基于多角度日光诱导叶绿素荧光估算水稻光能利用率

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光能利用率(Light Use Efficiency,LUE)是计算植被生产力的重要参数,而现有模型估算光能利用率有较大偏差,基于遥感的日光诱导叶绿素荧光(Solar-induced Chlorophyll Fluorescence,SIF)给这个的解决带来了新希望。当前有关日光诱导叶绿素荧光SIF与植被光能利用率LUE的关系研究不断涌现。研究证明SIF在直接估算实LUE方具有极大的潜力。但是,SIF指标受到光照条件及观测角度等因素的影响,SIF与LUE之关系存在很大的时和空变异,容易受到观测天角、观测方位角、天气条件、冠层结构等众多因素的影响。为此,本研究通过试观测获取了大量常规气象观测数据,设计地自动遥感观测平台获取太辐射数据以及水稻冠层多角度光谱反射数据,基于涡度相关系统获取稻田CO2通量等数据,同时通过大田试获取田水稻生物量、叶积指数等数据。基于实测数据证并分析了夫琅和费暗线原理(Fraunhofer Line Discrimination,FLD)的光谱特点,比较分析了FLD算法、3FLD算法提取的SIF数据的差异;分别对研究期内的典型晴天和典型天的通量数据进行计算和分析,得到了日尺度和季节尺度上水稻冠层GPP和LUE的变化特征并构建了不同天气条件下水稻冠层SIF反演LUE的模型;基于不同观测角度下获取的实测光谱数据,计算多角度的水稻冠层SIF,构建不同角度下SIF反演LUE的模型;最后基于两叶光能利用率模型计算了水稻冠层LUE,剔了冠层内部散射辐射对LUE的影响,提了LUE的估算精度,提升了SIF对LUE的指示效果。研究所得的主要结论如下:(1)通过对试水稻自然光照射下的太入射辐照度数据和冠层反射辐亮度数据进行光谱观测,可以发现水稻的光谱曲线在688nm波段近以及760nm波段近,有明显的日光诱导叶绿素荧光现象,这符合夫琅和费暗线原理的特点。通过夫琅和费暗线原理的基本提取算法FLD及其改进后的提取算法3FLD均能够得到水稻冠层的日光诱导叶绿素荧光SIF数据,且3FLD提取SIF的算法从原理上比FLD的算法更加科学合理和准确。(2)日尺度下的稻田Re、NEE、GPP、APAR在不同天气条件下的变化有所区别,天的绝对数值明显小于晴天,从整个研究期看,GPP和APAR均呈现减小的趋势。使用NDVI-LAI经模型可以较好地模拟整个研究期内缺失的叶积指数LAI,并可以此求算整个研究期内的LUE季节变化,发现其呈现减小趋势。在区分晴天和天的情况下,SIF-LUE之的相关关系表现有所差别,晴天SIF-LUE具有明显的线性相关关系但是天其相关关系较差。(3)水稻冠层SIF与LUE在晴天日尺度和季节尺度上均呈现出良好的负相关关系。但是着观测角度的改变,水稻冠层SIF的大小发生变化,SIF-LUE的相关关系也着观测角度的变化而变化。在一定范围内,观测天角越大,SIF-LUE的相关程度越强,观测天角为60°时观测得到的SIF与LUE的相关性最为显著,R2为0.7。(4)水稻冠层日光诱导叶绿素荧光SIF与改进后的LUEc相关性有明显增强,SIF-LUE的反演能力有所提,LUE模拟值比通过涡度相关法提取的LUE实测值要。
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