ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測(cè)溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀

 

追蹤生長(zhǎng)季和地理區(qū)域中葉片性狀的變化是理解陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。野外光譜法是原位監(jiān)測(cè)葉片功能性狀的有力工具，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)和生態(tài)學(xué)中都有許多應(yīng)用，例如，葉片光譜已用于表征許多葉片理化特性，預(yù)測(cè)倍體水平，估計(jì)葉齡，甚至可以預(yù)測(cè)入侵植物對(duì)凋落物分解的影響。但目前尚不清楚是否可以開發(fā)通用統(tǒng)計(jì)模型來(lái)根據(jù)光譜信息預(yù)測(cè)性狀，或是否需要根據(jù)條件變化進(jìn)行重新校準(zhǔn)。特別是，生長(zhǎng)季多個(gè)葉片性狀同時(shí)變化，是否可以從高光譜數(shù)據(jù)成功預(yù)測(cè)這些時(shí)間變化是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。
 

基于此，為了填補(bǔ)研究空白，在本研究中，一組國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室方法（包括光捕獲和生長(zhǎng)：N（%），δ15N（‰），δ13C（‰），葉綠素，可溶性C（%）和葉片含水量（LWC）；防御和結(jié)構(gòu)：每單位面積的葉片質(zhì)量（LMA g m-2）、總C（%）、半纖維素（%）、纖維素（%）、木質(zhì)素（%）、總酚類（mg g-1）和單寧（mg g-1）；巖石衍生營(yíng)養(yǎng)素：P（%）、K（%）、Ca（%）、Mg（%）、Fe（μg g-1）、Mn（μg g-1）、Zn（μg g-1）和B（μg g-1））和葉片光譜（利用光譜范圍為350-2500 nm的ASD FieldSpec 3進(jìn)行測(cè)量，在350-1000 nm，采樣間隔為1.4 nm，在1000-2500 nm，采樣間隔為2 nm）追蹤了整個(gè)生長(zhǎng)季的變化，研究了溫帶落葉樹木多種葉片性狀和光譜特性之間的聯(lián)系。旨在回答以下問(wèn)題：（1）常見物種葉片的理化性狀在生長(zhǎng)季如何變化？（2）葉片反射率在生長(zhǎng)季如何變化？（3）生長(zhǎng)季葉片理化性狀和光譜之間是否存在可預(yù)測(cè)的關(guān)系，從而使葉片光譜能夠不受時(shí)間限制地遠(yuǎn)程追蹤森林生態(tài)系統(tǒng)功能的變化？然后評(píng)估葉片光譜是否可以在季節(jié)效應(yīng)的影響下穩(wěn)定地捕獲葉片性狀，為通過(guò)機(jī)載和星載傳感器的高光譜成像進(jìn)行大尺度葉片性狀調(diào)查奠定基礎(chǔ)。

【結(jié)果】

理化性狀和光譜在整個(gè)生長(zhǎng)季變化很大，雖然6月和9月之間收獲的成熟葉片變化較小。重要的是，葉片光譜可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大多數(shù)葉片性狀的季節(jié)性變化，成熟葉片的預(yù)測(cè)精度通常較高。然而，對(duì)于一些性狀，PLSR估算模型因物種而異，單一PLSR模型不能用于物種水平的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
 

8個(gè)落葉樹種葉片光譜及其變異性（平均反射率（a）和變異系數(shù)（b））的季節(jié)模式。

2017 年 5 -10 月，不同季節(jié)對(duì)英國(guó)劍橋Madingley林地21種葉片性狀全/特定光譜數(shù)據(jù)最佳PLSR性能的影響。

2017 年 5-10 月，不同物種對(duì)英國(guó)劍橋Madingley林地21種葉片性狀全/特定光譜數(shù)據(jù)最佳PLSR性能的影響。

【結(jié)論】

葉片光譜可成功預(yù)測(cè)整個(gè)生長(zhǎng)季多種功能性葉片性狀，為機(jī)載和星載成像光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)和繪制溫帶森林植物功能多樣性奠定了一定基礎(chǔ)。


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