A methodology for estimating Leaf Area Index by assimilating remote sensing data into crop model based on temporal and spatial knowledge

In this paper,a methodology for Leaf Area Index(LAI) estimating was proposed by assimilating remote sensed data into crop model based on temporal and spatial knowledge.Firstly,sensitive parameters of crop model were calibrated by Shuffled Complex Evolution method developed at the University of Arizona(SCE-UA) optimization method based on phenological information,which is called temporal knowledge.The calibrated crop model will be used as the forecast operator.Then,the Taylor′s mean value theorem was applied to extracting spatial information from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS) multi-scale data,which was used to calibrate the LAI inversion results by A two-layer Canopy Reflectance Model(ACRM) model.The calibrated LAI result was used as the observation operator.Finally,an Ensemble Kalman Filter(EnKF) was used to assimilate MODIS data into crop model.The results showed that the method could significantly improve the estimation accuracy of LAI and the simulated curves of LAI more conform to the crop growth situation closely comparing with MODIS LAI products.The root mean square error(RMSE) of LAI calculated by assimilation is 0.9185 which is reduced by 58.7% compared with that by simulation(0.3795),and before and after assimilation the mean error is reduced by 92.6% which is from 0.3563 to 0.0265.All these experiments indicated that the methodology proposed in this paper is reasonable and accurate for estimating crop LAI.     

基于物理模型训练神经网络的作物叶面积指数遥感反演研究

叶面积指数(LAI)是估算作物生长的关键参数。基于物理模型的LAI反演,被认为是当前最为可靠的方法,但其反演复杂。本文提出了将物理模型和神经网络相结合,从地表反射率反演叶面积指数的算法,利用MOD IS地表反射率和4-scale模型反演作物LAI。(1)利用4-scale模型模拟不同LAI与地表反射率的关系,生成训练数据;(2)利用模型模拟的LAI训练神经网络;(3)以MOD IS地表反射率输入训练后的神经网络,反演LAI。估算的LAI与其他LAI产品进行了比较,结果表明,估算的作物LAI和MOD IS及CYCLOPES LAI产品空间和时间分布一致,均方根误差分别为0.4994和0.6558。以2004年衡水的作物LAI地面观测数据进行了直接验证,估算的LAI与研究区地表植被分布一致,但是,三种卫星LAI产品都小于地表测量,故需针对华北平原浓密作物设计模型参数化方案。     

2001-2017年中国不同耕作区重建MODIS LAI时空动态

叶面积指数Leaf Area Index(LAI)作为植被生物量指标之一,耕作区LAI不仅能反映作物的长势动态,且与农业生态、作物产量密切相关.本文通过对2001-2017年中国农田区域的MODIS-LAI长时序数据进行重建,利用Mann-Kendall检验、变异系数、重心迁移模型等方法分析了中国耕作区LAI的时空变化...     

基于HJ-1A CCD1数据的台湾相思树叶面积指数反演

基于HJ-1A CCD1环境卫星数据,以福建沿海地区普遍分布的台湾相思树为研究对象,利用回归分析法(NDVI、OSAVI、EVI、HJVI)和PROSAIL辐射传输模型,构建台湾相思树LAI反演模型。同时,利用同步野外地面实测数据,将模型估算LAI值与实测LAI值进行对比。结果表明：(1)相比归一化植被指数NDVI、优化土壤调节指数OSAVI和增强型植被指数EVI 3种常用植被指数,引入修正大气、土壤背景影响的蓝、绿波段的环境植被指数HJVI来反演相思树LAI具有更高的精度(R²=0.7344,RMSE=0.1421);(2)本研究所选4种植被指数构建的最优反演模型均为非线性模型,其中,环境植被指数HJVI反演LAI最优模型为幂函数模型,表明相思树LAI与植被指数之间呈非线性变化;(3)PROSAIL辐射传输模型法比回归分析法反演相思树LAI的精度有较大提高(R²=0.7903,RMSE=0.1303),可见PROSAIL模型法构建反演模型能更好地反演相思树LAI。     

