鹽地堿蓬PROSPECT-D模型的參數(shù)敏感性分析及適用性評價

劉洪洋 李微 王文碩 張新宇

摘 ? 要：鹽地堿蓬是具有特殊形態(tài)和生化組分的濕地植被，具有極高的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價值，構(gòu)建適合鹽地堿蓬葉片的輻射傳輸模型為植被色素含量的遙感反演提供一定的理論基礎(chǔ)，也會對鹽沼濕地生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測提供一定的數(shù)據(jù)支持。對模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析及適應(yīng)性評價是構(gòu)建模型和遙感定量反演植被生化含量的關(guān)鍵前提。本文以盤錦濱海濕地內(nèi)的鹽地堿蓬為研究對象，基于PROSPECT-D模型，應(yīng)用實(shí)測數(shù)據(jù)對模型輸入?yún)?shù)進(jìn)行局部敏感性分析，再利用改進(jìn)的Sobol算法進(jìn)行全局敏感性分析，討論各參數(shù)對光譜反射率的敏感波段和敏感度。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)參數(shù)在可見光、近紅外波段均對葉片反射光譜產(chǎn)生影響。結(jié)構(gòu)參數(shù)值越大，葉片的反射能力越強(qiáng)。葉片中色素含量（葉綠素、類胡蘿卜素和花青素）對葉片反射率主要影響在可見光波段，且具有高相關(guān)性。在近紅外波段，色素對葉片反射率的影響不大，等效水厚度以及干物質(zhì)含量對葉片反射率敏感度高。最后通過對比PROSPECT-D模型模擬光譜與實(shí)測光譜的差別，對模型在鹽地堿蓬葉片的適應(yīng)性進(jìn)行評價。研究結(jié)果將推動鹽地堿蓬植被的葉片輻射傳輸模型的發(fā)展，也為今后鹽地堿蓬葉片色素含量的定量反演提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PROSPECT-D模型 ?鹽地堿蓬 ?敏感性分析 ?適應(yīng)性PROSPECT-D模型

中圖分類號：Q948 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0122-03

鹽地堿蓬是遼河口濕地中珍稀植物之一，具有很高的耐鹽性。鹽地堿蓬具有觀賞、營養(yǎng)、藥用等作用，有極高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。利用常規(guī)方法進(jìn)行區(qū)域采樣調(diào)查時，在一些采樣難度大的潮灘地區(qū)獲取信息困難，同時會破壞生態(tài)環(huán)境。而定量遙感技術(shù)具有非接觸、非破壞、動態(tài)性監(jiān)測等特點(diǎn)，可以長時間、無損且大范圍的定量提取植被生化信息。定量遙感通常分為數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法和輻射傳輸物理模型法。輻射傳輸模型較為詳細(xì)地反應(yīng)了真實(shí)輻射傳輸過程，獲取的結(jié)果能通過物理模型解釋，更具科學(xué)性。

植被輻射傳輸模型主要包括葉片模型和冠層模型兩個尺度，其中PROSPECT模型是目前典型常用的葉片輻射傳輸模型之一。該模型被廣泛運(yùn)用于生化參數(shù)反演、光譜特征分析等方面。而敏感性分析是評價物理模型參數(shù)對模型結(jié)果產(chǎn)生影響程度的有效手段。敏感性分析通常分為局部敏感性分析和全局敏感性分析。局部敏感性假設(shè)認(rèn)為各參數(shù)之間是彼此獨(dú)立的，主要分析單個參數(shù)變化對模型結(jié)果的影響。全局敏感性分析是同時考慮多個參數(shù)變化以及參數(shù)之間相互作用對模型結(jié)果的影響，能夠體現(xiàn)若干模型參數(shù)對結(jié)果的綜合作用。施潤和等針對水稻葉片利用PROSPECT模型模擬大量不同生化含量和葉片結(jié)構(gòu)的葉片光譜，通過局部敏感性分析討論高光譜植被指數(shù)對葉綠素的敏感性。陸成基于改進(jìn)的PROSPECT模型對礦區(qū)壩區(qū)上多種常年生植物葉片在重金屬銅脅迫下的葉片反射率進(jìn)行局部敏感性分析。王洋等人基于LOPEX93葉片光學(xué)特性數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用改進(jìn)Sobol算法對PROSPECT模型進(jìn)行全局敏感性分析，提取了干物質(zhì)含量敏感的光譜波段。梁守真等利用PROSPECT模型對50 種木本和草本植物葉片進(jìn)行局部敏感性分析。楊福芹等人對蘋果葉片利用PROSPECT模型和EFAST全局敏感性分析方法探討了對葉綠素含量敏感的波段。目前仍未見到鹽地堿蓬PROSPECT葉片輻射傳輸模型的參數(shù)敏感性和適用性研究的相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表。

