获取作物叶面积指数(leaf area index, LAI)及其动态变化信息对作物长势监测和产量估测等具有重要意义。基于辐射传输模型的物理模型反演是LAI遥感反演最常用的方法,但该方法存在反演值不唯一的问题。此外,现有研究通常只针对单一作物类...获取作物叶面积指数(leaf area index, LAI)及其动态变化信息对作物长势监测和产量估测等具有重要意义。基于辐射传输模型的物理模型反演是LAI遥感反演最常用的方法,但该方法存在反演值不唯一的问题。此外,现有研究通常只针对单一作物类型,缺乏针对多类型作物的精度较高的LAI反演算法。该研究以玉米和水稻为主要作物的农田为例,基于PROSAIL模型模拟数据集,通过分析不同类型作物的缨帽三角-植被等值线分布模式,将植被覆盖度作为先验知识,构建用于反演多类型作物的LAI反演查找表,将其用于多时相GF-1 WFV(wide-field view)影像,反演获得整个生长季不同生长时期的LAI,并利用地面实测数据进行验证。研究结果显示:将植被覆盖度作为先验知识构建的查找表反演的LAI和实测值相关性较显著(R^(2)=0.60),均方根误差(RMSE)为0.75,反演的整个生长期LAI的变化趋势与实测LAI的变化趋势一致。而由未加入先验知识的查找表反演的LAI值和实测值的R^(2)为0.47,RMSE为0.85。该研究表明,基于缨帽三角-植被等值线分布模式,在构建涉及多类型作物的农田LAI反演的查找表中引入先验知识,能够显著提高LAI反演的精度,有效获得作物的LAI信息。展开更多
叶面积指数(leaf area index,LAI)作为衡量作物生长状况的关键参数,对其进行精准高效的反演对于作物监测、产量预测等活动至关重要。然而,传统经验模型在估算LAI时常存在计算负荷重、泛化能力弱等问题。为实现青贮玉米多时序LAI精准、...叶面积指数(leaf area index,LAI)作为衡量作物生长状况的关键参数,对其进行精准高效的反演对于作物监测、产量预测等活动至关重要。然而,传统经验模型在估算LAI时常存在计算负荷重、泛化能力弱等问题。为实现青贮玉米多时序LAI精准、高效估算,该研究以甘肃省民乐县的大田青贮玉米LAI为研究对象,结合Landsat-8多光谱影像与同期实地采集的LAI数据,提出了4种基于EFAST全局敏感性分析方法的机器学习混合反演模型(MLP-PROSAIL、SVR-PROSAIL、RF-PROSAIL和GBM-PROSAIL)。通过对PROSAIL模型的输入参数进行敏感性分析,以便确定参数敏感度并准确模拟输出冠层反射率光谱。进一步对Landsat-8多光谱数据进行预处理和波段变换,并采用地理配准工具结合反距离加权插值的策略减少其尺度差异。同时利用贝叶斯超参数寻优和正则化技术优化模型不同的参数类型和激活函数,得到4种改进模型用于训练LAI与光谱数据,通过5折交叉验证法和留一验证法对4种模型的反演性能进行验证并选出最优模型。优化后的模型性能均有明显提升,其中,GBM-PROSAIL模型反演性能最优,拟合精度R^(2)为0.93、均方根误差(RMSE)为0.42。MLP-PROSAIL、SVR-PROSAIL和RF-PROSAIL模型的拟合精度R^(2)依次为0.85、0.88、0.90,RMSE依次为0.80、0.69、0.51。根据GBM-PROSAIL模型绘制的研究区多时序LAI反演空间分布结果表明:不同生长期青贮玉米LAI值存在明显差异,能较好反映其生长过程。该研究提出的混合反演模型具有较高的性能及较强的鲁棒性,可为多时序、大尺度作物监测、产量预测相关研究提供方法与思路。展开更多
[目的]叶面积指数(leaf area index, LAI)作为生态系统水循环过程模拟研究的关键参数,其快速动态模拟可解决土壤水-汽-热-气耦合模型STEMMUS(simultaneous transfer of energy, mass and momentum in unsaturated soil)只能使用固定或实...[目的]叶面积指数(leaf area index, LAI)作为生态系统水循环过程模拟研究的关键参数,其快速动态模拟可解决土壤水-汽-热-气耦合模型STEMMUS(simultaneous transfer of energy, mass and momentum in unsaturated soil)只能使用固定或实测LAI作为输入参数的局限性。[方法]将EPIC模型中的“植物叶面积发育子模块”与STEMMUS模型耦合,采用2019年和2020年子洲县山地苹果试验示范基地苹果生长条件下实测的果树蒸腾、土壤水分和土壤温度数据对模型进行率定与验证,以评估耦合模型在黄土高原的适用性。[结果]通过优化植物生长参数,耦合叶面积发育子模块后的STEMMUS模型对苹果树蒸腾耗水过程的模拟精度显著提高,率定年和验证年的归一化均方根误差(NRMSE)和平均绝对误差(MAE)分别从原模型的40.2%、61.9%和0.52、0.64 mm/d降低到耦合模型的30.0%、33.2%和0.42、0.38 mm/d。同时,耦合模型可较好地模拟苹果园的土壤水热动态过程,在率定期和验证期模拟土壤水分体积分数和土壤温度的NRMSE分别为1.4%~32.9%和2.9%~9.5%,MAE分别为0.13~4.26 cm^(3)/cm^(3)、0.34~1.49℃。[结论]模拟值与实测值吻合度较高,表明耦合模型可准确描述黄土高原苹果园果树叶面积动态生长和生态水文过程,研究结果可为黄土区果园生态水文过程的研究提供技术支撑。展开更多
