塔基平台的日光诱导叶绿素荧光观测与GPP估算

论文摘要

塔基平台观测的光谱数据由于在时间、空间尺度上均与涡动相关方法观测的碳通量数据相匹配,可以解决生态系统尺度的通量观测数据与卫星遥感数据在时间和空间上不匹配的问题,从而作为连接通量站点与卫星遥感数据间的“桥梁”。而陆地生态系统的总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）是碳循环的重要分量,更精确地掌握GPP的时空动态特征,是理解碳循环的重要前提。论文的主要工作如下:（1）设计新型双通道AutoSIF-1观测系统,观测数据按照太阳入照、地物反射和太阳入照顺序进行记录,其经过室内绝对辐射定标之后,可以将无物理意义的原始数据转化为辐亮度或辐照度,为反演日变化的日光诱导叶绿素荧光（Solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF）提供了基础。（2）水平地表与塔基平台之间由于大气吸收、散射的作用,对O2-A吸收波段反演SIF的误差难以忽视。首先,分析了大气辐射传输对塔基平台上下行辐射的影响,建立了基于上下行透过率的大气校正方法,即通过直射光透光率和总的透过率校正上下行辐射的影响。其次,利用中分辨率大气传输模型的模拟数据,定量分析了550 nm气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth at 550 nm,AOD550)、辐射传输路径长度对大气透过率的影响,并建立了基于近红外与红光波段下行辐照度比值和太阳天顶角的AOD550查找表（Look-up Table,LUT）,以及基于AOD550和辐射传输路径长度的上下行大气透过率LUT。最后,利用塔基平台观测的不同生育期玉米冠层光谱数据,分析了大气校正前后O2-A波段吸收线内外表观反射率的差异,以及玉米冠层与塔基平台反演SIF的大小。结果表明,本文提出基于AOD550和辐射传输路径长度的LUT大气校正方法,可以较好地校正塔基平台O2-A吸收波段大气上下行辐射传输的影响,为塔基平台的SIF观测等应用提供了重要方法支持。（3）以大满超级站的通量数据和塔基光谱数据为数据源,使用3种植被指数（Vegetation Index,VI）与光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation,PAR）的乘积、SIF分别反演玉米冠层尺度的GPP,构建线性回归模型进行建模与验证。结果表明,在全时期时间序列动态分析中,VI×PAR、SIF与GPP具有较高的一致性,整体变化情况为先增大后减小,在抽雄期间达到最大值。抽雄前期选择NDVI×PAR、EVI2×PAR、CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R2>0.835,RMSE<1.982 gC/m2/d;抽雄后期选择CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R2=0.830,RMSE=2.200 gC/m2/d;全时期选择EVI2×PAR、CIred edge×PAR为优选模型,建模数据R2>0.793,RMSE<2.288 gC/m2/d。基于SIF建立的GPP反演模型较为稳定,建模数据R2>0.663,RMSE<2.988 gC/m2/d。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和研究意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 国内外研究现状综述
•     1.2.1 叶绿素荧光观测与反演方法进展
•     1.2.2 总初级生产力估算方法进展
•   1.3 研究内容和技术路线
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 技术路线
•   1.4 论文章节组织和内容
• 2 实验数据和数据预处理
•   2.1 研究区域介绍
•   2.2 塔基叶绿素荧光观测系统
•     2.2.1 叶绿素荧光观测系统的组成
•     2.2.2 叶绿素荧光观测系统的数据采集和辐射定标
•     2.2.3 叶绿素荧光观测系统的数据预处理
•   2.3 气象和涡动观测系统
•     2.3.1 自动气象和涡动相关系统的组成
•     2.3.2 碳通量数据预处理
•   2.4 地面验证数据
•   2.5 MODTRAN模拟数据
•   2.6 本章小结
• 3 塔基平台的日光诱导叶绿素荧光遥感反演
•   3.1 大气辐射传输理论
•   3.2 塔基平台上下行大气透过率估算
•   3.3 温度与气压对大气透过率影响的校正
•   3.4 气溶胶光学厚度估算方法
•   3.5 大气校正结果及精度评价
•     3.5.1 基于吸收线内外表观反射率差异的大气校正效果验证
•     3.5.2 基于叶绿素荧光的大气校正效果验证
•   3.6 本章小结
• 4 基于植被指数和叶绿素荧光的GPP估算
•   4.1 数据分析与建模
•     4.1.1 最优植被指数
•   4.2 塔基GPP反演结果与精度评价
•     4.2.1 植被指数、叶绿素荧光与GPP的时间动态分析
•     4.2.2 抽雄前后期植被指数、叶绿素荧光与GPP相关性分析
•   4.3 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间所发表的论文、软著

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭健

导师: 竞霞,刘良云

关键词: 塔基光谱观测,日光诱导叶绿素荧光,大气校正,查找表,总初级生产力,植被指数

来源: 西安科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 西安科技大学

分类号: Q945

总页数: 56

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