基于多角度光谱数据光化学反射指数与冠层光能利用率关系的构建

发布时间：2018-05-25 08:39

  本文选题：光化学反射指数 + 光能利用率　； 参考：《南京大学》2016年博士论文

【摘要】：植物的光合作用是获取太阳能并转化为化学能的重要进程。通过光合作用,陆地生态系统的总初级生产力成为全球陆地碳通量最大的组成部分,且表现出显著的时空变化。遥感技术具有较广的空间覆盖能力,结合光能利用率模型,有助于提升估算总初级生产力的能力。一旦获得准确的植被冠层吸收的光合有效辐射,光能利用率就成为估算总初级生产力的关键参数。光能利用率的变化由众多限制光合作用进程的因素决定,准确估算光能利用率对于利用遥感数据和光能利用率模型估算区域和全球尺度的总初级生产力起到至关重要的作用。一种有效的方法是利用遥感手段获得的光化学反射指数(PRI=(R531-R570)/(R531 + R570),R531和R570分别为531和570m处的反射率)。但是,冠层尺度光化学反射指数的应用受到很多非生理因素的影响。为了拓展光化学反射指数在监测光合作用特征研究中的应用,需要系统地考虑这些因素的影响。本研究针对影响冠层尺度光化学反射指数应用的主要因素,包括以下研究内容：1)建立自动的多角度高光谱观测系统,以获取连续的冠层多角度光化学反射指数数据；2)利用生长季内多角度观测数据,计算冠层尺度光化学反射指数的算术平均值,评估光化学反射指数监测光能利用率变化的能力,并分析影响光化学反射指数与光能利用率相关关系的外部(非生理)因素：3)区分阴叶和阳叶,结合四尺度几何光学模型,构建两叶光化学反射指数算法；4)评估两叶光化学反射指数算法对提升光化学反射指数监测光能利用率能力的效果,以及减少外部因素对光化学反射指数影响的效果。研究的主要内容和结论归纳如下：1)本研究于2013年1月在江西省千烟洲生态网络实验站通量塔上安装了一套改进的冠层自动多角度高光谱观测系统。在每15分钟一个循环的观测中,可获得用于计算光化学反射指数的多角度光谱数据,观测天顶角为(37°,47°,57。)或(42°,52°,62。)及瞬时的太阳天顶角,观测方位角范围是45。至325。(以北为原点)。获得的光谱数据经白板校正和暗电流校正等预处理后,可用于计算冠层反射率和光化学反射指数。选取观测天顶角小于63。的所有不同角度的光化学反射指数,通过算术平均法求得冠层尺度每半小时的光化学反射指数；2)在亚热带针叶林,半小时的光化学反射指数和光能利用率均表现出明显的日变化和季节变化,并随着饱和水汽压差、气温和光合有效辐射的增加而增加。总的来说,光化学反射指数能够捕捉到光能利用率的日变化和季节变化。然而,光化学反射指数与光能利用率的相关关系在整个生长季中变化剧烈。最显著的相关关系(R2=0.6427,p0.001)发生在7月份,最差的关系发生在5月份。整个生长季中,光化学反射指数在晴朗或多云(晴空指数CI0.3)、饱和水汽压差适中或较高(20 hPa)且温度也较高(31℃)的情况下与光能利用率更为相关。总之,光化学反射指数对探测胁迫状态下的光能利用率的变化具有较好的敏感性,且敏感性随着环境的改善,即空气水汽压、温度和土壤湿度条件良好的情况下而降低；3)为提高方向性光化学反射指数监测光能利用率变化的能力,冠层被视为两片大叶,即阳叶和阴叶。以四尺度几何光学模型为基础,各观测角度的冠层反射可被分解为光照和阴影叶片及光照和阴影背景四部分。为了估算这四部分各自所占的比例,三种理论基础不同的模型用来估算阳叶比例并进行了对比。最终,冠层反射率与叶片反射率的比值作为阳叶比例,而阴叶比例通过四尺度几何光学模型计算。进而,阴叶和阳叶的光化学反射指数可利用每15分钟的多角度观测数据通过最小二乘法拟合得到。根据阴叶和阳叶的比例,以及阴叶和阳叶的光化学反射指数反算得到模拟的光化学反射指数,可以有效的捕捉到每15分钟观测周期内不同角度观测到的光化学反射指数的变化(70%,p0.05,n=5700);4)无论在半小时或日尺度,和通过一定时间段内多角度观测算术平均计算得到的冠层大叶光化学反射指数相比,区分阴阳叶后计算的两叶光化学反射指数与通量观测得到的光能利用率的相关关系都得到了显著提升(60%)。在7至9月份的干季,日平均的两叶光化学反射指数与光能利用率的相关性显著高于大叶光化学反射指数与其的相关性。最显著的相关关系发生在7月(R2=0.785,p0.001)。在半小时尺度,两叶光化学反射指数探测低到中度干旱胁迫影响光能利用率的能力显著,但不能有效探测严重的大气干旱和高温胁迫。这可能是由于植物遭受严重胁迫时,其他方式如光呼吸耗散光合作用无法固定的能量的比例增加,而冠层光化学反射指数无法探测到这种变化。总体来说,两叶算法有效降低了一些非生理因素,如太阳观测几何对光化学反射指数造成的外在干扰。
[Abstract]:The photosynthesis of plants is an important process for obtaining solar energy and converting into chemical energy . Through photosynthesis , the total primary productivity of terrestrial ecosystems becomes the largest component of global terrestrial carbon flux , and shows significant spatial and temporal changes . In order to expand the application of light - chemical reflectance index in monitoring photosynthesis characteristics , the influence of these factors should be considered systematically in order to expand the application of light - chemical reflectance index in monitoring photosynthesis characteristics .
