行播作物冠层主要生长期辐射模型构建和反演研究

During a complete growing periods for typical row-planted crop from seedling to full cover by the vegetative stands, the features of canopy's geometrical structure experience notable changes: regularly arrayed 3-dimensional distribution (3D), 2-dimensional distribution (2D) in cross-row direction, and finally 1-dimensional distribution (1D). Different radiative transfer (RT) models are required to describe their radiative features under these different geometrical structures of the crop. With the funding of NSFC for young scientists (Grant No. 40901156), we properly constructed a RT model for 2D row-planted canopies. By applying this funding of NSFC, we will focus on the RT modeling of regularly arrayed 3D canopies, and the realization of the unified RT modeling framework for these different geometrical structures of row-planted canopies and the "seamless" coupling of the RT models. And finally we will study the synthetic inversion of canopies' structural parameters and components' temperature based on multiple-source remote sensing data in Visible-Near Infra-Red (VNIR) and Thermal Infra-Red (TIR) bands. We will evaluate and validate the precision of our forward and inversion model by carrying out systematic measurements for typical row-planted crops, such as wheat, corn, and orchard, on several key growing stages. Also, we will investigate the parameter inversion and precision evaluation by using remotely sensed data on two different spatial scales: ground-based measurement and space-based satellite data.

典型行播种植作物从出苗、到株间连续、直至完全封垄一个完整的生长阶段内，作物冠层几何结构特征从规则三维分布、到垂直垄行方向二维分布、再到连续一维分布，发生了显著变化，需要采用不同冠层结构假设下的辐射模型来描述其辐射特征。在青年基金的资助下（40901156），我们较好地解决了二维分布作物冠层的辐射建模，申请面上基金，我们将重点突破规则三维分布作物的辐射方向性建模问题，进而实现典型行播作物从规则三维分布、到垂直垄行方向二维分布、再到连续一维分布状况下辐射建模框架的统一构建和不同结构假设下辐射模型间的"无缝"衔接，并基于该一体化模型协同VNIR和TIR波段多源遥感信息进行冠层结构参数和组分温度的联合反演研究。通过对典型作物（小麦、玉米和果园等）冠层主要生长期的系统观测试验，来验证正向建模和参数反演精度。并使用近地面试验数据和卫星遥感数据在两个尺度上开展模型参数反演的研究和精度验证工作。

该项目在以下两个方面取得进展：.①构建典型行播作物从规则三维分布、到垂直垄行方向二维分布、再到连续一维分布的辐射传输模型（以下简称三维冠层辐射传输模型），建立、完善了基于四流近似理论的行播作物可见近红外波段VNIR（Visible and Near Infrared）和热红外波段TIR辐射一体化模型。针对具有规则结构的植被冠层，对其冠层结构的抽象，约定了本模型研究的植被冠层的结构特性。实现了VNIR波段和TIR波段辐射建模的具体方法，在VNIR波段上，将植被冠层中的辐射分为单次散射和多次散射两部分，采用几何光学建模方法对单次散射进行了精确的建模，采用四流近似辐射传输方法和辐射度方法对多次散射进行了近似建模。在TIR波段上，将植被冠层的辐射分为冠层自身发射和散射两部分，采用几何光学建模方法对冠层自身发射辐射进行了精确建模，采用四流近似辐射传输方法对散射辐射进行了近似建模。两个波段处使用了共同的孔隙率计算结果和四流近似辐射传输方法，因此能够耦合为一体化模型。最后，采用实测数据验证和模型对比验证的方法来评价本文模型的正确性。其中，对模型在VNIR波段上的模拟计算进行了实测数据验证和模型对比验证；对模型在TIR波段上的模拟计算进行了模型对比验证。.②基于典型行播作物辐射一体化模型，比较研究不同生长阶段植被辐射一体化模型参数的敏感性，并根据敏感性分析结果，制定模型反演策略，比较分析影响模型参数反演因素，并分析研究优化算法参数设置，模型参数敏感性分析，选择基于方差的全局敏感性分析方法，分不同波段、不同观测平面对模型结构参数进行敏感性分析，根据模型敏感性分析结果，选择合适的感兴趣的参数进行模型反演，如叶面积指数LAI、子冠层结构参数等，根据敏感性的不同，制定模型参数反演策略，同时，在热红外波段对模型组分温度进行敏感性分析。运用不同观测角度植被冠层光谱数据，进行模型参数的反演，并比较模型参数反演的准确性，稳定性及可反演性，为模型参数反演的实际应用提供依据。