评估地球系统模式对气候和植被的模拟能力是利用地球系统模式研究植被对气候变化响应的基础。基于观测和遥感数据,本文评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中18个全球耦合模式对中国生长季温度、降水和叶面积指数(Leaf Area Index,...评估地球系统模式对气候和植被的模拟能力是利用地球系统模式研究植被对气候变化响应的基础。基于观测和遥感数据,本文评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中18个全球耦合模式对中国生长季温度、降水和叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)的模拟性能。我们基于多元线性回归模型定量了植被对温度、降水的敏感性,对CMIP6模式关于植被敏感性的模拟能力进行定量评估。研究结果表明:(1)大部分模式可较好地模拟生长季温度、降水和LAI的气候态空间分布特征,但普遍高估全国平均LAI,且各模式对气候和植被变化趋势的模拟结果存在较大偏差;(2)与观测数据相比,模式关于LAI对温度和降水的敏感性符号模拟能力均表现出对正值区的模拟优于对负值区的模拟,并且典型脆弱区植被敏感性大于中国区域植被敏感性,模式对植被敏感性幅度及其与气候场对应关系的模拟方面存在较大偏差;(3)基于模式在生长季的温度、降水、LAI及其敏感性方面的综合排名,四个模拟性能最佳的模式分别为CanESM5–CanOE、INM–CM5–0、IPSL–CM6–LR和MPI–ESM1–2–LR。展开更多
针对海南岛耕地撂荒形成的草地无序放牧较为普遍的现象,以不同放牧方式(轮牧和连续放牧)、不同放牧强度(重度、中度和轻度)进行草地放牧试验,利用多光谱无人机和植被冠层分析仪,获取放牧期间日尺度草地叶面积指数(Leaf area index,LAI)...针对海南岛耕地撂荒形成的草地无序放牧较为普遍的现象,以不同放牧方式(轮牧和连续放牧)、不同放牧强度(重度、中度和轻度)进行草地放牧试验,利用多光谱无人机和植被冠层分析仪,获取放牧期间日尺度草地叶面积指数(Leaf area index,LAI)信息,定量分析不同放牧策略对草地叶面积指数及牧牛行为变化的影响。研究结果表明:(1)中度放牧条件下的轮牧有利于草地LAI的提升。重度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为3.21%和12.65%;中度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为52.01%和25.83%;轻度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为61.02%和60.37%。(2)重度放牧条件下,牛的采食时间占比始终最高,随着采食时间占比的增加,草地LAI的减少量也随之增加,但当采食时间占比增加至70.88%~73.42%时,草地LAI的减少量逐渐降低。此时,草地叶面积指数下降到初始状态(第一天啃食前)的79.60%~79.90%,即牛的啃食量已经到达了草地LAI当日能够供给的极限,当超过这个极限时,草地可食用牧草大幅减少,牲畜个体采食竞争加剧,同时牛的啃食行为时间占比大大提高。研究结果有助于优选出牧场尺度下最佳的草畜管理措施,为热带草地畜牧系统的可持续发展从新的角度提供理论方法和决策支撑,助力国家生态文明试验区(海南)的建设。展开更多
文摘叶面积指数(leaf area index,LAI)作为衡量作物生长状况的关键参数,对其进行精准高效的反演对于作物监测、产量预测等活动至关重要。然而,传统经验模型在估算LAI时常存在计算负荷重、泛化能力弱等问题。为实现青贮玉米多时序LAI精准、高效估算,该研究以甘肃省民乐县的大田青贮玉米LAI为研究对象,结合Landsat-8多光谱影像与同期实地采集的LAI数据,提出了4种基于EFAST全局敏感性分析方法的机器学习混合反演模型(MLP-PROSAIL、SVR-PROSAIL、RF-PROSAIL和GBM-PROSAIL)。通过对PROSAIL模型的输入参数进行敏感性分析,以便确定参数敏感度并准确模拟输出冠层反射率光谱。进一步对Landsat-8多光谱数据进行预处理和波段变换,并采用地理配准工具结合反距离加权插值的策略减少其尺度差异。同时利用贝叶斯超参数寻优和正则化技术优化模型不同的参数类型和激活函数,得到4种改进模型用于训练LAI与光谱数据,通过5折交叉验证法和留一验证法对4种模型的反演性能进行验证并选出最优模型。优化后的模型性能均有明显提升,其中,GBM-PROSAIL模型反演性能最优,拟合精度R^(2)为0.93、均方根误差(RMSE)为0.42。MLP-PROSAIL、SVR-PROSAIL和RF-PROSAIL模型的拟合精度R^(2)依次为0.85、0.88、0.90,RMSE依次为0.80、0.69、0.51。根据GBM-PROSAIL模型绘制的研究区多时序LAI反演空间分布结果表明:不同生长期青贮玉米LAI值存在明显差异,能较好反映其生长过程。该研究提出的混合反演模型具有较高的性能及较强的鲁棒性,可为多时序、大尺度作物监测、产量预测相关研究提供方法与思路。
