基于遥感技术的森林碳循环和地表蒸散模拟研究

摘要

当今气候变化的大环境下，全球各国面临着严峻挑战。纵观1880年有可靠气温记录以来的历年状况可以发现，地球表面温度呈爬高之势，10个气温最高的年份都出现在1998年之后，而2015年是目前为止最热的一年。极端天气和自然灾害频发已经严重的影响了人类的生产和生活，并引起了诸多国家的重视。发展低碳经济促进节能减排已经涉及了政治、经济、国际法等诸多复杂问题。
　　森林作为陆地生态系统的主体，面积占陆地面积的1/3，储存了陆地生态系统50％～60％的生物碳量，是连接陆地生物圈层和大气圈层实现碳循环、水循环、能量交换的重要桥梁，森林生态系统是维持空气碳含量重要环节。我国东北森林是世界3大块温带森林之一，是我国最大的天然林区，在我国乃至全球碳水循环、生态环境建设起着举足轻重的作用。
　　如何快速准确的估算森林碳水循环，是了解森林生态系统与全球气候变化的关键研究问题。基于植被生物机理建立的碳水循环估算过程模型，很好的揭示了植物生理过程、植被与环境影响等机理过程。遥感技术、地理信息系统技术为获取区域植被参数提供了可能。然而基于过程模型的东北森林碳水循环的研究尚不全面，在我国和全球碳水循环估算中还需要来自该区域的研究成果。本论文立足于相关的三个科学问题，一是如何更准确的获取过程模型参数，二是提升过程模型在我国东北地区的适用性并评价估算结果，三是获得研究区域的生物量增长量，针对上述问题展开了如下研究:
　　1、遥感数据的预处理和图像增强，包括了几何精校正、辐射校正和图像融合，本研究需要研究区域内的多期时间序列遥感数据，通过遥感数据反演得到过程模型必须的输入因子，而图像预处理是定量遥感准确获取信息的前提。
　　2、利用相容性模型计算研究区域12块样地的10个树种单木生物量方程，从而计算出林分整体生物量，并根据相容性模型得到树木不同器官的生物量分配比例。通过两期数据计算样地生物量差值得到调查期间的生物量增长量。
　　3、叶面积指数是植被重要的冠层结构参数，其数值决定着植被光合作用、蒸散发能力、截光截留率等。是过程模型中敏感因子之一，其获取精度直接决定着碳水循环模型估算结果。获取长时间序列实测数据是样地尺度碳水循环研究的必要输入因子，也是区域尺度遥感反演叶面积指数的验证数据。本文针对野外森林实际情况，制作了一种基于单片机控制、太阳能供电的野外森林冠层测量仪器，其利用水平舵机和垂直舵机旋转带动感光传感器，实现获取多角度森林冠层孔隙率，并利用贝尔定律和米勒定律计算冠层结构参数。本文提供了仪器结构设计、解算方法，并利用仪器测量长时间序列冠层结构参数，与商品化仪器LAI-2200测量结果相比相关系数在9.5以上。
　　4、模型的参数优化及算法改进。本研究利用BEPS森林生态过程模型估算研究区域碳水循环，首先需要考虑的问题就是模型在我国东北地区的适用性，本文通过实地测量、查阅资料、模型间对比调整了部分BEPS模型植物生理参数，使其更加适用于我国东北地区森林生态研究。
　　5、利用遥感技术反演参数信息，是区域研究的必要手段。但是遥感反演一定会存在一定误差，而直接将反演数据作为模型输入因子，会造成模型估算结果的误差积累。应用这样的结果评价模型精度存在一定的偏差，本文为减少这种偏差，修改了一个版本的模型输入参数，将样地实测数据作为模型的输入数据估算样地尺度碳水循环，并对其进行评价，有利于模型适用性分析。
　　6、利用高时间分辨率的MISR数据，通过四尺度几何光学模型反演区域叶面积指数。通过遥感技术获取长时间序列多期反演数据的研究中，机理模型提供了有效的手段，避免了统计模型需要收集大量数据进行模型驱动的工作量。本文研究了四尺度模型反演LAI的方法，并探讨了样地尺度实测数据如何检验中等分辨率遥感数据反演结果的方法。
　　7、将遥感反演数据、气象模型校正数据作为过程模型输入因子，实现研究区域碳水循环估算。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．3 国内外研究进展

1．3．1 森林生物量估算及林分动态模拟的究进展

1．3．2 碳循环的森林模型估算研究进展

1．3．3 森林蒸散发的研究进展·

1．3．4 获取叶面积指数数据研究进展

1．4 研究主要内容

1．5 研究的技术路线

1．6 经费支持

1．7 论文的组织结构

2 研究区概况与基础数据

2．1 研究区概况

2．1．1 研究区域林型演变及现状

2．1．2 气候概况

2．1．3 土壤特点

2．1．4 资源状况

2．2 数据收集

2．2．1 遥感数据

2．2．2 样地实测数据

2．2．3 气象数据

2．2．4 二类调查数据

2．3 遥感图像预处理

2．3．1 Landsat8数据

2．3．2 MISR数据处理

2．4 本章小结

3 BEPS模型介绍及优化

3．1 BEPS模型总体描述

3．2 BEPS生物原理

3．3 BEPS子模型的计算

3．3．1 叶片尺度的瞬间光合速率

3．3．2 两叶模型(阴生叶、阳生叶)辐射传输

3．3．3 日叶片尺度累积量

3．3．4 冠层尺度光合效率

3．3．5 树木自养呼吸

3．3．6 BEPS模型ET的计算

3．3．7 区域初级生产力

3．4 模型参数优化

3．5 本章小结

4 生物量的计算

4．1 研究数据

4．2 相容性生物量模型基础

4．3 样地生物量结果

4．4 本章小结

5 野外观测仪器设计

5．1 林冠层结构参数自动监测仪器理论基础

5．1．1 叶面积指数测量原理

5．1．2 聚集度测量原理

5．2 林冠层结构参数自动监测仪器设计

5．2．1 总体方案设计

5．2．2 主要硬件介绍

5．2．3 结构设计

5．2．4 工作原理

5．3 林冠层结构参数自动监测仪器解算程序

5．3．1 冠层结构参数解算模块

5．3．2 辅助功能模块

5．4 林冠层结构参数自动监测仪器测量实验

5．5 长时间土壤含水率测定仪器

5．6 本章小结

6 样地尺度模拟

6．1 样地尺度数据处理

6．1．1 生长方程拟合叶面积指数

6．1．2 冠层测量仪器

6．1．3 土壤湿度测量

6．1．4 辐射校正

6．1．5 温度校正

6．2 BEPS样地尺度模拟

6．3 模型估算值与测量数据对比

6．4 本章小结

7 区域尺度模拟

7．1 区域叶面积指数反演

7．1．1 叶面积指数模型

7．1．2 查找表法反演叶面积指数

7．1．3 验证数据

7．1．4 数据平滑

7．2 区域模型估算

7．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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