山地典型LAI遥感产品质量验证与不确定性分析

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植被是陆地生态系统中最重要的组成部分,是几乎所有生物生存所需物质和能量的来源。同时,植被对全球变化的反映至关重要,其对气候变化的调节与反馈作用是人类调节气候、减缓大气CO2浓度增加的主要手段,生态系统相关研究对于人类的生存和发展具有重要意义。当前生态系统研究模型如陆面过程模型、生态系统生产力模型以及作物生长模型等都需要关键陆表参数。叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)作为表征地表植被生物物理变化和冠层结构特征的重要参数,与植被的蒸腾作用、光合作用以及地表净初级生产力等过程有着非常密切的联系。多种生态系统模型亟需LAI作为其不可或缺的输入数据。卫星遥感技术可以实现频繁而持续的对地观测,基于卫星遥感数据反演成为了获取大区域LAI的有效方法。当前存在多个基于遥感数据反演的大区域、长时序LAI遥感产品。由于遥感数据获取过程和产品生产环节中诸多因素的影响,LAI产品的误差是不可避免的,对其进行质量验证尤为重要。LAI产品的质量验证工作是其广泛应用的前提,验证结果可以为产品的算法改进提供反馈信息,也可以为产品的应用提供理论依据。目前针对LAI产品的质量验证问题已经开展较多的研究工作,但在山地开展的验证工作较为少见。然而,山地是陆地生态系统重要而复杂的组成部分,是生物多样性最为丰富的陆地单元。山地生态系统为人类提供了不可替代的淡水资源、矿产资源和生态系统服务功能,山地也成为了当前国际研究的热点区域。我国是多山国家,在山地开展LAI产品的质量验证工作对于我国相关生态系统研究至关重要。  针对LAI产品在山地的质量验证问题,本文在我国西南地区选取典型研究区,以2001~2013年GEOV1 LAI、GLASS LAI和MODIS LAI产品为研究对象,考虑山地地形特征,选择交叉验证和直接验证两种方法,对LAI产品进行质量验证,并对比LAI产品不确定性的时空变化规律。论文主要包括以下几个研究内容:(1)基于交叉验证方法的LAI产品质量验证,对三种LAI产品进行预处理,使其具有一致的数据投影方式、时间和空间分辨率;以产品缺失值比例描述LAI产品的时空完整性特征,并结合地形因子,分析产品缺失值比例在复杂地形条件下的空间分布规律;对比LAI产品对山地地表植被空间分布特征和时间变化规律的表征能力,验证LAI产品相对准确性;(2)基于直接验证方法的LAI产品质量验证,以现有LAI反演模型为基础,采用先反演后平均的方法,获取低空间分辨率LAI数据,通过像元LAI的对比完成LAI产品质量验证,定量评估产品精度;(3)以LAI产品提供的不确定性数据集为研究对象,对比LAI产品不确定性的空间分布及其在异质性地表的变化规律,并分析其时间变化规律。  本文得到以下主要结论:(1)山地复杂的地形特征容易导致水汽和云的形成,影响山地区域遥感数据质量,造成LAI产品时空完整性变差,研究区内时空完整性从优到劣的顺序为:GLASS LAI产品>MODIS LAI产品>GEOV1 LAI产品;(2)在空间维,GEOV1 LAI和GLASS LAI产品一致性较好,较好的表征了植被的空间分布特征,MODIS LAI产品表征植被空间分布能力较差;由于山地植被结构复杂,地表异质性较高,LAI产品难以准确表征山地植被垂直带谱;在时间维,三种产品难以准确反映冬季常绿针叶林LAI,且难以准确表征农田作物的物候信息;三种LAI产品能较好的表征植被的年内物候变化,GEOV1 LAI产品表征了植被在年际间对气候变化的响应,但GLASSLAI和MODIS LAI产品未能表达该特征;(3)在那曲样区,GEOV1 LAI、GLASS LAI和MODIS LAI产品对草地区域LAI表现出了高估现象,三者RE分别为163.6%、156.5%和133.3%; GLASS LAI和MODIS LAI产品在林芝样区和普定样区植被LAI表现出了低估的现象,在林芝样区,GLASS LAI产品和MODIS LAI产品主算法、备用算法反演结果的RE分别为33.8%、81.1%和90.4%,MODIS LAI产品备用算法反演结果低估水平更严重;在普定样区,GLASS LAI和MODIS LAI产品主算法反演结果RE分别为43.7%和73.2%;(4) LAI产品不确定性的空间分布和时间变化规律和LAI有较好的一致性,在林地区域的不确定性大于草地区域,在时间序列上则表现出夏季大、冬季小的趋势,地表异质性导致草地混合像元LAI的不确定性增大。  本文的创新工作在于以典型山地为研究区,从LAI产品对山地植被空间分布特征和时间变化规律的表征能力角度,评估产品的相对准确性,进行LAI产品的质量验证。拟解决的关键问题为评估当前LAI产品对山地植被的时空表征能力,该工作有助于发现LAI产品在山地的问题,并为LAI产品在山地的应用提供理论参考。
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