文摘[目的]叶面积指数(leaf area index, LAI)作为生态系统水循环过程模拟研究的关键参数,其快速动态模拟可解决土壤水-汽-热-气耦合模型STEMMUS(simultaneous transfer of energy, mass and momentum in unsaturated soil)只能使用固定或实测LAI作为输入参数的局限性。[方法]将EPIC模型中的“植物叶面积发育子模块”与STEMMUS模型耦合,采用2019年和2020年子洲县山地苹果试验示范基地苹果生长条件下实测的果树蒸腾、土壤水分和土壤温度数据对模型进行率定与验证,以评估耦合模型在黄土高原的适用性。[结果]通过优化植物生长参数,耦合叶面积发育子模块后的STEMMUS模型对苹果树蒸腾耗水过程的模拟精度显著提高,率定年和验证年的归一化均方根误差(NRMSE)和平均绝对误差(MAE)分别从原模型的40.2%、61.9%和0.52、0.64 mm/d降低到耦合模型的30.0%、33.2%和0.42、0.38 mm/d。同时,耦合模型可较好地模拟苹果园的土壤水热动态过程,在率定期和验证期模拟土壤水分体积分数和土壤温度的NRMSE分别为1.4%~32.9%和2.9%~9.5%,MAE分别为0.13~4.26 cm^(3)/cm^(3)、0.34~1.49℃。[结论]模拟值与实测值吻合度较高,表明耦合模型可准确描述黄土高原苹果园果树叶面积动态生长和生态水文过程,研究结果可为黄土区果园生态水文过程的研究提供技术支撑。
文摘评估地球系统模式对气候和植被的模拟能力是利用地球系统模式研究植被对气候变化响应的基础。基于观测和遥感数据,本文评估了第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中18个全球耦合模式对中国生长季温度、降水和叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)的模拟性能。我们基于多元线性回归模型定量了植被对温度、降水的敏感性,对CMIP6模式关于植被敏感性的模拟能力进行定量评估。研究结果表明:(1)大部分模式可较好地模拟生长季温度、降水和LAI的气候态空间分布特征,但普遍高估全国平均LAI,且各模式对气候和植被变化趋势的模拟结果存在较大偏差;(2)与观测数据相比,模式关于LAI对温度和降水的敏感性符号模拟能力均表现出对正值区的模拟优于对负值区的模拟,并且典型脆弱区植被敏感性大于中国区域植被敏感性,模式对植被敏感性幅度及其与气候场对应关系的模拟方面存在较大偏差;(3)基于模式在生长季的温度、降水、LAI及其敏感性方面的综合排名,四个模拟性能最佳的模式分别为CanESM5–CanOE、INM–CM5–0、IPSL–CM6–LR和MPI–ESM1–2–LR。
文摘针对海南岛耕地撂荒形成的草地无序放牧较为普遍的现象,以不同放牧方式(轮牧和连续放牧)、不同放牧强度(重度、中度和轻度)进行草地放牧试验,利用多光谱无人机和植被冠层分析仪,获取放牧期间日尺度草地叶面积指数(Leaf area index,LAI)信息,定量分析不同放牧策略对草地叶面积指数及牧牛行为变化的影响。研究结果表明:(1)中度放牧条件下的轮牧有利于草地LAI的提升。重度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为3.21%和12.65%;中度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为52.01%和25.83%;轻度放牧时,轮牧和连续放牧草地的LAI上升的区域占草地总面积的比例分别为61.02%和60.37%。(2)重度放牧条件下,牛的采食时间占比始终最高,随着采食时间占比的增加,草地LAI的减少量也随之增加,但当采食时间占比增加至70.88%~73.42%时,草地LAI的减少量逐渐降低。此时,草地叶面积指数下降到初始状态(第一天啃食前)的79.60%~79.90%,即牛的啃食量已经到达了草地LAI当日能够供给的极限,当超过这个极限时,草地可食用牧草大幅减少,牲畜个体采食竞争加剧,同时牛的啃食行为时间占比大大提高。研究结果有助于优选出牧场尺度下最佳的草畜管理措施,为热带草地畜牧系统的可持续发展从新的角度提供理论方法和决策支撑,助力国家生态文明试验区(海南)的建设。
