不同葉面積指數(shù)遙感產(chǎn)品在浙江省的差異比較研究

駱月珍，潘婭英*，周玉

（1. 浙江省氣象服務(wù)中心，浙江 杭州 310017；2. 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

葉面積指數(shù)（Leaf area index，LAI）定義為單位地表面積綠葉總面積的一半[1]，影響著植被光合、呼吸、蒸騰、降水截留、能量交換等諸多生物物理過程[2]，是植被監(jiān)測(cè)和眾多陸氣交互模型中的重要狀態(tài)變量或關(guān)鍵輸入[3-4]。因此，快速準(zhǔn)確獲取長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的地表LAI具有重要意義。地面測(cè)量方法通常只能獲取小區(qū)域范圍的LAI，快速發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術(shù)為獲取區(qū)域或全球尺度連續(xù)時(shí)空變化的LAI提供了保障[5]。

利用遙感資料直接反演獲得的多為有效葉面積指數(shù)（effective LAI，LAIe），而非“真實(shí)”LAI，“真實(shí)”LAI=LAIe/Ω，其中，Ω為聚集度系數(shù)（表征植被冠層葉片的空間分布特征）[4]。目前已有基于不同衛(wèi)星傳感器如AVHRR[6]，MODIS[7]和SPOTVEGETATION[8-9]等數(shù)據(jù)生成的LAI遙感產(chǎn)品。應(yīng)用較為普遍的區(qū)域乃至全球尺度的LAI遙感產(chǎn)品包括 MODIS LAI[7,10]、GLOBMAP[6]、GIMMS[11]、GLASS LAI[12]等。

對(duì)已有LAI遙感產(chǎn)品開展評(píng)估，了解這些產(chǎn)品的不確定性是其廣泛應(yīng)用的前提[13-15]。一些研究以實(shí)測(cè)LAI為基礎(chǔ)評(píng)估了已有的衛(wèi)星LAI遙感產(chǎn)品在北美[16]、歐洲[17]、非洲[18]、亞洲[19]等地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的可靠性。國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來也開展了LAI遙感產(chǎn)品的比對(duì)和驗(yàn)證研究工作[20-21]。如評(píng)估了MODIS LAI產(chǎn)品在錫林浩特草原區(qū)域[22]和呼倫貝爾草甸草原區(qū)域[23]的表現(xiàn)、GLASS LAI產(chǎn)品在錫林浩特草原的可靠性[24]。也有一些研究分析了不同LAI產(chǎn)品之間的差異，如向陽(yáng)等[25]比較了GLASS、MODIS和CYCLOPES等LAI產(chǎn)品的異同；楊帆等[26]比較驗(yàn)證了呼倫貝爾草甸草原的MODIS、GLASS和GEOV1等LAI產(chǎn)品；楊勇帥等[5]和Jin等[27]對(duì)比分析了GEOV1、GLASS和MODIS LAI產(chǎn)品在中國(guó)西南山區(qū)的差異；景金城等[28]還比較了MODIS和Geoland2 LAI產(chǎn)品在中國(guó)西南山區(qū)的表現(xiàn)。

以上這些研究為L(zhǎng)AI產(chǎn)品的改進(jìn)提供了借鑒，但我國(guó)這方面的工作多集中在內(nèi)蒙古草原地區(qū)和西南山區(qū)。我國(guó)南方亞熱帶地區(qū)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[29]，其碳儲(chǔ)量占全國(guó)總量超過65%[30]。由于氣候變化、植樹造林以及城市化等影響，南方亞熱帶地區(qū)LAI變化劇烈[4]。比較分析不同LAI遙感產(chǎn)品在亞熱帶地區(qū)的差異，對(duì)于進(jìn)一步利用遙感手段研究該地區(qū)的物質(zhì)能量循環(huán)尤為重要。浙江省地處亞熱帶氣候區(qū)，森林覆蓋率高、植被類型豐富，固碳潛力巨大，是典型的南方大尺度研究區(qū)域代表。因此，本文選擇浙江省為研究區(qū)，分析三種基于MODIS數(shù)據(jù)生成的LAI產(chǎn)品（MOD15 LAI、MCD15 LAI和GLASS LAI）的差異；以地面實(shí)測(cè)的LAI結(jié)合TM遙感數(shù)據(jù)生成的30 m分辨率LAI數(shù)據(jù)（LAITM）為參考，評(píng)價(jià)這三種LAI遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品在浙江省天童山常綠闊葉林的可靠性，以期為L(zhǎng)AI遙感產(chǎn)品的改進(jìn)提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

