植被总初级生产力的叶绿素荧光反演模型与不确定性研究

Accurate estimation of gross primary production (GPP) is of great importance to global carbon cycle research and also food security. Previous studies have demonstrated that the values of solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF) could provide a direct measure of ecosystem GPP, which give better performance than traditional reflectance-based LUE models. This project will focus on the model and uncertainties for the estimation of GPP based on SIF. Firstly, the radiation transfer principles of SIF within canopy would be investigated, including the effects of chloroplast re-absorption and multi-scatter. Secondly, the bi-directional SIF emission will be investigated using multi-angular observations and semi-empirical BRDF model, and the correction method for the bi-directional SIF will also be presented with prior knowledge of the reflectance BRDF models. Finally, the SIF-based models for GPP will be developed based on the continuous observations on different C3/C4 crops, and the influences of plant functional type, environmental stresses on the relationship between SIF and GPP will be assessed. Therefore, the outcomes will provide bi-directional correction model for satellite remotely sensed SIF, and also provide a new remote sensing method for global GPP mapping.

植被总初级生产力(GPP)的高时空动态监测是理解全球碳循环的重要前提。最新研究表明，日光诱导叶绿素荧光(SIF)能够提供一种全新的GPP直接遥感方法，估算精度优于传统植被指数方法。项目将聚焦植被GPP的SIF反演机制、模型与不确定性这一科学问题，研究SIF的冠层辐射传输机制，分析冠层组分再吸收和多次散射效应对冠层SIF的影响；研究并构建冠层SIF方向性发射特征的模拟模型，结合冠层反射率BRDF先验知识，提出冠层SIF方向性校正方法；开展冠层SIF与GPP长时序连续同步观测，研究不同植物光合功能类型的冠层SIF和GPP对环境要素(光照、温度、水分)的响应特征，构建基于冠层SIF的GPP遥感反演模型，并定量评价植被光合功能类型、环境胁迫要素等对SIF与GPP耦合关系的影响。成果不仅能够为卫星遥感SIF产品提供方向性校正模型，还能为植被GPP的高精度反演提供新的理论、模型和方法支持。

植被总初级生产力(GPP)的高时空动态监测是理解全球碳循环的重要前提。最新研究表明，日光诱导叶绿素荧光(SIF)能够提供一种全新的GPP直接遥感方法，估算精度优于传统植被指数方法。项目将聚焦植被GPP的SIF反演机制、模型与不确定性这一科学问题，开展了系统、深入的理论与实验研究，为SIF生理机制、辐射传输过程及其GPP的高精度估算提供了新的理论、模型和方法支持。主要研究成果如下：.1、建立并运行多套冠层SIF自动观测系统，突破塔基平台SIF反演的大气辐射传输校正关键技术，提出了基于反射率相对高度法的SIF反演新方法，实现了低光谱分辨率条件下的SIF可靠提取；提出了基于数据驱动的卫星SIF遥感反演算法，生产并发布了中国碳卫星首幅全球SIF共享产品。.2、定量研究了红光和远红光SIF的冠层辐射传输过程，提出了基于BRDF模型的冠层-光系统水平SIF尺度转换简化算法，建立了冠层SIF时间尺度扩展模型和空间尺度扩展模型，研发了时间、空间尺度扩展的全球SIF卫星遥感产品，提高了SIF估算GPP的精度。.3、阐明了光照、温度、植被类型等要素对冠层SIF的影响，提出了基于光合电子传递速率(ETR)模型的SIF-GPP耦合关系的计算方法，阐明了C3、C4作物SIF-GPP耦合的差异特征；分析了环境要素对SIF-GPP关系的影响，发现光照强度是影响GPP估算的重要因素，并建立了融合晴空指数和SIF的GPP估算模型，显著改进了GPP估算精度。