因此本文針對盤錦濱海濕地的鹽地堿蓬葉片，對PROSPECT-D模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行局部和全局敏感性分析，討論在不同波長下模型輸入?yún)?shù)對模型的敏感性，同時對鹽地堿蓬葉片在PROSPECT-D 模型的適用性進(jìn)行評價。本研究為建立適合鹽地堿蓬葉片的輻射傳輸模型和色素含量的反演模型提供研究基礎(chǔ)，對于監(jiān)測鹽地堿蓬的生長狀態(tài)也具有重要意義。

1 ?材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼河口濱海濕地自然保護(hù)區(qū)位于遼寧省盤錦市境內(nèi)，地理位置121°23'～122°29'E，40°39'～41°27'N，地處遼河三角洲最南端、遼東灣北部入海處。在遼河沖積三角洲形成了一個廣闊而豐富的濕地生態(tài)系統(tǒng)。遼河口保護(hù)區(qū)為珍稀鳥類與動物提供良好的生存環(huán)境，具有重要的生態(tài)、景觀和經(jīng)濟(jì)價值。該保護(hù)區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢植被類型為鹽地堿蓬，蘆葦和水稻等。

1.2 PROSPECT-D模型

PROSPECT模型是由PLATE（平板）模型發(fā)展而來的葉片輻射傳輸模型。模型將葉片假設(shè)為由N層同性層堆疊而成，中間由N-1層空氣隔開。該模型能夠模擬在400～2500nm波長下葉片真實(shí)的光學(xué)特性。作為目前應(yīng)用最廣的葉片光學(xué)模型之一，PROSPECT模型只需通過輸入葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)和生化組分含量，就可以模擬出不同的葉片反射光譜。近年來，模型的參數(shù)包括生化組分等許多地方都逐漸改進(jìn)，也歷經(jīng)了很多版本。PROSPECT-D模型是J.-B. Féret等人在2017年建立的，這也是目前PROSPECT模型的最新版本。它在之前版本的三種植物色素中添加了花青素，這樣模型包括6個輸入?yún)?shù)：葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)N、葉綠素含量Cab、類胡蘿卜素含量Car、花青素含量Canth、等效水厚度Cw以及干物質(zhì)含量Cm。與之前的版本相比，PROSPECT-D的性能更好，模型預(yù)測的不確定性降低，光合色素得到更好的反演。

1.3 參數(shù)敏感性分析方法

局部敏感性分析是用于分析模型單個輸入?yún)?shù)對輸出結(jié)果的敏感性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)測的鹽地堿蓬生化含量的數(shù)值范圍，本文將某一輸入?yún)?shù)在取值范圍內(nèi)按一定步長變化，其他參數(shù)選擇實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值作為固定值輸入（如表1所示）。利用PROSPECT-D模型正向模擬得到因參數(shù)含量變化而不同的反射光譜曲線。通過光譜曲線的波動分析參數(shù)的敏感波段，為生化含量的反演提取特征波段提供一定的依據(jù)。

全局敏感性分析方法中Sobol算法采樣方法穩(wěn)定、可定量對波段敏感性進(jìn)行計算，SATLTELLI等對Sobol算法進(jìn)行了改進(jìn)，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更小的計算代價，已廣泛應(yīng)用于模型參數(shù)敏感性分析中。本文運(yùn)用改進(jìn)的 Sobol 算法對模型進(jìn)行全局敏感性分析，借助MATLAB全局敏感性分析工具箱GSA（global sensitivity analysis）實(shí)現(xiàn)。本文使用實(shí)測的鹽地堿蓬葉片數(shù)據(jù)作為PROSPECT-D模型全局敏感性分析輸入?yún)?shù)的閾值（見表1），利用蒙特卡羅方法對參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)取樣，樣本量取1000。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 局部敏感性分析