本研究選擇浙江省作為研究區(qū)，浙江省（118°01′～123°10′E，27°06′～31°11′N）位于我國(guó)東南沿海長(zhǎng)江三角洲南翼，陸域面積10.18萬 km2，下轄11個(gè)市（圖1）。浙江省地勢(shì)西南高，東北低；西南大部為山區(qū)，東北部為平原地區(qū)；丘陵山地和平原分別占全省總面積約70%和23%，素有“七山一水兩分田”之稱[31]。浙江省屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為15～18℃，多年平均年降雨總量為980～2 000 mm，年均日照時(shí)數(shù)為1 710～2 100 h[31]。浙江省植被類型以常綠闊葉林為主，此外還有闊葉針葉混交林、落葉闊葉林、針葉林、竹林等多種植被類型[32]（圖1）。第八次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)表明，浙江省森林面積601.36萬hm2，森林覆蓋率達(dá)59.07%[32]。

圖 1 浙江省地表覆被類型及天童山地區(qū)位置Fig. 1 Landcover type of Zhejiang Province and location of Tiantongshan Region

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 LAI遙感產(chǎn)品

本研究比較分析了目前應(yīng)用廣泛的基于MODIS（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer）衛(wèi)星反演的LAI遙感產(chǎn)品，包括GLASS（Global LAnd Surface satellite）LAI、MOD15 LAI 和 MCD15 LAI產(chǎn)品（表1）。

表1 三種LAI遙感產(chǎn)品的特性Table 1 Characteristics of the three LAI products

本研究通過北京師范大學(xué)全球變化數(shù)據(jù)處理與分析中心（http://www.bnudatacenter.com/）獲取2003—2012年時(shí)間分辨率為8 d、空間分辨率為1 km的GLASS LAI產(chǎn)品。GLASS LAI采用多輸入—多輸出的廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（GRNN）反演生成[12]。GRNN網(wǎng)絡(luò)利用BELMANIP站點(diǎn)經(jīng)過預(yù)處理的MODIS地表反射率數(shù)據(jù)以及MODIS與CYCLOPES LAI產(chǎn)品融合后的LAI數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練[12,33]。由于在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)采用的CYCLOPES和MODIS LAI為“真實(shí)”LAI[12,34]，所以，生成的GLASS LAI也為“真實(shí)”LAI。

基于2003—2012年MODIS Terra Collection 5反射率數(shù)據(jù)反演的LAI產(chǎn)品（MOD15A2）以及由MODIS Terra和Aqua組合的Collection 5反射率數(shù)據(jù)反演的LAI產(chǎn)品（MCD15A2）從美國(guó)宇航局地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)（EOSDIS：http://reverb.echo.nasa.gov）獲取。在下文中將這兩套LAI數(shù)據(jù)產(chǎn)品分別稱為MOD15 LAI和MCD15 LAI。它們都是8 d合成數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。MOD15 LAI和MCD15 LAI主要通過利用三維輻射傳輸模型構(gòu)建的查找表反演生成[7]。當(dāng)主算法失敗時(shí)，使用備用算法即利用特定地類的LAI和NDVI之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算LAI[10]。由于對(duì)于每種植被類型都從葉簇和冠層尺度上考慮了聚集特性，MOD15 LAI和MCD15 LAI產(chǎn)品的數(shù)據(jù)亦為“真實(shí)”LAI[7]。

2.2 LAI遙感產(chǎn)品的評(píng)價(jià)與比較

本研究利用MRT（MODIS Reprojection Tool）對(duì)獲取的三種LAI遙感產(chǎn)品進(jìn)行格式和投影轉(zhuǎn)換及重采樣，并結(jié)合浙江省矢量邊界進(jìn)行裁剪等預(yù)處理。獲得2003—2012年覆蓋浙江省的投影為WGS84 Albers Equal Area Conic，分辨率為1 km的每8 d LAI。

