我校環(huán)境學(xué)院張繼權(quán)教授環(huán)境/災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)與安全協(xié)同防控團(tuán)隊(duì)在利用衛(wèi)星遙感指標(biāo)估算植被蒸散方面取得重要研究進(jìn)展。本研究提出一種新的植被蒸散的估算模型，模型基于NIRvP（近紅外反射率指數(shù)NIRv與光合有效輻射PAR的乘積），采用隨機(jī)森林方法實(shí)現(xiàn)潛在蒸散（ETo）和實(shí)際蒸散（ET）的估算，獲得0.05°分辨率的中國(guó)ETo以及美國(guó)和歐洲的ET。該成果以“NIRvP在估算蒸散量方面的潛力”為題，發(fā)表于遙感領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《Remote Sensing of Environment》；第一作者為博士研究生查爾斯，通訊作者為環(huán)境學(xué)院張繼權(quán)教授。
研究背景 | Background
蒸散（ET）是指通過(guò)土壤蒸發(fā)和植物蒸騰作用損失到大氣中的水總量。蒸散是水循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，在水、能量和碳水化合物的循環(huán)中起著重要作用。相應(yīng)地，作物參考蒸散量（ETo）與ET作為植物需水量的重要指標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理至關(guān)重要。ETo或者ET的準(zhǔn)確估算可以幫助農(nóng)業(yè)合理安排水資源，從而提高農(nóng)田水資源利用效率，適應(yīng)區(qū)域和季節(jié)性需求變化。同時(shí)，可靠的ETo或ET數(shù)據(jù)對(duì)于準(zhǔn)確模擬全球水循環(huán)和氣候模型至關(guān)重要。由于地面觀(guān)測(cè)站數(shù)量和分布的限制，準(zhǔn)確估算區(qū)域尺度或全球ETo和ET一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。
最近開(kāi)發(fā)的近紅外反射指數(shù)（NIRv）已被證明與植被光合作用密切相關(guān)，并且還具有估算總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）的潛力。NIRv和光合有效輻射（PAR）的乘積NIRvP已被證明是植被光合作用的更穩(wěn)健指標(biāo)，并且通過(guò)比較，NIRvP和GPP之間的關(guān)系可能優(yōu)于日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿IF）。此外，植被光合作用、代謝過(guò)程、氣孔導(dǎo)度和蒸騰作用在一定程度上是耦合的。因此，這些新開(kāi)發(fā)的指數(shù)在估算ET或ETo方面也具有很大的潛力。因此，比較和識(shí)別更有利的遙感指標(biāo)對(duì)于準(zhǔn)確的ET或ETo估算具有重要意義。
基于上述幾點(diǎn)，本研究的主要目標(biāo)是：（1）比較不同衛(wèi)星衍生的SIF（主要來(lái)自O(shè)CO-2和TROPOMI等更高分辨率傳感器）、NIRv和NIRvP在估算ET或ETo方面的能力;（2）使用最佳指數(shù)逐像元估算中國(guó)ETo和歐洲和美國(guó)ET，并與現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行精度對(duì)比;（3）揭示影響最優(yōu)估算指數(shù)與ET或ETo之間關(guān)系的因素。本研究的理論意義在于通過(guò)比較和驗(yàn)證不同指標(biāo)估算ET的有效性，為估算植被蒸散量提供更準(zhǔn)確、更可靠的方法。為全球范圍內(nèi)的水文循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和水資源管理提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。在實(shí)踐中，它對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、水資源規(guī)劃和環(huán)境管理具有重要價(jià)值，有助于優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高水資源利用效率，為環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
研究方法 | Methodology
