异质性草原植被BRDF模拟及弱敏感参数反演方法研究

This project focuses on the modeling of the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) and retrieval of weak sensitive parameters of vegetation in heterogeneous grassland. The BRDF of mixed multi-type (heterogeneous) herbage is to be modeled based on the physical mechanism of the classical radiative transfer models of one-dimensional turbid medium and the Monte Carlo ray-tracing technique. The modeled model is to make sense to extend the use of the physical mechanism based model. The important but weak sensitive parameters of herbage, such as the dry matter content (DMC) is to be retrieved in the project by taking into account the correlation among free parameters of the model as well as the uncertainty of prior information. The modeling of BRDF of the heterogeneous herbage and the retrieval methods allow the improvement of the precision level of retrieval of the weak sensitive parameters, which is not only meaningful to monitor the growth state of herbage but also to evaluate the risk of grassland fire.

该项目针对异质性草原植被BRDF模拟及弱敏感参数反演两个关键理论问题开展研究。一方面, 针对草原多类型植被混杂而形成的异质性特征, 深入剖析经典一维植被辐射传输模型构建机理, 结合蒙特卡罗光线追踪技术模拟异质性草原植被辐射传输特性, 扩展一维植被冠层BRDF模型, 构建适合异质性草原植被的BRDF模型; 另一方面, 对模型自由参数之间的相关性及其先验知识的不确定性进行定量描述的基础上, 基于构建的植被BRDF模型和多时相遥感数据, 以干物质重量等重要但弱敏感的植被生化参数为反演目标, 构建一套有效的植被弱敏感参数反演方法。这些关键理论与方法的突破, 将为异质性草原植被BRDF模拟及弱敏感参数反演提供新的理论与方法支持, 扩展植被辐射传输模型的应用范围，提升遥感参数反演的精度, 对于监测大面积草原植被生长状况,评估草原发生火灾的风险程度等具有重要的现实意义。

该项目以异质性草原植被为研究对象，在中国西部典型类型的草原（四川若尔盖、青海湖流域、柴达木盆地乌图美仁）开展遥感科学实验的基础上，通过经典植被辐射传输模型的BRDF模拟和分析，遴选适合不同类型草原的植被冠层反射率模型和散射模型，重点开展遥感模型弱敏感参数反演方法的探索性研究，拓展遥感模型的应用范围和普适性。取得的主要研究成果如下：（1）构建了异质性草原植被遥感模型弱敏感参数反演策略与方法体系，拓展了植被遥感模型的普适性和应用价值：项目深入分析现有植被辐射传输模型及BRDF模拟的基础上，从异质性草原植被冠层反射率模型弱敏感参数反演策略、基于贝叶斯网络算法的病态反演缓解、弱敏感参数干物质（DMC）衍生的草原植被冠层可燃物含水率（FMC）和地上生物量（AGB）遥感定量反演等四个方面构建了异质性草原植被遥感模型弱敏感参数反演策略与方法体系，大幅提升了异质性草原植被遥感参数反演的种类和精度;（2）构建了植被覆盖条件下的草原地表土壤水分反演方法：针对目前植被覆盖下土壤水分反演方法存在的问题和不足，基于多波段多极化SAR数据，耦合不同的土壤介电常数模型、地表散射模型和植被散射模型，构建适合草原地表的土壤水分遥感反演方法；（3）面向草原生态环境监测需求，研发了全球草原干旱指数算法和草原生态环境遥感参数产品生产与服务系统，为全球草原干旱监测和青海湖流域草原生态环境变化监测提供科学数据支持。.项目相关研究成果，已出版学术专著两部（科学出版社），发表学术论文26篇，其中SCI论文21篇（第一标注11篇），包括Remote Sensing of Environment等中科院JCR一区论文3篇， IEEE Transaction on Geosciences & Remote Sensing等中科院JCR二区论文11篇，高被引论文1篇，SCI引用次数累计160次；授权国家发明专利2项；获计算机软件著作权2个；组织和承办第一届和第二届“定量遥感应用学术研讨会”；培养博士毕业生4人，硕士毕业生5人，1名博士生获首届“李小文遥感科学青年奖”。