為驗(yàn)證LAI遙感產(chǎn)品的可靠性，參照CEOS（Committee Earth Observing Satellites）提出的全球中等分辨率LAI產(chǎn)品的驗(yàn)證框架對(duì)三種LAI遙感產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。本研究獲取了柳藝博等[4]生成的2009年9月份浙江天童山常綠闊葉林30 m分辨率LAI分布圖評(píng)價(jià)三種LAI遙感產(chǎn)品，天童山樣區(qū)位置見（圖 1）。30 m分辨率的LAI分布圖由實(shí)地觀測(cè)的LAI和與觀測(cè)時(shí)間相近的Landsat TM遙感數(shù)據(jù)生成，驗(yàn)證精度達(dá)82%[4]，在下文中將該數(shù)據(jù)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)AITM。對(duì)30 m的LAITM數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，生成1 km分辨率的LAITM，用于評(píng)價(jià)三種1 km LAI遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為減小混合像元對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，對(duì)1 km分辨率的LAITM采用以下步驟進(jìn)行遴選：①利用TM影像進(jìn)行監(jiān)督分類生成30 m的地表覆蓋類型圖；②計(jì)算每個(gè)1 km像元內(nèi)不同地表覆蓋類型的比例；③根據(jù)主導(dǎo)地表覆蓋類型的面積比例確定每個(gè)1 km像元的均質(zhì)程度；④選擇均質(zhì)程度高于75%的像元，進(jìn)行三種LAI遙感產(chǎn)品的驗(yàn)證[4]。采用R2和均方根誤差RMSE作為指標(biāo)對(duì)三種LAI產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中RMSE計(jì)算如下，

式中：LAIIn為與TM遙感影像獲取時(shí)間最接近的GLASS、MOD15或MCD15 LAI，LAITM為經(jīng)過尺度轉(zhuǎn)換生成的1 km分辨率TM LAI數(shù)據(jù)，i為第i個(gè)參與比較的像元（i=1，2，3，…，N），N為參與比較的總像元數(shù)（N=21）。

GLASS、MOD15或MCD15 LAI數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為8 d，一年共有46景數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行了平滑處理。對(duì)平滑后每一年內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均得到每個(gè)像元的LAI年平均值，并遴選出LAI的每年最大值，用于分析2003—2012年期間三種LAI遙感產(chǎn)品年平均值和年最大值的空間格局及其相互差異。此外，還比較了三種LAI遙感產(chǎn)品的年平均值在2003—2012年期間變化趨勢(shì)的空間差異。對(duì)于每個(gè)像元，將LAI年平均值作為因變量、年份作為自變量進(jìn)行線性擬合(y=ax+b)，根據(jù)擬合的線性方程斜率判斷LAI的變化趨勢(shì)[4]：

式中：n為年數(shù)（等于10）；xi代表年份，如x1為1對(duì)應(yīng)2003年、x2為2對(duì)應(yīng)2004年……以此類推；yi為第i年的LAI。當(dāng)a大于0時(shí)，表示LAI呈上升趨勢(shì)；當(dāng)a小于0，LAI呈下降趨勢(shì)。對(duì)三種LAI遙感產(chǎn)品在2003—2012年期間的變化趨勢(shì)均采用0.05顯著性水平檢驗(yàn)其顯著性，即如果p＜0.05則表明像元年平均LAI在10年內(nèi)顯著升高或顯著下降。三種LAI遙感產(chǎn)品區(qū)域均值變化趨勢(shì)也采用此顯著性水平檢驗(yàn)方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 天童山地區(qū)三種LAI產(chǎn)品評(píng)價(jià)