新疆塔里木盆地北缘铀矿勘查中高分辨率遥感分析应用

 高分辨率遥感技术(包括高空间分辨率和高光谱分辨率)是新世纪以来地质勘查领域的重要新技术、新方法。本文以新疆塔里木盆地北缘巴什布拉克铀矿区和柯坪地区为例,研究了Quickbird高空间分辨率卫星遥感技术和CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager)/SASI (Shortwave infrared Airborne Spectrographic Imager)航空高光谱遥感技术在铀矿勘查中的应用。首先,介绍了Quickbird和CASI/SASI高分辨率遥感数据的特点和处理方法;然后,分析了Quickbird高空间分辨率遥感技术在新疆塔里木盆地北缘巴什布拉克铀矿区油气还原褪色蚀变识别与空间分布规律分析中的应用,为铀矿油气还原成因研究和外围找矿方向提供重要依据;并研究了Quickbird与CASI/SASI两种高分辨率遥感技术在新疆塔里木盆地北缘柯坪地区铀矿勘查中的应用,发现了萨拉姆布拉克铀矿化带及其铀矿化蚀变空间分布特征,确定了铀矿化蚀变类型,预测了铀矿找矿靶区,为该地区铀矿勘查的新突破提供了重要依据。上述应用表明,高分辨率遥感技术在铀矿地质勘查领域可以取得很好的应用效果,值得广大遥感地质工作者今后进一步深入挖掘其应用潜力。     

对Beer-Lambert定律间接测量森林LAI的误差低估分析

 叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是表征植被冠层结构的核心参数。在地面对LAI的间接测量是遥感反演算法验证和改进的重要手段,而目前基于Beer-Lambert定律的森林LAI地面间接测量方法存在着严重的低估问题。本文通过理论分析,指出Beer-Lambert定律在应用到森林叶面积指数测量时,LAI低估的根本原因来源于叶面积体密度、消光路径及叶倾角投影G函数在空间上的不均匀性,并定量评估了冠层非随机分布对LAI测量结果的影响,发现植被冠层的非随机分布会对LAI的测量带来20％~40%的误差。这一结论,对于Beer-Lambert定律的简单修正应用于森林LAI间接测量时仍存在着较大的局限性,尚未能根本上解决LAI的低估问题,故间接测量LAI的理论和方法需进一步深入研究。     

Evaluation of spectral scale effects in estimation of vegetation leaf area index using spectral indices methods

Spectral index methodology has been widely used in Leaf Area Index (LAI) retrieval at different spatial scales. There are differences in the spectral response of different remote sensors and thus spectral scale effect generated during the use of spectral indices to retrieve LAI. In this study, PROSPECT, leaf optical properties model and Scattering by Arbitrarily Inclined Layers (SAIL) model, were used to simulate canopy spectral reflectance with a bandwidth of 5 nm and a Gaussian spectral response function was employed to simulate the spectral data at six bandwidths ranging from 10 to 35 nm. Additionally, for bandwidths from 5 to 35 nm, the correlation between the spectral index and LAI, and the sensitivities of the spectral index to changes in LAI and bandwidth were analyzed. Finally, the reflectance data at six bandwidths ranging from 40 to 65 nm were used to verify the spectral scale effect generated during the use of the spectral index to retrieve LAI. Results indicate that Vegetation Index of the Universal Pattern Decomposition (VIUPD) had the highest accuracy during LAI retrieval. Followed by Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Modified Simple Ratio Indices (MSRI) and Triangle Vegetation Index (TVI), although the coefficient of determination R ² was higher than 0.96, the retrieved LAI values were less than the actual value and thus lacked validity. Other spectral indices were significantly affected by the spectral scale effect with poor retrieval results. In this study, VIUPD, which exhibited a relatively good correlation and sensitivity to LAI, was less affected by the spectral scale effect and had a relatively good retrieval capability. This conclusion supports a purported feature independent of the sensor of this model and also confirms the great potential of VIUPD for retrieval of physicochemical parameters of vegetation using multi-source remote sensing data.     

