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国家自然科学基金委重点项目:被动微波遥感在生态系统监测和碳循环研究中的应用
时间:2016-09-21

  一、项目概况 

  项目由施建成研究员主持,总体目标是通过发展新型的微波植被参数,对生物量反演进行定量化研究,提高对全球植被、生态系统和碳循环过程及其对气候变化的卫星监测能力;加深对生物多样性、气候变化和关键生态因子和过程的交互作用的理解;提高对生态系统与大气水文的交互作用的理解和建模能力。项目执行年限为2010年到2013年。 

  二、项目完成情况 

  (一)建立基于全球的、长期的、稳定的微波植被指数数据库的可行性研究 

  研究了建立全球的、长期的、稳定的微波植被指数数据库的可行性。基于高频WindSat数据发展了适用于低矮植被微波植被指数,并提出了植被指数优化算法;利用SMOSL波段多角度数据发展了适用于浓密植被的微波植被指数;基于WindSat对稀疏低矮植被的敏感性和SMOS浓密植被的敏感性,开发了多传感器微波植被指数归一化的理论和技术。 

1、全球基于WindSat数据的MVIs(X,Ku)分布图,JJA2010(左:Ascending,右:Descending 

 

2、全球基于SMOS数据的MVIs_A(左)和MVIs_B(右)月平均值(20107月) 

3、光学与微波植被指数对比 

  (a)20107月全球NDVI分布;(b) 20107WindsatSMOS融合后全球MVIs_A分布;(c) 20107WindsatSMOS融合后全球MVIs_B分布 

  (二)基于微波遥感的地表生物量估算 

  1、一阶植被辐射传输模型的参数化与高阶植被辐射传输模型的发展 

  针对植被内部结构对微波的一次散射和多次散射问题。通过发展一阶植被辐射传输模型的参数化模型以及高阶植被辐射传输模型,解决了低矮植被参数反演过程过于复杂的问题和浓密植被中微波信号的多次散射问题。为植被光学厚度和生物量反演提供了支持。 

  2、基于微波植被指数的植被光学厚度的反演 

  通过一阶植被辐射传输模型的推导,建立起光学厚度,植被含水量以及植被指数的关系,进而发展了Windsat针对中低矮植被的植被光学厚度反演算法;同时,依据SMOS数据多角度低频数据特点,发展了利用L波段亮温数据的多角度的植被光学厚度反演算法。反演的光学厚度与全球的NDVI和现有生物量产品具有较好的相关性,为计算全球生物量反演提供了基础。 

42010年全球平均X波段植被光学厚度 

5、基于SMOS-MVI的植被光学厚度反演结果

  3、基于微波植被指数发展地表总生物量反演的理论和技术 

  针对SMOS的低频以及多角度亮温数据特点,利用高阶植被辐射传输模型建立包含可能的植被属性的模拟数据库,建立起生物量与植被光学厚度的关系,反演得到了全球生物量。 

  4、区分木质生物量和绿叶生物量的理论和技术的发展 

  通过利用微波信号对植被叶质与木质敏感性不同,分别利用广义瑞利近似法和无限长近似法模拟出叶质光学厚度与木质光学厚度与植被体积的关系,利用预先计算出的植被叶质和木质的比例关系并结合生物量计算方案,分别计算出了叶质与木质各自的生物量,实现了叶质与木质生物量的区分。提高了生物量的估算精度。 

6、反演得到的生物量与SaatchiFAO生物量计算成果对比 

  (三)评估微波植被指数以及生物量在植被动态的过程和碳循环模型中的作用 

  实现了微波植被指数和生物量在植被动态过程和碳循环模型中的作用评估。通过收集大量站点观测数据和卫星遥感数据对SiBCASA模型进行了验证和敏感性分析。在此基础上模拟了局部地区的GPPNEE,并进行了地上碳库和生物量对NEE模拟的敏感性分析。 

  三、研究水平与创新性 

  项目基于WindSatSMOS数据发展了针对低矮和浓密植被均比较敏感的新型微波植被指数,并对其进行了生物量反演的定量化研究,通过与光学传感器结合可以在短期内形成新一代的针对大尺度的全球植被监测系统,进而大大提高对全球植被监测能力。微波植被指数及植被生物量的产品可以提供独立于光学遥感数据估计的树叶生物量的时空变化的木质物质库。可用于模型输出的木质生物量以及各个气候生态系统的生物量分配比例的比较和检验。这一数据源显著改进了生态系统模型的木质物质库的初始化及动态植被和碳循环模型的模拟精度,极大地提高卫星监测全球植被的能力并在改进动态植被和碳循环模型研究及应用中提供了新的机遇。 

  四、实施效果 

  项目研究成果加强了我们对全球、区域植被信息相关的过程的理解,从而能够更好地研究生态系统、碳循环及其与水和能量等地球系统之间的互相作用,以及对气候变化的反馈作用。进而发展对粮食生产、资源的可持续利用、碳循环、生物多样性保护、健康环境的保持等方面的变化的复杂性进行评估。同时,为国家在制定政策、参与国际外交谈判过程中,提供了及时、准确的国家以及全球的生态系统相关信息。 

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