2 ) using multi - angle observation data in the growing season , calculating the arithmetic mean value of the optical chemical reflection index of the crown layer , evaluating the light energy utilization rate variation ability of the light chemical reflection index , and analyzing the external ( non - physiological ) factors influencing the relationship between the light chemical reflection index and the light energy utilization rate : 3 ) differentiating the female and male leaves , combining the four - scale geometric optical model , and constructing the two - leaf photochemical reflection index algorithm ;
4 ) To evaluate the effect of the two - leaf photochemical reflection index algorithm on the light energy utilization rate and to reduce the effect of external factors on the photochemical reflection index . The main contents and conclusions of the study are summarized as follows : 1 ) In January 2013 , a set of improved canopy automatic multi - angle hyperspectral observation system is installed on the flux tower of Qianfuzhou ecological network experiment station in Jiangxi Province . or ( 42 deg . , 52 deg . , 62 . ) and the instantaneous solar zenith angle , the observed azimuth range is 45 . to 325 . ( north is the origin ) . The spectral data obtained can be used to calculate canopy reflectance and photochemical reflection index after pretreatment with white board correction and dark current correction .
2 ) In the subtropical coniferous forest , the photochemical reflection index and the light energy utilization rate of half an hour show obvious diurnal variation and seasonal variation . In general , the correlation between the photochemical reflection index and the light energy utilization rate is more relevant in the whole growing season . In conclusion , the photochemical reflection index is more sensitive to the light energy utilization rate in the whole growing season .
3 ) In order to improve the ability of the index to monitor the change of light energy utilization rate , the crown layer is regarded as two big leaves , namely the male and female leaves . In the half - hour scale , the ability to detect low to moderate drought stress affects the utilization of light energy is remarkable , but it is not effective to detect severe atmospheric drought and high temperature stress . This may be due to the increase in the proportion of energy that cannot be fixed by other means such as photorespiration dissipation photosynthesis when plants suffer severe stress , and the canopy photochemical reflection index cannot detect this change . In general , the two - leaf algorithm effectively reduces some non - physiological factors , such as the external interference caused by the solar observation geometry to the photochemical reflection index .
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：Q945.11
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本文编号：1932801