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ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

日期: 2022-05-05
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ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

追蹤生長季和地理區(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)測倍體水平,估計(jì)葉齡,甚至可以預(yù)測入侵植物對凋落物分解的影響。但目前尚不清楚是否可以開發(fā)通用統(tǒng)計(jì)模型來根據(jù)光譜信息預(yù)測性狀,或是否需要根據(jù)條件變化進(jìn)行重新校準(zhǔn)。特別是,生長季多個葉片性狀同時(shí)變化,是否可以從高光譜數(shù)據(jù)成功預(yù)測這些時(shí)間變化是一個懸而未決的問題。


基于此,為了填補(bǔ)研究空白,在本研究中,一組國際研究團(tuán)隊(duì)利用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室方法(包括光捕獲和生長: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)追蹤了整個生長季的變化,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。旨在回答以下問題:(1)常見物種葉片的理化性狀在生長季如何變化?(2)葉片反射率在生長季如何變化?(3)生長季葉片理化性狀和光譜之間是否存在可預(yù)測的關(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)。

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【結(jié)果】

理化性狀和光譜在整個生長季變化很大,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)測大多數(shù)葉片性狀的季節(jié)性變化,成熟葉片的預(yù)測精度通常較高。然而,對于一些性狀,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。

ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

8個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。

ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

2017 年 5 -10 月,不同季節(jié)對英國劍橋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。

ASD | 利用高光譜反射率預(yù)測溫帶落葉闊葉樹木的葉片性狀:通用模型可適用于整個生長季節(jié)嗎?

2017 年 5-10 月,不同物種對英國劍橋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)測整個生長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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