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草地净初级生产力是判断草原生态系统是否健康的重要依据,是了解与合理利用草原生态系统功能研究中的核心内容之一。基于遥感的光能利用率模型能够快速估算大范围的植被生产力,已经在区域乃至全球尺度上得到了广泛应用。然而,目前的研究中,较粗的时空分辨率数据以及模型参数反演过程中存在的误差导致生产力的模拟结果中存在着较大的不确定性。
论文在对当前基于遥感的光能利用率模型综述的基础上,深入分析了模型中参数类型、参数获取方法,研究参数的不确定性来源及其对模型的影响机制,提出通过引入中高时空分辨率遥感数据源以及实现模型参数本地化等方法,提升模型模拟的精度,并以呼伦贝尔——乌里雅苏台草地样带为例,开展了生产力模拟研究。
论文围绕GLO-PEM光能利用率模型的基本参数深入,具体包括:
1)中高时空分辨率的植被指数获取方法研究
分析了中国的环境减灾小卫星双星4部CCD传感器中高空间分辨率(30m)与时间分辨率(2d)的优势,从几何精度、图像质量以及植被指数精度三个方面深入系统评价了该传感器的数据质量,深入分析了数据的优缺点以及适用范围。同时,针对传感器间存在的波段差异对数据应用的影响,论文研究并得到了不同传感器的植被指数交叉校正系数,成功降低了波段差异引起的误差,为数据深入应用提供支持。
2)中高分辨率植被类型分布信息提取方法研究
论文利用中高时空分辨率的环境减灾小卫星CCD数据以及MODIS数据,提取呼伦贝尔地区不同植被的NDVI时间序列曲线,分析不同特征,提取不同植被分类规则,并基于规则利用决策树分类方法提取呼伦贝尔植被类型分布信息。同时,基于该规则与分类方法,首次获取到中俄蒙边境毗邻地区草地样带的30m分辨率草地植被分类信息,并对分类结果开展验证。
3)高精度模型参数反演
论文在比较分析了传统光合有效辐射反演方法的基础之上,建立了样带区域光合有效辐射反演查找表,基于MODIS的地表反射率产品反演地表的真实反射率,根据查找表计算得到瞬时光合有效辐射与日光合有效辐射,反演得到样带区域光合有效辐射结果。同时,针对GLO-PEM模型中环境参数存在的不确定性问题,结合研究区域的全球性GCOS气象站点,建立样带区域内气象数据与遥感环境参数反演的相关关系,通过环境参数模型本地化过程,实现模型环境参数(空气温度、水汽压差与土壤水分的高精度反演。在此基础之上,基于反演得到的参数以及野外实测数据,通过模型反算得到不同草地类型的最大光能利用率。
基于研究得到的植被类型分布、环境参数,通过GLO-PEM模型模型得到中俄蒙边境毗邻地区草地样带的高精度草地生产力结果,并开展验证与分析。结果表明论文模拟的结果与实测结果间存在较好的相关关系,数据结果可靠。样带区域内的草地生产力平均约为55.94 gC·m-2·α-1,其中草甸草原的生产力为79.15gC·m-2·α-1,典型草原为59.39 gC·m-2·α-1,荒漠草原仅为20.18 gC·m-2·α-1。
样带区域草地生产力与纬度表现出一定的相关关系,与经度无关系。同时,土壤水分与APAR是生产力最重要的控制因素,接下来是植被自养呼吸、水汽压差,最后是空气温度。