基于遙感技術(shù)的森林碳循環(huán)和地表蒸散模擬研究.pdf

1、當(dāng)今氣候變化的大環(huán)境下，全球各國(guó)面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。縱觀1880年有可靠氣溫記錄以來的歷年?duì)顩r可以發(fā)現(xiàn)，地球表面溫度呈爬高之勢(shì)，10個(gè)氣溫最高的年份都出現(xiàn)在1998年之后，而2015年是目前為止最熱的一年。極端天氣和自然災(zāi)害頻發(fā)已經(jīng)嚴(yán)重的影響了人類的生產(chǎn)和生活，并引起了諸多國(guó)家的重視。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)促進(jìn)節(jié)能減排已經(jīng)涉及了政治、經(jīng)濟(jì)、國(guó)際法等諸多復(fù)雜問題。
　　森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，面積占陸地面積的1/3，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)50％～

2、60％的生物碳量，是連接陸地生物圈層和大氣圈層實(shí)現(xiàn)碳循環(huán)、水循環(huán)、能量交換的重要橋梁，森林生態(tài)系統(tǒng)是維持空氣碳含量重要環(huán)節(jié)。我國(guó)東北森林是世界3大塊溫帶森林之一，是我國(guó)最大的天然林區(qū)，在我國(guó)乃至全球碳水循環(huán)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)起著舉足輕重的作用。
　　如何快速準(zhǔn)確的估算森林碳水循環(huán)，是了解森林生態(tài)系統(tǒng)與全球氣候變化的關(guān)鍵研究問題。基于植被生物機(jī)理建立的碳水循環(huán)估算過程模型，很好的揭示了植物生理過程、植被與環(huán)境影響等機(jī)理過程。遙感技術(shù)、地

3、理信息系統(tǒng)技術(shù)為獲取區(qū)域植被參數(shù)提供了可能。然而基于過程模型的東北森林碳水循環(huán)的研究尚不全面，在我國(guó)和全球碳水循環(huán)估算中還需要來自該區(qū)域的研究成果。本論文立足于相關(guān)的三個(gè)科學(xué)問題，一是如何更準(zhǔn)確的獲取過程模型參數(shù)，二是提升過程模型在我國(guó)東北地區(qū)的適用性并評(píng)價(jià)估算結(jié)果，三是獲得研究區(qū)域的生物量增長(zhǎng)量，針對(duì)上述問題展開了如下研究:
　　1、遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理和圖像增強(qiáng)，包括了幾何精校正、輻射校正和圖像融合，本研究需要研究區(qū)域內(nèi)的多期時(shí)間

4、序列遙感數(shù)據(jù)，通過遙感數(shù)據(jù)反演得到過程模型必須的輸入因子，而圖像預(yù)處理是定量遙感準(zhǔn)確獲取信息的前提。
　　2、利用相容性模型計(jì)算研究區(qū)域12塊樣地的10個(gè)樹種單木生物量方程，從而計(jì)算出林分整體生物量，并根據(jù)相容性模型得到樹木不同器官的生物量分配比例。通過兩期數(shù)據(jù)計(jì)算樣地生物量差值得到調(diào)查期間的生物量增長(zhǎng)量。
　　3、葉面積指數(shù)是植被重要的冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，其數(shù)值決定著植被光合作用、蒸散發(fā)能力、截光截留率等。是過程模型中敏感因子之

5、一，其獲取精度直接決定著碳水循環(huán)模型估算結(jié)果。獲取長(zhǎng)時(shí)間序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是樣地尺度碳水循環(huán)研究的必要輸入因子，也是區(qū)域尺度遙感反演葉面積指數(shù)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。本文針對(duì)野外森林實(shí)際情況，制作了一種基于單片機(jī)控制、太陽能供電的野外森林冠層測(cè)量?jī)x器，其利用水平舵機(jī)和垂直舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)感光傳感器，實(shí)現(xiàn)獲取多角度森林冠層孔隙率，并利用貝爾定律和米勒定律計(jì)算冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文提供了儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、解算方法，并利用儀器測(cè)量長(zhǎng)時(shí)間序列冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，與商品化儀器LAI

6、-2200測(cè)量結(jié)果相比相關(guān)系數(shù)在9.5以上。
　　4、模型的參數(shù)優(yōu)化及算法改進(jìn)。本研究利用BEPS森林生態(tài)過程模型估算研究區(qū)域碳水循環(huán)，首先需要考慮的問題就是模型在我國(guó)東北地區(qū)的適用性，本文通過實(shí)地測(cè)量、查閱資料、模型間對(duì)比調(diào)整了部分BEPS模型植物生理參數(shù)，使其更加適用于我國(guó)東北地區(qū)森林生態(tài)研究。
　　5、利用遙感技術(shù)反演參數(shù)信息，是區(qū)域研究的必要手段。但是遙感反演一定會(huì)存在一定誤差，而直接將反演數(shù)據(jù)作為模型輸入因子，會(huì)造

7、成模型估算結(jié)果的誤差積累。應(yīng)用這樣的結(jié)果評(píng)價(jià)模型精度存在一定的偏差，本文為減少這種偏差，修改了一個(gè)版本的模型輸入?yún)?shù)，將樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型的輸入數(shù)據(jù)估算樣地尺度碳水循環(huán)，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于模型適用性分析。
　　6、利用高時(shí)間分辨率的MISR數(shù)據(jù)，通過四尺度幾何光學(xué)模型反演區(qū)域葉面積指數(shù)。通過遙感技術(shù)獲取長(zhǎng)時(shí)間序列多期反演數(shù)據(jù)的研究中，機(jī)理模型提供了有效的手段，避免了統(tǒng)計(jì)模型需要收集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)的工作量。本文研究了四尺