基于ACRM辐射传输模型的植被叶面积指数遥感反演

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1、第32卷，第1期中国农业资源与区划Vol.32，No.1，pp57-632011年2月ChineseJournalofAgriculturalResourcesandRegionalPlanningFebruary，2011·技术方法·基于ACRM辐射传输模型的*植被叶面积指数遥感反演1，21，21，2姜志伟，陈仲新，任建强(1.农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室，北京100081;2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京

2、100081)摘要研究应用ACRM冠层辐射传输模型和MODIS地表反射率数据反演了河北衡水地区3月初至5月初植被叶面积指数，并分析了其时空分布变化特征。研究时段为冬小麦返青期至成熟期，LAI反演结果与当地冬小麦时空分布特征较为吻合。研究结果显示，基于ACRM冠层辐射传输模型反演植被生化变量具有很大的应用潜力。关键词ACRMMODIS衡水LAI1引言地表植被生物物理和生物化学参数，如叶面积指数(LAI)、叶绿素含量、叶片水分等，是解释植被冠［1－3］层生物物理过程和定量评价地表与大气物质能量交换的关键结构变量。而遥感信息，尤其是

3、可见光、近红外波段，则提供了反演这些关键地表植被变量的空间和时间连续分布信息。这是因为植被冠层反射率信息能够反映植被结构、叶片生化组成等特征，如LAI尤其对近红外(NIR)反射率波谱影响较大，可见光波谱则受叶绿素影响较显著，而叶片水分则是影响中红外波段反射率的最显著的因素。因此，可充分利用遥感光谱信息，有效提取区域时空连续植被关键生理生化参数(如LAI、叶绿素含量、叶片水分含量)，实现区域和全球尺度植被监测和气候变化等研究。应用反射可见光遥感估算植被参数的方法主要有基于经验—统计的方法和基于物理冠层反射率模型的方法。基于冠层变

4、量观测与光谱植被指数(VI)关系的经验—统计方法因其简单和计算效率高而广泛应［1，3－5］用于大尺度遥感应用中。但是该方法估算生物物理变量是基于特定时间、地点和植被类型的，而冠［5］层反射率依赖于冠层内部和外部多因素复杂相互作用，这些因素随时间、空间、植被类型而显著变化，［4］因此，该方法应用于大尺度时缺乏通用性。而基于物理模型的方法则遵循物理规律，充分考虑冠层内部辐射传输和相互作用，能够清晰描述生物物理变量和冠层反射率之间的联系。基于物理模型的冠层变量反［6］［7］［8，9］演方法有数值优化法、查找表法、人工神经网络法等。其

5、中基于迭代优化技术的模型反演是很有前途的植被冠层信息提取方法，具有广阔的应用潜力。应用遥感观测信息成功反演植被冠层变量应考虑三方面的结合，即好的模型、恰当的反演过程和准确的反射率数据集。一个好的反演模型应是:(1)折中考虑构建模型的输入参数数量与计算复杂性(与经验数据的严格关联)，既考虑模型构建的物理意义，又要考虑模型参数获取的现实性，不能过分依赖不可测定的数学假设;(2)模型输入参数应是可测定的和可解译的植被生物物理特性项。在诸多冠层反射率模型中，SAIL和ACRM模型在运行时间和准确性方面表现较好，是生态或农业遥感应用较为

6、理想的选收稿日期:2010-11-20姜志伟为博士生陈仲新为研究员、通讯作者任建强为副研究员*基金项目:农业部“948计划”项目(2009－Z31，2010－S2);国际科技合作项目(2010DFB10030);国家自然科学基金(40971218)。58中国农业资源与区划2011年［6］择。实际上，基于物理模型的方法存在模型反演的病态特性，即不同冠层参数组合可能对应于几乎相同的波谱。因此，模型初始参数值的选择则显得十分重要，可利用关键冠层参数的先验时间过程知识来约束反［7，10］演过程，进而使反演问题规范化。近年来，以基于物理

7、模型为核心，以经验统计为先验约束的植被冠层变量反演方法得到广泛研究。如RasmusHouborg(2007，2008，2009)应用ACRM冠层辐射传输模型，充分利用植被指数经验关系，先后应用MOIDS、SPOT遥感反射率信息成功反演叶面积指数(LAI)、叶绿［2，3，11］素(Cab)、水分含量等关键植被冠层参数，是很好地实现经验与物理方法有机结合的典型案例。杨飞等(2010)应用PROSAIL模型建立基于叶面积指数、叶绿素含量、叶片含水率、干物质含量等不同组［12］合的查找表(LUT)，通过计算模型模拟与实际观测反射率值的

8、差值函数实现了TM影像LAI反演。许多研究还尝试将动力学模型、作物生长模型与辐射传输模型相结合，提出了新的反演策略。如BenjaminKoetz等(2005)将冠层结构动力学模型(CSDM)与PROSAIL辐射传输模型相结合估算基于多时相遥感［13］观测的LAI时空变化，提出