真实和有效叶面积指数及聚集指数的尺度效应

尺度效应是地球科学和定量遥感中的重要研究课题,目前的许多研究大多集中在估算尺度效应带来的误差,而对一些关键的植被结构参数是否存在尺度效应及其尺度转换方法尚存在诸多不同见解。本文针对真实和有效叶面积指数（Leaf Area Index, LAI和Effective LAI, LAI_e）以及聚集指数（Clumping Index, CI）3个植被关键结构参数,从基本概念和获取方法上分析参数的尺度效应及其尺度转换方法。从定义上看,LAI并不存在尺度效应,而LAI_e和CI则存在尺度效应,其中CI的尺度效应由LAIe引入（CI=LAI_e/LAI）。在野外实测中,LAI破坏测量法没有尺度效应,但由孔隙率模型获取3个参数的方法均具有尺度效应。异速生长方程和遥感反演方法的尺度效应取决于方法本身的线性或非线性特征。目前全球主要的LAI、LAI_e和CI遥感产品都基于非线性模型获取,其反演过程具有尺度效应。像元尺度的LAI本身并不具有尺度效应,而像元尺度的LAI_e和CI虽然具有尺度效应,但在实践中常常被忽略。因此,实际工作中应注意区分参数概念本身、野外测量、遥感反演方法以及遥感产品等所展示的不同尺度效应。     

玉米叶面积指数的CHRIS/PROBA数据反演分析

叶面积指数(LAI)是衡量植被生态状况和估算作物产量的一个重要指标。LAI的反演是定量遥感研究的重要内容。传统的经验统计反演方法基于单一观测角度的遥感数据进行,忽略了地物反射率的方向性。若在反演中加入多观测角度的信息,则有可能提升LAI反演的精度。以2008年甘肃省张掖市玉米实验区为研究区,利用欧空局的CHRIS/PROBA多角度高光谱数据对比分析了传统植被指数NDVI、RVI、EVI的变化规律及其反演玉米叶面积指数LAI的精度,并根据NDVI随观测角度的变化规律,构造出新型多角度归一化植被指数MNDVI,分别对实测叶面积指数进行线性回归并利用实测数据对估算LAI进行精度验证,结果表明：新型MNDVI指数相比于传统NDVI、RVI、EVI对LAI的反演精度有了显著提升,估算模型决定系数R²达到0.716,精度验证均方根误差为0.127,平均减小了33.3%。     

高光谱遥感技术及其水利应用进展

面向新时期水利行业“补短板”和“强监管”的应用需求,遥感的前沿技术高光谱遥感凭借较高的光谱分辨率和图谱合一等优势,在水生态、水环境等水利行业的应用中发挥了重要作用,同时在水灾害、水资源等层面中也存在着一定的应用潜力。本文介绍了高光谱遥感的成像原理,回顾了成像光谱仪的发展,列举了目前国内外典型的高光谱载荷。重点介绍了高光谱遥感在水利行业的应用进展,包括水华及水生植物监测、水华和水草精确区分、叶绿素浓度反演、悬浮物浓度和泥沙含量定量估算等具体工作。指出高光谱遥感在实时大范围洪涝灾害应急监测、陆表水文参数定量反演等工作存在一定的发展潜力。最后对高光谱遥感在水利行业的应用存在的瓶颈问题进行总结分析并提出展望：多平台高光谱水利要素立体监测与集成技术研发;水利典型地物要素标准波谱数据库构建;水利高光谱遥感信息智能挖掘的理论方法研究。为拓宽高光谱遥感在水利应用中的研究提供参考。     

基于SEVI的复杂地形山区植被FPAR遥感反演与地形效应评估

植物吸收性光合有效辐射分量（FPAR）的遥感反演是生态环境领域的核心研究内容之一,但在复杂地形山区,其估算精度严重受到地形效应的影响（包括本影与落影）。本文利用能够消除地形阴影影响的阴影消除植被指数（SEVI）对山区遥感影像进行FPAR反演,并分别与基于不同影像预处理程度计算的归一化植被指数（NDVI）、比值型植被指数（RVI）反演的FPAR做对比分析,以评估复杂山区反演FPAR存在的地形效应。结果表明：在不做地形校正的情况下,基于NDVI与RVI反演FPAR会使得本影及落影区域的值远小于非阴影区域的值,它们的相对误差均大于70%;基于C校正后的NDVI与RVI反演FPAR可以较好地校正本影区域,相对误差降至约6.974%,但落影处的校正效果不明显,相对误差约为48.133 %;而基于SEVI反演FPAR无需DEM数据的支持,可以达到经FLAASH+C组合校正后NDVI与RVI反演FPAR相似的结果,且能改善落影区域的地形校正效果,相对误差降至约2.730%。     

