基于数字相机的低矮草地FPAR估算模型与观测方法研究

The Fraction of Absorbed Photosynthetically Active Radiation (FPAR) is generally defined as the fraction of Photosynthetically Active Radiation (PAR) absorbed by vegetation in the 400-700 nm spectrums. It characterizes vegetation canopy functioning and its energy absorption capacity. FPAR is identified as one of the essential climate variables by the global climate observing system. However, for the low grassland, it is impossible to measure the PAR below canopy to calculate FPAR by the traditional radiometers and Digital Hemispherical Photography (DHP) methods. Therefore, it is very important to find an alternative method to get the high accuracy FPAR based on the measured data, especially for the validation of several available global satellite FPAR products, and other researches for the low canopy grassland widely distributed over the world and China. Based on the linear relationship between the digital number (DN) of digital camera and radiance, we propose a novel method to measure FPAR using a digital camera and a reference panel. We plan to build the FPAR estimating model using the information derived from digital photo and other auxiliary data (e.g. canopy height, solar altitude, observation height, scattering ratio, and so on), and then make the observation standard to measure FPAR values quickly. The research results will advance the science of the material and energy cycle in grassland ecosystem, and benefit a wide group of users for the validation of several available global satellite FPAR products.

光合有效辐射吸收系数(FPAR)是植被冠层对入射光合有效辐射(400-700nm波段的辐射能)截获的比例，是植被冠层能量吸收能力的一个度量，在全球变化学科中被认为是表述植被生态系统的基本变量之一。由于常用的辐射测量仪器、及数字半球相片方法难以获取低矮草地冠层下方的光合有效辐射并计算FPAR，所以，面向全球及全国大面积分布的低矮草地，FPAR实测值的获取成为全球多种FPAR卫星遥感数据产品真实性检验及其它研究亟待解决的关键科学问题之一。本项目基于数字相机DN值与辐射亮度之间的线性关系，利用参考板反射率，提取数字相片信息，综合考虑冠层结构、观测方式、散射比等的影响，建立低矮草地FPAR估算模型；形成基于数字相机的低矮草地FPAR观测规范，实现低矮草地FPAR实测值快速获取；为低矮草地FPAR卫星遥感数据产品真实性检验、草地生态系统物质与能量循环等研究，提供可靠的数据获取方法。

光合有效辐射吸收系数(FPAR)是植被冠层在光合有效辐射波段有多少太阳光能被截获的一个度量，表示了植被冠层能量的吸收能力。目前已出现以MODIS FPAR为典型的约5种全球尺度的卫星遥感数据产品。对这些产品进行真实性检验，是科学界备受关注的科学问题，而FPAR实测值的获取则是解决这一问题的基础。对于低矮草地，由于常用辐射测量仪器与数字半球相片技术难以进行冠层下方PAR的实测。所以，面对全球与我国大面积的低矮草地，FPAR实测值获取，成为此区域FPAR产品真实性检验、草地生态系统物质与能量循环等研究亟待解决的关键科学问题之一。.本项目的研究目标是：基于数字相机DN值与辐射亮度之间的线性关系，结合参考板的反射率，提取数字相片信息，构建低矮草地FPAR估算模型。根据不确定性分析与模型优化结果，以数字相机为主要观测工具，形成低矮草地FPAR观测规范，实现低矮草地FPAR实测值快速获取。.本项目基于能量平衡原理，结非线性混合像元模型提出了基于数字相机的FPAR估算模型及野外实验操作标准，并提出了遥感FPAR反演模型FPEB。并且通过Sunscan观测数据、以及其他实测数据进行比较分析，以及与同期的基于统计方法所得的结果进行比较分析。结果发现：.（1）基于数字相机的FPAR估算与实测值相关系数达到了0.001水平的极显著相关，说明此方法可以用于低矮草地的FPAR估算，并且相对误差较小。.（2）用某一区域的实验数据建立的FPAR-NDVI统计模型对其FPAR的反演具有一定可靠的反演精度，并且FPEB模型与其相比具有相当的反演精度。本项目提出的FPEB FPAR反学模型克服了植被指数统计模型时空局限性。.（3）对于数字相机的方法与能量平衡的方法，其基本原理都一样，太阳天顶角、植被覆盖度、植被冠层透过率均对模型较敏感，其中随着植被覆盖度的升高其敏感性降低，当植被覆盖度达到80%以后，随着其它参数变化FPAR反演结果变化趋于饱和。.（4）全球FPAR空间观测显示FPAR与植被类型关系密切，在年际变化上，受气温降水影响较大，并且受干旱影响较大。.（5）FPAR参数在光能利用率模型可应用于计算植被的生产力，估算地上生物量及农作物产量等。.（6）形成数字相机与参考板相结合的低矮草地FPAR观测规范。