本研究根據(jù)菲克定律和最佳氣孔行為模型，結(jié)合植被光合作用指標(biāo)和氣象參數(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虴To(ET) = f (NIRvP × VPD0.5)。利用地面觀(guān)測(cè)的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別基于Penman-Monteith方程和Priestly-Taylor方程計(jì)算參考作物蒸散ETo-PT和ETo-PT作為ETo真值。選擇中國(guó)作為研究區(qū)，對(duì)比SIF、NIRv和NIRvP與ETo-PT和ETo-PT的線(xiàn)性和非線(xiàn)性關(guān)系（機(jī)器學(xué)習(xí)模型包括：嶺回歸Ridge，支持向量機(jī)SVR和隨機(jī)森林RF）；利用FLUX NET數(shù)據(jù)集的潛熱通量（LE）數(shù)據(jù)，根據(jù)潛熱通量轉(zhuǎn)換公式得到FLUX ET作為ET真值，選擇美國(guó)和歐洲作為研究區(qū)，對(duì)比SIF、NIRv和NIRvP與FLUX ET的線(xiàn)性和非線(xiàn)性關(guān)系；再利用最優(yōu)估算指標(biāo)與輔助指標(biāo)，基于隨機(jī)森林模型，我們精準(zhǔn)估算了中國(guó)的ETo和美國(guó)及歐洲的ET。
本研究的主要貢獻(xiàn)是：
（1）根據(jù)研究結(jié)果，NIRvP在估算ETo和ET方面表現(xiàn)良好，其性能可能優(yōu)于SIF。
（2）本研究所提出的模型更簡(jiǎn)單，使用的參數(shù)更少。對(duì)比具有更復(fù)雜模型的傳統(tǒng)方法，本研究提出的方法減少了計(jì)算成本和提高精度。
圖1 技術(shù)路線(xiàn)
核心結(jié)論 | Results
相比各種SIF和NIRv，NIRvP與ETo-PM和ET的線(xiàn)性關(guān)系更強(qiáng)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)VPD0.5的縮放，NIRvP與ETo-PM的線(xiàn)性關(guān)系得到增強(qiáng)。非線(xiàn)性關(guān)系上，基于性能最佳的RF的結(jié)果表明，NIRvP×VPD0.5擬合的ETo仍然具有最高的R2；NIRvP和VPD0.5擬合ET也具有最高的R2。
圖2 各指標(biāo)逐站點(diǎn)擬合ETo-PM的R2的空間分布
圖3 基于RF模型利用各指標(biāo)逐站點(diǎn)擬合ETo-PM的R2的空間分布
圖4 基于三個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，各種指標(biāo)擬合ETo-PM的R2和NRMSE
圖5 各種指標(biāo)與FLUX ET之間的線(xiàn)性關(guān)系比較
圖6 基于三個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)各指標(biāo)對(duì)觀(guān)測(cè)ET擬合R2和重要性評(píng)價(jià)
由于影響蒸散的因素多種多樣，僅使用植被遙感數(shù)據(jù)估算蒸散可能還不夠。這里介紹一些除植被遙感指標(biāo)外的輔助指標(biāo)，以進(jìn)一步估算蒸散量。我們共選擇了7個(gè)輔助指標(biāo)（包括降水PRE、氣壓PRS、溫度TEM、短波輻射SRD、光合有效輻射PAR、相對(duì)濕度RH和土壤濕度SM）作為特征變量來(lái)輔助估算ETo和ET。通過(guò)對(duì)比不同輔助指標(biāo)組合的估算精度，我們確定了最佳的輔助指標(biāo)：TEM和PAR，實(shí)現(xiàn)了擬合精度R2高達(dá)0.9368。此外，通過(guò)累積組合，我們也確定了估算ET的最佳特征指標(biāo)：PRS、PAR和SM，實(shí)現(xiàn)了擬合精度R2高達(dá)0.7824。
圖7 基于NIRvP和不同的輔助指標(biāo)組合估算的ETo（a）和ET（b）R2的對(duì)比
我們分別對(duì)比了基于NIRvP×VPD0.5估算的ETo、ERA5 PET、GLEAM PET、MODIS PET與ETo-PM.的精度，結(jié)果表明，根據(jù)NIRvP ×VPD0.5估算的ETo的精度高于其他三種產(chǎn)品。我們又對(duì)比了使用NIRvP 估算的ETNIRvP、BESS ET、ERA5 ET、GLEAM ET、MODIS ET與FLUX ET的精度，結(jié)果表明，對(duì)比其他產(chǎn)品，ETNIRvP與FLUX ET具有最高的R2。這說(shuō)明NIRvP在估算ETo和ET方面具有巨大潛力。因此，我們有理由認(rèn)為NIRvP作為植被光合活性的另一個(gè)指標(biāo)，具有估算大尺度ETo和ET的潛力。
圖8 根據(jù)NIRvP × VPD0.5估算ETo與其他三種PET產(chǎn)品的精度比較
圖9 根據(jù)NIRvP估算ET與其他四種ET產(chǎn)品的精度比較
該研究得到了國(guó)家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（重點(diǎn)項(xiàng)目）、國(guó)際 (區(qū)域) 合作與交流項(xiàng)目、吉林省重大科技計(jì)劃項(xiàng)目等項(xiàng)目的支持。
文章引用格式 | Reference：
Ersi, C., Sudu, B., Song, Z., Bao, Y., Wei, S., Zhang, J. et al. (2024). The potential of NIRvP in estimating evapotranspiration. Remote Sensing of Environment, 315, 114405.
論文鏈接 | Link：
https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114405
