(scattering by arbitrary inclined leaves,SAIL)模型进行冠层光合有效辐射吸收分量(fraction of absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)的分层模拟,分析冠层NPV的FPAR的变动及其对冠层FPAR的贡献,并初步探讨落叶阔叶林NPV的FPAR的估算方法。结果表明,冠层NPV的FPAR的大小与冠层结构相关,在高覆盖度植被区NPV对冠层FPAR的贡献通常较小,但在低植被覆盖区的贡献会较高;NPV降低了冠层在近红外波段的反射;增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)与NPV的FPAR存在显著的线性负相关关系,可用来描述NPV的变化。