LAI产品尺度效应与真实性检验研究

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叶面积指数(LeafAreaIndex,LAI)是单位土地面积上的全部植物叶片的最大投影面积,它与蒸腾作用、辐射传输、光合作用以及地表净初级生产力等过程关系密切,因此LAI产品广泛的应用到科学研究中。LAI产品在应用之前需要进行真实性检验,而现有的产品多为大尺度、低分辨率数据(常用如MODISLAI,1km分辨率),这给产品验证带来了困难。  遥感产品尺度效应是普遍存在的,是遥感产品真实性检验不可缺少的一个环节,然而,真实性检验研究工作很少涉及尺度效应的影响。本文讨论了尺度效应在真实性检验中的影响,并将其作为一个重要因素纳入到真实性检验中。基于对尺度效应等因素的分析,研究了LAI产品真实性检验的指标和方法,分析了LAI模型误差、定量化差异、尺度效应等三个因素对于检验误差的影响,并结合实地测量数据、地面检验遥感模型和LandsatTM、HJCCD等遥感影像,建立产品验证的实施流程。根据本文建立的流程,对内蒙古锡林浩特研究区和西藏那曲研究区的MODISLAI产品进行验证,并进行了精度分析。  本文的主要工作和结论有:  (1)本文从定量遥感机理层面讨论了尺度效应,从地表异质性和遥感模型非线性两个方面分析了产品尺度效应。结合那曲草原区域的LAI经验模型和HJCCD数据,利用泰勒展开的方式,将尺度效应误差的因素分割为方差项和二阶导项,前者代表大像元区域的地表异质性,后者代表算法非线性。分析表明,地表异质性对于尺度效应的影响大于算法非线性,地表异质性造成的误差具有明显的规律性,即异质性越大,误差越大,误差的大小和范围取决于方差项的大小;而算法非线性造成的误差比较稳定,没有明显的规律性,固定模型的前提下,造成误差的大小和范围取决于模型自变量的空间变异程度。  (2)基于上述尺度效应研究结论,本文将尺度效应作为真实性检验的重要环节之一,并建立了MODISLAI产品尺度效应和真实性验流程。首先,利用实测、LandsatTM、HJCCD等数据,建立了基于中分辨率LandsatTM、HJCCD卫星数据及不同升尺度方法的低分辨率LAI遥感检验产品,对内蒙古锡林浩特研究区和西藏那曲研究区的MODISLAI产品进行真实性验证,分析真实性检验的误差来源。该两区域的验证结果表明,两个草原区域的MODISLAI产品均存在明显的高估现象(锡林浩特区域25%,那曲区域79%),那曲验证区域的结果明显高于锡林浩特区域。误差来源包括:(a)最主要因素均为模型误差,表现为MODISLAI遥感模型高估了区域LAI(锡林浩特区域模型高估37.6%,那曲区域模型高估76.5%)。(b)其次是数据定量化误差。对于锡林浩特区域,数据定量化差异对验证结果的影响也很大,MODIS地表反射率数据与TM地表反射率数据的差异造成约11.8%低估,而对于那曲区域,定量化差异的影响造成约4.2%高估。(c)尺度效应导致低分辨率产品会低估陆表LAI产品。本研究中LAI遥感产品尺度效应的影响较小,对于锡林浩特区域,尺度效应造成约3.1%的低估,而那曲区域的尺度效应稍大,造成约5%的低估。(d)在LAI遥感产品尺度效应中,NDVI-LAI非线性模型的尺度效应(锡林浩特区域低估2.4%,那曲区域低估4%)均大于NDVI的尺度效应(锡林浩特区域低估0.7%,那曲区域低估1%)。
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