同化叶面积指数和蒸散发双变量的冬小麦产量估测方法

同化遥感信息到作物生长过程模拟模型,是估测区域作物产量的重要方法之一。同化变量的选取对同化结果精度至关重要。本文在标定WOFOST作物模型参数的基础上,优化了WOFOST模型的默认灌溉参数。利用ET和LAI作为同化变量,分别构建了时间序列趋势信息的代价函数和四维变分代价函数;采用SCE-UA算法最小化代价函数, 重新初始化WOFOST模型初始参数——作物初始干物质重、作物35 ℃生命期和灌溉量。最后利用MODIS LAI产品（MCD15A3）、MODIS ET产品（MOD16A2）,同化到作物模型估测产量,并对比分析了水分胁迫模式下同化单变量（ET或LAI）和同化双变量（ET和LAI）的估产精度。结果表明：同化双变量ET和LAI的策略,优于同化单变量LAI或ET,双变量策略的冬小麦产量估测精度为R²=0.432,RMSE=721 kg/hm²;单独同化高精度LAI对提高估产精度具有重要作用,其冬小麦产量估测精度为R²=0.408,RMSE=925 kg/hm²;单独同化ET的趋势信息改善了WOFOST模型模拟水分平衡的参数,但是,产量估测精度（R²=0.013,RMSE=1134 kg/hm²）与模型模拟估测产量精度（R²=0.006,RMSE=1210 kg/hm²）相比改善效果有限。本研究为其他区域的遥感数据与作物模型的双变量数据同化的作物产量估测研究提供了参考价值。     

Application of homotopy parameter inversion method in Miyun Reservoir

The large-scale convergence of homotopy parametric inversion method on the water quality model parameters calculated was used, with application in parametric inversion calculation of total phosphorus of Beijing Miyun Reservoir. Through calculated and compared the error of sedimentation rate by homotopy parametric in- version method and genetic inversion calculation method, the results indicate that homotopy parametric inversion method has good stability, calculating speed, and even if the initial selection away from the objective function, the solution still has a good convergence.     

基于偏振植被指数的植被-土壤混合像元室内实验研究

混合像元是遥感影像中普遍存在的一种现象,对其组成和各成分比例的反演一直是遥感研究中的重难点,而国内利用偏振植被指数对混合像元的研究几乎没有涉及。本次研究通过对不同面积比例的植被-土壤混合像元偏振反射高光谱特征进行分析,讨论不同条件下的植被-土壤混合像元偏振高光谱特性,并利用偏振反射比计算了12种0°偏振态下的偏振植被指数,分别构建了植被指数与植被面积比例以及光谱特征参数与植被面积比例的数学模型。结果表明,混合像元中植被面积比例和偏振角均对其偏振高光谱有一定的影响;865 nm的偏振反射比与植被占像元面积比例的相关性最好,采用多项式进行拟合时,其决定系数达到0.99,适合进行植被占像元面积比例的反演;偏振光谱“红边”处的一阶微分值与植被像元比例存在良好的线性相关,R²=0.974;植被面积比例与植被指数和光谱特征参数呈现良好的相关关系,其中P-DVI和光谱吸收指数（SAI）与植被面积比例的拟合效果最好,决定系数分别为0.99以及0.94,适合进行植被-土壤混合像元中植被面积比例的反演。     

基于SVR的旱区稀疏植被覆盖下土壤水分遥感反演

中国西北半干旱区降水稀少、蒸散强烈,土壤水分作为重要的生态因子,影响着土壤-大气界面的能量平衡。支持向量回归模型具有估算精度高、可处理非线性问题、泛化能力强等优点,近年来被应用于土壤水分反演研究中,但已有模型极少考虑地表粗糙度因素的影响,导致反演精度受到一定限制。因此,本文以内蒙古乌审旗为研究区,采用水云模型去除地表稀疏植被覆盖的影响,提取全极化Radarsat-2 SAR影像裸土后向散射系数（ {\sigma }_{\mathrm{soil}}^0 ）,并利用AIEM模型和Oh模型建立后向散射系数数据库,采用LUT法模拟地表有效粗糙度参数,构建基于支持向量回归的土壤水分反演模型,并系统地对比分析了不同极化方式的后向散射系数作为数据源的土壤水分反演结果。研究结果表明：不考虑粗糙度参数的单数据源作为模型参数时,同极化数据反演结果比交叉极化具有更高的反演精度;当模型参数为考虑粗糙度的多源数据时,不同极化数据的反演精度均有所提高,其中数据源为 {\sigma }_{\mathit{vv}}^0 和粗糙度参数时,反演结果最好（R ²=0.917,MAE=3.980%,RMSE=5.187%）。研究结果可为旱区稀疏植被覆盖地表土壤水分的遥感监测提供技术支持。     