由三種LAI產(chǎn)品與LAITM比較結(jié)果可以看出，GLASS LAI產(chǎn)品在天童山地區(qū)表現(xiàn)要優(yōu)于MOD15 LAI和 MCD15 LAI（ 圖 2）。GLASS LAI與LAITM具有較好的相關(guān)性（R2=0.61，p＜0.0001），而MCD15 LAI與LAITM的相關(guān)性最低（R2=0.13，p=0.10），MOD15 LAI與LAITM的相關(guān)性（R2=0.24，p＜0.05）高于MCD15 LAI，但低于 GLASS LAI。LAITM與三種LAI產(chǎn)品之間的RMSE也是GLASS LAI最?。≧MSE=1.20 m2/m2），MOD15 LAI次 之（RMSE=1.42 m2/m2），MCD15 LAI最大（RMSE=1.63 m2/m2）。三種LAI產(chǎn)品在天童山森林地區(qū)均存在系統(tǒng)性偏差，GLASS LAI在LAI高于5.0 m2/m2時(shí)會(huì)存在低估現(xiàn)象，MOD15 LAI和MCD15 LAI也存在類似的低估現(xiàn)象但不太明顯；而在LAI小于2.0 m2/m2時(shí)，MOD15 LAI和MCD15 LAI的高估現(xiàn)象比較明顯。LAI遙感產(chǎn)品與LAITM之間的不一致性，除了與遙感產(chǎn)品本身的可靠性有關(guān)外，還可能與LAI觀測(cè)時(shí)間與TM影像過境的時(shí)間存在間隔、加之天童山地區(qū)地形復(fù)雜有關(guān)[4]。

圖 2 天童山地區(qū)三種LAI產(chǎn)品與LAITM的比較Fig. 2 Validation of the three LAI products at Tiantongshan region

3.2 年平均LAI空間格局比較

圖3為2003—2012年間三種產(chǎn)品年均LAI平均值及兩兩之間相互差異的空間分布。三種LAI產(chǎn)品的10年平均值雖呈現(xiàn)相似的空間格局，但GLASS LAI整體高于MOD15和MCD15 LAI?；贕LASS LAI數(shù)據(jù)的浙江省LAI的10年平均值普遍為2.5～3.0 m2/m2；高于3.0 m2/m2的地區(qū)主要分布在麗水、溫州和寧波等地；LAI的10年平均值的低值區(qū)主要分布在北部地區(qū)（如嘉興、湖州東部和杭州北部）、金華和衢州中部、以及浙江省東部，一般為1.0～1.5 m2/m2?；贛OD15 LAI數(shù)據(jù)得到的10年平均值普遍為1.5～2.0 m2/m2，高于2.5 m2/m2的地區(qū)主要分布在麗水大部、杭州東部、溫州西部和寧波南部等森林地區(qū)；在農(nóng)田為主的浙江北部地區(qū)、金華和衢州中部以及浙江省東部，LAI的10年平均值一般為 0.5～1.0 m2/m2。MCD15 LAI的 10年平均值一般為2.0～2.5 m2/m2；麗水大部、杭州東部、溫州西部和寧波南部等森林地區(qū)LAI的10年平均值多高于3.0 m2/m2。

從三種LAI產(chǎn)品10年平均值的兩兩之間差異的空間分布可以看出，在農(nóng)田地區(qū)GLASS LAI高于MOD15 LAI和MCD15 LAI，部分地區(qū)超過了2.0 m2/m2；而在森林地區(qū)，MOD15 LAI和MCD15 LAI一般比GLASS LAI高1.0 m2/m2以上，最大可達(dá)2.0 m2/m2。MOD15 LAI和 MCD15 LAI的 10年平均值差別不大，總體而言，MCD15 LAI略高于MOD15 LAI，大部分地區(qū)的兩者之差在0.4 m2/m2以內(nèi)（圖3）。GLASS LAI比MOD15 LAI和MCD15 LAI低0.4 m2/m2以上的地區(qū)分別占全省面積的12.0%和17.9%，主要分布在溫州、麗水和臺(tái)州。上述三個(gè)地區(qū)GLASS LAI低于MCD15 LAI的面積比例依次為27.0%、26.7%和23.3%；GLASS LAI低于MOD15 LAI的面積比例依次為18.6%、17.1%和15.3%。MCD15 LAI與MOD15 LAI之差在±0.4 m2/m2以內(nèi)的地區(qū)約占到全省面積的33.3%，其中嘉興、杭州、湖州等地所占比例都超過50%。MCD15 LAI高 出 MOD15 LAI在 0.4～1.0 m2/m2的地區(qū)約占全省面積的44.1%，其中麗水、衢州、紹興、杭州和金華地區(qū)均在50%左右。MCD15 LAI比MOD15 LAI低0.4～1.0 m2/m2的地區(qū)僅約占全省面積的12.1%，其中麗水、溫州及臺(tái)州等地區(qū)所占比例約15%，寧波、杭州、衢州及舟山在10%左右。MCD15 LAI和MOD15 LAI兩者之差超過1.0 m2/m2的地區(qū)約占全省面積的10%。

