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1、,遥感在生态模型中的应用,莫兴国中国科学院地理科学与资源研究所Email:Tel:64889307,生态系统模型尺度,叶片,冠层,流域,区域,全球,Down Scaling,Upscaling,组织,生态模型的主要尺度,叶片尺度 植物对气象要素变化的生理响应2 冠层尺度 土壤植物大气系统耦合,生态模型的主要尺度,3.区域尺度 区域气候、陆面过程与生态动 力 学过程相互作用4.全球尺度 气候系统与生态系统的耦合,尺度问题的来源？,变量和过程之间的非线性关系地表过程特征参数的空间变异性过程之间的复杂相互作用,尺度扩展的难点,如何估计代表地面空间变异性的模型核心参数，如地表反射率，表面导度、地表粗糙
2、度和土壤含水量，这些参数往往导致地表通量的空间变异。近地面气象要素常常受地表和局地小气候的影响，而偏离其面上平均值。空间变异性、尺度和生态过程真实描述的相互关系,从空间测量可以获得大面积地表特征数据，是尺度扩展的重要手段。,遥感定义,遥远感知,遥感就是对地物在电磁波不同波段范围的反射、发射、透过和吸收的能量进行测量，以识别物体信息或特性的技术。不同地物具有不同的反射、发射和吸收特性，导致遥感方式、平台和应用的多样性。,遥感简介,观测媒体：电磁波谱观测平台：卫星、(航天)飞机、雷达基础：地物反射吸收波谱,土壤水分,降雨、雪,植被,电磁波谱,雪,主要观测平台,遥感观测平台,RS图像的优势,可监测大
3、面积的地物变化获取人眼不能检测的光谱波段特征可定时定点有规律地获取数据,常用于生态学研究的卫星数据,常用的探测器,NOAA AVHRRLandsat TMSPOT VegetationTerra MODIS,遥感为生态研究提供些什么？,充实GIS背景数据地理位置、DEM气象数据气温、地面温度、海水温度、辐射、降水、云土壤信息土壤水分土壤质地植被动态变化信息植被覆盖NDVI，LAI,遥感可以得到的生物物理参数,叶绿素和胡萝卜素在可见光波段的吸收光谱,不同生育阶段，植物叶片的叶绿素含量和胡萝卜素的含量会有所变化，这就导致叶片颜色的变化和冠层反射吸收光谱的变化,植物在不同状态下的光谱反射,植被反射光
4、谱,在可见光波段内,差别不明显,白桦,杉树,松树,植被指数的由来,当人们用不同波段的植被-土壤系统的反射率因子，以一定的形式组合成一个参数时，发现它与植被特性参数间的函数关系，比单一波段值更稳定、可靠，该类组合统称为植被指数。,植被指数的主要形式,简单植被指数,归一化植被指数,土壤调整植被指数,增强型植被指数,植被NDVI季相变化的缘起,植物在不同生育阶段对VIS和NIR波段反射率的不同，形成了NDVI的季相变化,反映植被的变化过程。,NDVI的季相变化,植被指数(NDVI)的年变化,中国陆地区域NDVI,植被指数的订正,由于云的污染、大气变异性、双向反射的影响，植被指数常受扰动。采用滤波的方
5、法消除噪音,SavitzkyGolay 滤波Fourier滤波Best index slope extraction 法,常用的滤波方法,土壤水分不同含水量的土壤具有不同的光谱吸收特性，土壤水分含量越高，反射率越低,RS可直接获取的土壤信息,土壤水分-微波遥感,理论基础在有云覆盖时,可见光波段监测土壤水分很难。微波对云的穿透力强，是微波监测地面水分状况的优势地物发射率取决于介电特性,干燥土壤和水分的介电特性有巨大差异(干土5,水80)微波传感器都对土壤介电特性、表面粗糙度敏感 植被层是半透明的与太阳亮度无关,方法被动微波方法：微波辐射计,重复观测频率高，数据量低，数据处理简单用微波辐射计获取土
6、壤的亮度温度，然后通过物理模型反演土壤水分或与土壤水分建立经验关系。有效采样深度2-5cm微波发射与土壤湿度之间较好的相关关系可以达到20cm土层主动微波方法：成像雷达,数据分辨率高，数据量大，处理复杂发射电磁波,接收后向散射回波,建立地物形态和物理特征与后向散射回波之间的关系以后向散射系数法为主对裸土较好,在有植被覆盖或地表粗糙度大较时,影响较大.,蒸散遥感反演的原理与方法,地表蒸散遥感原理,可见光近红外热红外,反照率植被指数地表温度,转换,净辐射土壤热通量显热通量潜热通量,波文比蒸发比,卫星辐射通量,地表参数,模型,地表能量平衡,湿度指针,遥感蒸散方法,经验直接法 Empirical di
7、rect methods能量收支残差法 Residual methods of the energy budget机理模型法 Deterministic methods植被指数法 Vegetation index methods,经验直接法,能量收支残差法,地表能量平衡,余项法：,感热,净辐射,土壤热通量,净辐射与土壤热通量的反演,参考高度,双层模型,方向性地表温度,地表发射率,覆盖率,时间尺度扩展,日蒸散,方法1,方法2,方法3,净辐射,蒸散,Penman-Monteith 与NDVI结合的遥感蒸散计算方法,潜在蒸散,环境影响因子订正，得到实际蒸散,华北蒸散量,华北灌溉量,全球蒸散随纬度分布
8、,遥感光合生产力,植被光合生产力与植被吸收的光合有效辐射量成正比遥感信息可以估算光合有效辐射量,GPP,NPP 模型,GLO-PEM(GLObal Production Efficiency Model，Prince&Goward,1995)基于生产效率概念，基本上全部利用卫星遥感资料来计算陆地生态系统GPP NPP的生态系统模拟模型CASA NPP model,植物叶片气孔,RS GPP model,The gross daily photosynthesis(g DM m-2 d-1):,C1,C2:CO2 concentration in the air and intercellula
9、r.ra,rc:aerodynamic and canopy resistances,潜在光合有效辐射,推导出,Pg,Pot is estimated from the PAR:,Canopy,PAR0,APAR:冠层吸收的光合有效辐射,模型描述,植被吸收的光合有效辐射APAR,PARabove,PARbelow,地面实测数据裸土NDVI=0.05,郁闭绿色植被,NDVI=0.9对AVHRR数据考虑大气效应的结果,对于地表实测NDVI=0.9而言,对应的AVHRR数据大概降低0.25,fPAR的计算,fpar,对MODIS,fpar也可表示为,fpar=0.95(1-exp(-kLAI),ND
10、VI,FPAR,结果示例,GPP,1987 GLO-PEM NPP,黄土高原2000-2002年GPP(mol C/m2 yr),全球GPP,参考书,徐希儒，遥感物理，北京大学出版社Eagleson,PS著，杨大文译,生态水文学，中国水利水电出版社Bonan,Ecological climatology(生态气候学(有中译本)Campbell and Norman,An introduction to environmental physics(环境物理)。,思考题,生态系统模型为什么需要尺度扩展？那些地表特征参数可由遥感信息反演？植被指数是指什么？它为什么能反映植被的变化？它有何局限性？光能利用率模型的基本原理是什么？它与遥感信息如何结合?遥感蒸散模型的基本原理是什么？,