基于TAVI的山区毛竹林LAI反演分析

本文采用地形调节植被指数（TAVI）,以RapidEye高分辨率多光谱遥感影像为数据源,对福建省永安市毛竹林山区进行了叶面积指数（LAI）地面实测、遥感建模及反演分析。通过TAVI与归一化植被指数（NDVI）、比值植被指数（RVI）的对比研究,结果表明：（1）毛竹林实测LAI与TAVI、NDVI和RVI线性回归的决定系数（R²）分别为0.6085、0.3156和0.4092,最佳非线性回归的R²分别提高到0.6624、0.5280和0.6497。LAI与NDVI或RVI非线性（U曲线）模型可以很好地解释LAI-VI的散点分布规律,但难以解决LAI-VI间因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题,因此,在山区大面积推广应用需慎重。（2）通过实测LAI的验证表明,LAI-TAVI回归模型可有效避免因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题。TAVI具有良好的削减地形影响作用,可用于山区植被LAI的遥感反演。     

Topographic correction-based retrieval of leaf area index in mountain areas

Leaf Area Index(LAI)is a key parameter in vegetation analysis and management,especially for mountain areas.The accurate retrieval of LAI based on remote sensing data is very necessary.In a study at the Dayekou forest center in Heihe watershed of Gansu Province,we determined the LAI based on topographic corrections of a SPOT-5.The large variation in the mountain terrain required preprocessing of the SPOT-5 image,except when orthorectification, radiation calibration and atmospheric correction were used.These required acquisition of surface reflectance and several vegetation indexes and linkage to field measured LAI values.Statistical regression models were used to link LAI and vegetation indexes.The quadratic polynomial model between LAI and SAVI (L=0.35)was determined as the optimal model considering the R and R2 value.A second group of LAI data were reserved to validate the retrieval result.The model was applied to create a distribution map of LAI in the area.Comparison with an uncorrected SPOT-5 image showed that topographic correction is necessary for determination of LAI in mountain areas.     

Application of homotopy parameter inversion method in Miyun Reservoir

The large-scale convergence of homotopy parametric inversion method on the water quality model parameters calculated was used, with application in parametric inversion calculation of total phosphorus of Beijing Miyun Reservoir. Through calculated and compared the error of sedimentation rate by homotopy parametric inversion method and genetic inversion calculation method, the results indicate that homotopy parametric inversion method has good stability, calculating speed, and even if the initial selection away from the objective function, the solution still has a good convergence.     

干旱区草原地上植被生物量估算——以乌图美仁大草原芦苇植被为例

草原是干旱区生态系统中重要的可再生资源。本文基于草本植被的结构特征,利用ASAR和TM数据,结合MIMICS模型,提出了一种估算干旱区草原地上植被生物量的方法。该方法将光学遥感数据容易反演的叶面积指数（LAI）作为反演生物量模型的参数之一,并利用LAI成功估算了单位面积内的草本植被密度。将地上生物量作为输入变量代入改进的MIMICS模型,利用查找表方法,计算出地上植被生物量。然后,将该方法应用于乌图美仁草原的地上植被生物量的反演。结果表明,该方法能够成功地反演干旱区草原草本植被地上生物量,精度达到R²=0.8562,RMSD=0.6263。最后,分析了该方法估算植被生物量的误差来源。     

基于双精度与四精度的重力场解算精度分析

基于动力学方法比较分析了双精度与四精度模式下重力场模型的解算精度,主要包括缔合勒让德函数计算、数值积分器及重力场反演结果。结果显示,在勒让德函数计算方面,部分角度在双精度模式下计算至1 900阶以后会出现溢出问题,而在四精度模式下任何角度都满足精度要求,并且计算结果比双精度模式高8个量级。数值积分器Adams预测校正法积分1 d的位置和速度误差,在四精度模式下比在双精度模式下高4个量级。在精密轨道反演重力场计算方面,动力学方法在双精度及四精度模式下反演结果一致,统计其计算至60阶的累计大地水准面误差为1.29×10~(-5 )m,这是因为动力学方法的线性误差相对计算误差而言是主要误差;非线性动力学方法在四精度模式下比在双精度模式下高7个量级,其大地水准面误差分别为8.92×10~(-15) m和8.16×10~(-8) m。