圖3 三種LAI產(chǎn)品的10年平均值及兩兩之間差異的空間分布Fig. 3 Spatial patterns of 10-year average of annual mean LAI of three products and the differences between each two products

3.3 年最大LAI空間格局比較

圖 4為 2003—2012年 間 GLASS、MOD15和MCD15年最大LAI的平均值及兩兩之間差異的空間分布。三種LAI產(chǎn)品的年最大值空間格局雖然總體相似，但GLASS LAI的年最大值一般低于MOD15和MCD15 LAI；MOD15和MCD15 LAI年最大值的大小和空間格局類似。除中部和北部農(nóng)田地區(qū)外，GLASS LAI的年最大值一般為4.0～4.5 m2/m2；而MOD15和MCD15 LAI年最大值多為6.0～6.5 m2/m2。農(nóng)田地區(qū)的GLASS、MOD15和MCD15 LAI的年最大值一般為3.0、4.0和4.0 m2/m2左右。

從三種LAI產(chǎn)品年最大值兩兩之間的差異分布圖可見（圖4），GLASS LAI年最大值在農(nóng)田地區(qū)高于MOD15和MCD15 LAI；而在森林地區(qū)，GLASS LAI年最大值普遍比MOD15和MCD15 LAI低。其中，MOD15和MCD15 LAI年最大值比GLASS LAI年最大值高1.6 m2/m2的地區(qū)分別占全省面積的46.2%和49.4%；高1.2～1.6 m2/m2的地區(qū)分別占14.2%和12.8%；MOD15和MCD15 LAI年最大值與GLASS LAI年最大值差別在±1.2 m2/m2以內(nèi)的地區(qū)所占比例分別為33.7%和31.9%。GLASS LAI年最大值比MOD15和MCD15 LAI年最大值高0.4 m2/m2以上的地區(qū)均不到全省的15%。MOD15和MCD15 LAI年最大值的差別不大，在全省91.7%的地區(qū)兩者差別小于±0.4 m2/m2。

三種LAI產(chǎn)品的年平均值和年最大值的直方圖如圖5所示。GLASS LAI年平均值的直方圖有兩個(gè)峰，分別位于 1.0～1.5 和 2.5～3.0 m2/m2，所占比例約為6%和16%；高于3.5 m2/m2的比例幾乎為0。MOD15 LAI的年平均值有三個(gè)比較集中的峰區(qū)，分別集位于 0.5～1.0、1.5-2.0 以及 3.0～3.5 m2/m2，各自所占比例約為8%、10%和4%。MCD15 LAI年平均值的直方圖形狀與MOD15 LAI接近，但峰值區(qū)位置稍稍右移（圖5a）。GLASS LAI年最大值的峰值區(qū)位于4.5 m2/m2附近，而MOD15和MCD15 LAI年最大值主要集中在6.5 m2/m2附近（圖5b）。

圖 4 三種LAI產(chǎn)品年最大值的10年平均值及兩兩之間差異的空間分布Fig. 4 Spatial patterns of 10-year average of annual maximum LAI of the three products and the differences between each two products

對(duì)三種LAI產(chǎn)品進(jìn)行全省和分地區(qū)的區(qū)域統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)2003—2012年基于GLASS LAI年均值的全省平均為2.13 m2/m2，比MOD15（1.73 m2/m2）和MCD15 LAI（1.90 m2/m2）分別約高23%和12%（ 圖 6a）。在浙江省各個(gè)地區(qū)，2003—2012年GLASS LAI年平均值的區(qū)域平均都高于MOD15和MCD15 LAI，一般比MOD15 LAI高約0.4 m2/m2；在浙江中部嘉興、湖州、紹興、金華、衢州和寧波等地區(qū)，2003—2012年GLASS LAI年平均值的區(qū)域平均比MCD15 LAI高約0.3 m2/m2，其他地區(qū)高約0.15 m2/m2。各個(gè)地區(qū)的MCD15 LAI均值高于MOD15 LAI，大約為 0.15 m2/m2。