基于PROSPECT-D模型分別正向模擬出因模型參數(shù)變化而不同的葉片反射率曲線，觀察曲線變化情況可以看到各參數(shù)影響的波段范圍。從圖1中可以看出，結(jié)構(gòu)參數(shù)對可見光波段和近紅外波段反射率均有影響。葉片反射率隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加而增加。在400～760nm的可見光波段，葉綠素ab含量對葉片反射率有很大的影響，隨著葉綠素ab含量的增加，葉片反射率降低。在波段800nm以后，葉綠素影響逐漸減小，反射率趨于一致。類胡蘿卜素影響葉片反射率主要在400～560nm可見光波段，隨著類胡蘿卜素含量的增加，葉片反射率減小。在560nm以后，曲線趨于一致，說明類胡蘿卜素的含量對反射率幾乎沒有影響?；ㄇ嗨睾恐饕绊懺?00～650nm可見光波段，花青素含量越低，葉片的反射能力越強(qiáng)。花青素含量在近紅外波段影響不明顯。在可見光波段，隨著等效水厚度、干物質(zhì)含量的不斷變化，葉片的反射率均基本沒有影響，而在近紅外波段，變化比較明顯。葉片反射率隨著等效水厚度、干物質(zhì)含量的增加而降低。

2.2 全局敏感性分析

圖2顯示了在400～1075nm波長下模型各輸入?yún)?shù)對葉片反射率的敏感度以及參數(shù)間的相關(guān)性。由圖可知，結(jié)構(gòu)參數(shù)對葉片反射光譜的影響范圍覆蓋很廣，涉及整個可見光、近紅外波段。葉片中色素含量（葉綠素、類胡蘿卜素和花青素）在400～760nm波段對葉片反射率的敏感度高且具有高相關(guān)性。因此在可見光波段葉片反射率主要受到色素含量和葉片結(jié)構(gòu)影響。在近紅外波段除了受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響外，葉片含水量以及干物質(zhì)含量敏感度高，色素含量對葉片的反射率基本沒有影響。

2.3 模型適應(yīng)性評價

將鹽地堿蓬葉片實(shí)測的生化含量數(shù)據(jù)輸入PROSPECT-D模型中，模擬了鹽地堿蓬的葉片反射率，并與實(shí)測光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，如圖3所示。

由圖3可以看出，PROSPECT-D模型模擬的光譜與實(shí)測光譜趨勢大體一致。但在可見光波段，模擬的葉片反射率與實(shí)測反射率差別較大，通過上述敏感性分析可知，反射率在可見光波段主要受葉片中各種色素的影響，不同植被的色素含量及吸收能力不同，導(dǎo)致模型模擬的反射光譜有差異。在近紅外波段，反射率曲線趨勢幾乎一致，但模擬值比實(shí)測值偏低。因此要建立適合鹽地堿蓬葉片的輻射傳輸模型，有必要對模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 ?討論與結(jié)論

本研究以盤錦濱海濕地的鹽地堿蓬葉片為研究對象，對PROSPECT-D模型進(jìn)行局部和全局兩種敏感性分析來探究模型輸入?yún)?shù)對葉片光譜反射率的影響，既討論了參數(shù)單獨(dú)作用的情況，也考慮了參數(shù)間的共同作用，分析了模型參數(shù)的敏感波段和敏感度，并討論了PROSPECT-D模型在鹽地堿蓬葉片中的適用性。得到以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)對葉片反射光譜的影響范圍覆蓋可見光以及近紅外波段。在可見光波段（400～760nm），葉片反射率主要受各種色素含量（葉綠素、類胡蘿卜素、花青素）影響明顯，敏感度高。在近紅外波段（760nm 以后），色素的敏感度低，葉片反射率主要受等效水厚度以及干物質(zhì)含量影響顯著。

（2）基于PROSPECT-D模型模擬的反射率曲線與實(shí)測光譜結(jié)果趨勢相似，但在可見光波段差別較大，在近紅外波段，模擬值比實(shí)測值偏低。研究結(jié)果為之后建立適合鹽地堿蓬葉片的輻射傳輸模型以及鹽地堿蓬色素含量的反演提供理論基礎(chǔ)。

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