基于MODIS影像多角度观测和冠层反射率模型的亚马逊植被叶绿素估算研究

作为未来冠层生化参数估测高光谱使命的一个初步研究，我们提出了一种用于调研多角度中等分辨率成像光谱仪（MODIS）数据能否应用于生产长期估算叶绿素含量的原始数据集。我们调查了2000到2015年来源于完全耦合作物冠层反射率模型（ProSAIL）预测的MODIS月度叶绿素数据与基于涡流方差通量的塔式高光谱影像和实测叶绿素含量的一致性。在亚马逊中部和东部的流量塔站点中，在早期的旱季，反演模型估测的MODIS叶绿素含量表现出了很强的季节性差异。遥感估算的叶绿素含量和作物实测的值具有一定的相关性（R2=0.73，R2=0.98），但是从1:1线上得到的数据上看，均方根误差分布在0.355ug/cm(Tapajós塔)到0.470um/cm(Manaus塔)之间。估测的叶绿素值与通量塔中测量的光合有效辐射值和净生态系统生产力一致。为了将模拟的叶绿素含量尺度扩大到MODIS的观测值上（R2=0.73），我们同时应用了ProSAIL模型到塔上安装的一个相机获取的单角度高光谱观测数据上。叶绿素含量与嫩老叶每月的变化量具有一定的相关性(0.59 ≤R2≤ 0.64)。在旱季，在MODIS观测的叶绿素ab增长的同时，光合有效辐射也随着增长(0.61 ≤R2≤ 0.62)，然后净碳量吸收的变化也随着增长。我们做出结论：在两个站点上，叶面积指数结合叶绿素的变化，和作物生产活动的季节性具有比较性意义。我们的研究成果允许利用15年时间序列叶绿素数据做原始开发，以用未来的高光谱传感器来估算亚马逊热带植被的冠层生化物质含量。

图1 亚马逊热带雨林

所选仪器为美国SOC公司开发的产品SOC710VP便携式可见光/近红外高光谱成像仪，该仪器的光谱范围为可见光到近红外光的400-1000nm共有128个波段，反射率测量校准使用聚四氟乙烯板。使用SOC710配套软件SRAnap710预处理软件做数据定标处理，并使用ENVI软件进行数据处理分析。为了于地面实测叶绿素进行对比分析，我们可以利用SOC710便携式光谱成像仪采集数据，把SOC710仪器安装在61米的高空通量观测塔上。获取到的影像应该位于正中午太阳的45度方向，目的是减小树冠内的阴影面积。

图2 SOC710的通量塔测量模式

叶绿素含量的估算值也可以从SOC710高光谱相机影像上利用128个波段计算得到，与MODIS遥感影像数据处理过程类似，使用层次分类方法将像素观测区分成类似反射率的区域。最后，独立测量估算值具有不确定性，很难获得在1公里的空间分辨率。在这项研究中，我们每天获得的表观反射率具有不确定性，这是由于在每月的观测时间段内通过12个波段计算得到的反射率是变化的。图3A是用真彩色合成的SOC710高光谱影像，在相机足迹中进行三个主要物种的划定和分类，图中红色区域、蓝色区域和黄色区域分布是Manilkara huberi、Erisma uncinatum 、Chamaecrista xinguensis。图3B是利用SMACC算法构建的模型提取出的部分阴影分数。图3C是利用ProSALL方法反演到的叶绿素A和B的总含量。其中，校准面板在影像底部是可见的，图3B图中红色多边形代表地区的阴影面积超过了60%。

图3 SOC710影像分类、阴影面积提取和叶绿素反演专题图（图A、B和C）

研究表明，在亚马逊热带雨林的植被叶绿素A和B的浓度可以从多角度、多时段和多光谱的方面，利用在不同区域尺度上和年龄段树冠辐射传输模型的反演进行MODIS遥感监测来进行估测。当前的方法也适用于单角度高光谱观测，利用层次聚类的方法减少必要数据反转的情况，并利用线性光谱分离方法计算阴影分数，通过塔顶的高光谱相机采集的数据，进行分析得出这方法是可行的。通过采用相机和MODIS影像数据利用ProSAIL方法估算出的叶绿素含量偏高。尽管模型具有不确定性，需要精度验证，我们的研究结果有很强的季节性变化，叶片会自主去吸收PAR。这种能力是光合作用下的叶绿素浓度和含量的功能，也是经济增长和植被物候的重要推动力。结论显示，利用MODIS遥感卫星，从多角度和定向观测可以随时随地的进行植被物候学研究和季节性控制。我们长期叶绿素估算组成一个重要的初步数据库来支持未来在亚马逊热带雨林的研究。利用即将到来的EnMAP，它自带更多的波段，比MODIS数据具有更高的空间分辨率，但具有较低的视场角。