與LAI年平均值的差異不同，2003—2012年GLASS LAI年最大值的全省平均值為3.82 m2/m2，比 MOD15（4.90 m2/m2） 和 MCD15（4.94 m2/m2）LAI的對(duì)應(yīng)值都低約30%（圖6b）。各地區(qū)GLASS LAI的年最大值的區(qū)域均值也都低于MOD15和MCD15 LAI。GLASS LAI年最大值的區(qū)域均值與MOD15 LAI對(duì)應(yīng)值之差在麗水最大（1.58 m2/m2）、舟山最?。?.37 m2/m2），在其他地區(qū)約為1.0 m2/m2。GLASS LAI年最大值的區(qū)域均值與MCD15 LAI對(duì)應(yīng)值之差也是在麗水最大（1.62 m2/m2）、舟山最小（0.50 m2/m2），在其他地區(qū)約為 1.0 m2/m2。2003—2012年MCD15 LAI年最大值的區(qū)域平均值在各個(gè)地區(qū)都高于MOD15 LAI，但差異不大，除嘉興地區(qū)（0.18 m2/m2）外，其他地區(qū)的兩者差異僅為0.05 m2/m2左右。

圖 5 2003—2012年三種LAI產(chǎn)品的年平均值和年最大值Fig. 5 Annual mean LAI and annual maximum LAI for the three LAI products during 2003—2012

圖 6 2003—2012年LAI年平均值和年最大值的區(qū)域均值Fig. 6 Regional averages of annual mean LAI and annual maximum LAI during 2003—2012

3.4 三種LAI產(chǎn)品的變化趨勢(shì)比較

在2003—2012年期間，三種LAI遙感產(chǎn)品年平均值的變化趨勢(shì)空間差異顯著（圖7）。GLASS LAI顯著升高和下降的區(qū)域面積接近，分別占全省的16.6%和14.7%。GLASS LAI年平均值下降幅度較大的地區(qū)主要分布在北部的湖州、嘉興、杭州及寧波的部分地區(qū)，下降超過0.05 m2/m2；GLASS LAI年平均值升高的地區(qū)則主要分布在中部的金華、衢州以及麗水北部的部分地區(qū)，速率大于0.04 m2/m2。與GLASS LAI不同，MOD15 LAI年平均值在全省21.8%的地區(qū)下降明顯，顯著升高的地區(qū)僅占1.2%（圖7，9）。MOD15 LAI年平均值除在GLASS LAI下降的地區(qū)也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，在南部的麗水、溫州及臺(tái)州等地區(qū)也呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，下降速率大于0.05 m2/m2。MCD15 LAI呈顯著升高和下降趨勢(shì)的面積比例分別為4.0%和13.7%（圖7，9）。在MOD15 LAI明顯下降的湖州、嘉興和寧波以及杭州北部等地區(qū)，MCD15 LAI的降幅和面積都有所減小。在衢州、金華、麗水北部和紹興南部的零星地區(qū)，MCD15 LAI略有升高，一般為0.02～0.03 m2/m2。

基于三種LAI產(chǎn)品的2003—2012年浙江省年平均LAI隨時(shí)間變化的特征有所差異（圖8）。在此期間，GLASS LAI全省平均值的年際波動(dòng)較大，但未表現(xiàn)出明顯變化趨勢(shì)；MOD15 LAI全省平均值呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢(shì)，速率為0.02 m2/m2（p=0.06）；MCD15 LAI全省平均值的變化趨勢(shì)介于GLASS和MOD15 LAI，呈現(xiàn)不顯著的下降趨勢(shì)。

圖 7 三種LAI遙感產(chǎn)品年平均值在2003—2012年期間的變化趨勢(shì)Fig. 7 Change trends of annual means of three LAI products during 2003—2012.注：未通過0.05顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域用灰色表示

圖 8 2003—2012年浙江省LAI年平均值變化趨勢(shì)Fig. 8 Changes of provincial average of mean annual LAI in Zhejiang Province during 2003—2012

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)三種LAI遙感產(chǎn)品在浙江省不同地區(qū)顯著升高和下降的面積比例（圖9），發(fā)現(xiàn)三種LAI遙感產(chǎn)品變化趨勢(shì)的區(qū)域間差異很大。GLASS LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例在嘉興最高（39.9%），其次為湖州（37.6%）、寧波（30.1%）、杭州（19.1%）、紹興（13.4%）和臺(tái)州（12.2%）；在金華、衢州和麗水等地區(qū)，GLASS LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例約為5%左右。GLASS LAI呈現(xiàn)升高趨勢(shì)的面積比例在衢州最高（27.5%），其次為金華（22.8%）和紹興（22.4%）；GLASS LAI呈現(xiàn)升高趨勢(shì)的面積比例在臺(tái)州和舟山約為20%；在杭州、溫州和寧波為10%～15%。MOD15 LAI呈現(xiàn)升高趨勢(shì)的面積比例在所有地區(qū)都小于5%；而MOD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例在嘉興達(dá)到50.1%、其次為湖州（45.2%）和寧波（37.9%）；在杭州、臺(tái)州和溫州，MOD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例均達(dá)到24%左右；其他地區(qū)，MOD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例為10%～15%。相比GLASS和MOD15 LAI，MCD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例在嘉興為37.6%、其次為湖州（33.9%）和寧波（26.8%）；在杭州和臺(tái)州，MCD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例占約15%；在其他地區(qū)，MCD15 LAI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的面積比例為4%～10%。MCD15 LAI呈現(xiàn)升高趨勢(shì)的面積比例在舟山為8.8%、其次為衢州（8.3%）、紹興（7.0%）和金華（6.6%）；其他地區(qū)低于5%。

圖 9 2003—2012年浙江省LAI年平均值顯著變化的面積比例Fig. 9 Area ratios with significant changing trends of annual mean LAI in Zhejiang Province during 2003—2012

4 討論

本文比較了三種基于MODIS數(shù)據(jù)生成的LAI產(chǎn) 品（MOD15 LAI、MCD15 LAI和 GLASS LAI）在浙江省的空間格局和變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，三種LAI遙感產(chǎn)品在大小、空間格局及變化趨勢(shì)上均存在顯著差異。已有研究也表明，不同LAI遙感產(chǎn)品在大小和空間格局上表現(xiàn)出很大差異[14,35-36]，基于MODIS Terra和Aqua組合數(shù)據(jù)生成的MCD15 LAI產(chǎn)品與僅基于Terra或Aqua數(shù)據(jù)生成的LAI相比，具有更高的空間覆蓋度和精度[37]。GLASS LAI與MODIS LAI產(chǎn)品的可靠性在不同地區(qū)存在差異：Xiao等[12]研究發(fā)現(xiàn)GLASS LAI比MODIS LAI質(zhì)量有所提高；而Jin等[27]研究表明GLASS LAI在中國(guó)西南山區(qū)的表現(xiàn)略差于MODIS；Liu等[15]最近研究結(jié)果指出，GLASS LAI在森林可靠性略優(yōu)于MODIS LAI；本研究在天童山地區(qū)比較結(jié)果也表明，GLASS LAI在森林表現(xiàn)要優(yōu)于MODIS LAI。

本研究以LAITM作為“橋梁”[4]評(píng)價(jià)了三種LAI遙感產(chǎn)品。需要指出，LAI遙感產(chǎn)品與實(shí)測(cè)LAI之間存在尺度不匹配問題，特別在空間異質(zhì)性較大的地區(qū)。另外，LAITM是基于TM光譜反射率構(gòu)建的植被指數(shù)和實(shí)測(cè)LAI建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系估算得到，三種LAI遙感產(chǎn)品與LAITM的差異除產(chǎn)品本身外，還可能歸因于LAITM空間分布圖的不確定性。本研究?jī)H在天童山常綠闊葉林地區(qū)對(duì)三種LAI遙感產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)價(jià)，未來需要在更多具有代表性的生態(tài)系統(tǒng)開展LAI遙感產(chǎn)品的評(píng)價(jià)工作。另外，開展長(zhǎng)時(shí)間的地面LAI連續(xù)觀測(cè)也將有助于評(píng)估不同LAI產(chǎn)品的季節(jié)和年際變化特征[4,15]。

LAI遙感產(chǎn)品不確定性來源包括輸入地表反射率和植被類型數(shù)據(jù)以及反演算法等[38-39]。本研究所比較的三種LAI遙感產(chǎn)品采用了相同的地表反射率數(shù)據(jù)，其差異可能主要?dú)w因于反演算法和植被類型處理方面的不同[15]。MOD15 LAI和MCD15 LAI的主要算法采用基于三維輻射傳輸模型模擬的查找表反演LAI，而其備用算法則基于LAI和NDVI之間關(guān)系估算LAI。GLASS LAI根據(jù)MODIS和CYCLOPES LAI產(chǎn)品融合的LAI、采用GRNN訓(xùn)練生成。作為L(zhǎng)AI產(chǎn)品不確定性的重要來源，植被類型數(shù)據(jù)所導(dǎo)致的LAI反演差異可達(dá)15%～50%[40-41]。高質(zhì)量、一致性的地表反射率和植被類型數(shù)據(jù)、良好的反演算法將有效提升LAI遙感產(chǎn)品的精度。

本研究比較的三種LAI遙感產(chǎn)品采用了不同的聚集度系數(shù)參數(shù)化方案，這也會(huì)導(dǎo)致這些產(chǎn)品之間的差異[15]。MOD15和MCD15 LAI考慮了樹冠和冠層尺度的聚集效應(yīng)，而GLASS LAI采用了隨植被類型變化的聚集度系數(shù)。聚集度系數(shù)存在時(shí)空變化，僅根據(jù)植被類型進(jìn)行聚集度系數(shù)的賦值會(huì)導(dǎo)致“真實(shí)”LAI的不確定性。近年來，一些研究利用POLDER、MODIS和MISR數(shù)據(jù)生成了較高空間分辨率的區(qū)域和全球聚集度系數(shù)產(chǎn)品[42-44]。將這些柵格化的聚集度系數(shù)數(shù)據(jù)應(yīng)用于LAI反演，將進(jìn)一步提高LAI遙感產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)論

本研究比較了2003—2012年期間三種基于MODIS數(shù)據(jù)生成的LAI產(chǎn)品（MOD15 LAI、MCD15 LAI和GLASS LAI）在浙江省的大小、空間格局及變化趨勢(shì)等，以地面觀測(cè)的LAI結(jié)合TM遙感數(shù)據(jù)生成的30 m分辨率LAI數(shù)據(jù)（LAITM）為參考，評(píng)價(jià)了三種LAI遙感產(chǎn)品在浙江省天童山地區(qū)常綠闊葉林的可靠性，主要結(jié)論如下：

1）GLASS LAI在天童山常綠闊葉林的表現(xiàn)優(yōu)于 MOD15 LAI和MCD15 LAI，GLASS LAI與 LAITM具有較好的相關(guān)性（R2=0.61，RMSE=1.20 m2/m2），而另外兩種LAI遙感產(chǎn)品與LAITM的一致性較差。

2）基于GLASS LAI得到的浙江省LAI年平均值（2.13 m2/m2）分別比MOD15 LAI和MCD15 LAI高約23%和12%；而GLASS LAI年最大值的10年平均值（3.82 m2/m2）比MOD15 LAI和MCD15 LAI的值都偏低約30%。

3）GLASS LAI在浙江省顯著升高和下降的面積比例分別為16.6%和14.7%；MOD15 LAI和MCD15 LAI分別在全省21.8%和13.7%的地區(qū)下降明顯，分別僅在全省1.2%和4.0%的地區(qū)明顯升高。

4）GLASS LAI全省平均值在2003—2012年期間具有較大的年際波動(dòng)，但趨勢(shì)不明顯；MCD15 LAI略有下降；而MOD15 LAI呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢(shì)（0.02 m2/m2，p=0.06）。