0 引言
叶面积指数（leaf area index，LAI）定义为单位土地面积上植被绿叶表面积总和的一半[1]，是表征植被的冠层结构和光能利用状况的重要生物参数，与植被的光合、呼吸、蒸腾作用有着密切联系[2-3]，并间接影响着全球的水文循环、碳循环与气候变化等[4]。遥感技术是获取长时序大范围LAI的有效手段。国内外许多组织和机构基于不同的卫星遥感数据生产了多个全球尺度的LAI产品，包括MODIS[5]，AVHRR[6]，CYCLOPES[7]，GEOV1[8-9]，MISR[10]，MERIS[11]，GLOBALBNU[12]，GLOBMAP[13]以及GLASS[14]等。不同的LAI产品依赖于不同的遥感数据源，在数据的覆盖时间、时空分辨率以及反演算法等方面存在显著差异。
在所有的LAI产品中，MODIS和GLASS LAI产品因其全球覆盖、长时间序列和相对较高的空间分辨率而受到最为广泛的应用。2021年，Ma等[15]基于双向长短期记忆网络（bidirectional long shart-term memory network，Bi-LSTM）模型和MODIS反射率数据，生成了2000年以来全球250 m分辨率的GLASS V6产品，这一最新版本在精度和时空连续性上均有显著提升，是目前世界上空间分辨率最高的全球长时间序列LAI产品。然而，现有的LAI产品空间分辨率主要分布在250~1 000 m之间，虽然能够满足大尺度区域研究的基本需求，但在地形复杂、地表异质性较高的区域，更高空间分辨率的LAI信息显得尤为重要。2021年，张虎等[16]基于GF-1的高时空分辨率优势，结合三维随机辐射传输模型生产了MuSyQ高分系列中国区域 2018—2020 年 16 m/10 d分辨率的 LAI 产品，并通过实地测量数据验证其反演精度较高。然而LAI反演存在一定的不确定性，其容易受到大气、传感器状态等因素的影响，为了将这些产品有效地应用于不同区域，对其进行验证和评估工作十分有必要。
近年来，随着LAI产品的不断发布，其验证和评估工作也相应展开，验证方法主要包括直接验证和交叉验证2类。直接验证是利用地面实测LAI值，以同时相高分辨率影像为中间桥梁，通过建立统计模型，反演得到LAI参考图像，然后对LAI产品进行精度验证。交叉验证是通过对比不同LAI产品的时空一致性，得到产品的相对精度[17-18]。Li等[19]结合地面LAI观测数据生成的参考图像，对中国区域的GLASS，GLOBALBNU，GLOBMAP和MODIS LAI进行直接验证，结果表明GLASS LAI表现最佳，MODIS LAI表现最差；喻樾等[20]对中国区域GLOBMAP，GLOBALBNU和GLASS LAI产品的时空一致性分析表明不同的流域、土地利用类型、高程都会导致LAI的差异，但都能捕捉到关键的时空变化特征；Gessner等[21]以非洲西部为研究区，对MODIS，GEOV1，CYCLOPES和LSA-SAF LAI产品进行相互对比，研究表明CYCLOPES和GEOV1 LAI产品在主要的土地覆盖类型上一致性很好，MODIS产品数据完整性较好，LSA-SAF LAI能捕捉到典型的旱雨季变化特征，但其空间分辨率较低且覆盖时间短；杨帆等[22]以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究区，对MODIS，GLASS和GEOV1 LAI产品进行直接和交叉验证，结果表明3个产品都存在高估现象，但具有良好的时序一致性；杨勇帅等[23]对西南山区GEOV1，GLASS和MODIS LAI产品进行对比分析，结果表明所有产品随海拔增高缺失值增多，GLASS LAI和GEOV1 LAI的一致性较好，MODIS LAI则与它们存在较大差异，且均难以准确反映农田作物轮作的物候信息；Li等 [24]采用升尺度策略对西南3个山区的MuSyQ LAI精度进行验证的结果表明，由于地形复杂、土地覆被不均匀等原因，研究区MuSyQ LAI值被显著低估53.69%。
综上所述可知，不同的LAI产品在精度、数据完整性、对植被季节特征的表现能力等方面各有优劣，并且受区域、土地利用类型和地形等因素影响。鉴于MuSyQ LAI，MODIS LAI和GLASS V6 LAI产品各自的优势和局限性，以及它们在不同区域的适用性尚未有充分的对比研究，本文选取安徽省典型样区，以MuSyQ LAI，MODIS LAI和GLASS V6 LAI产品为研究对象，结合土地覆盖和高程数据，对主要植被类型的LAI时空一致性进行对比和评价，以期为LAI产品的改进和应用提供参考。
1 研究区概况与数据源
1.1 研究区概况
安徽省位于29°41'~34°38'N，114°54'~119°37'E之间，地处中国华东、长江三角洲地区，总面积14.01万m2，地跨长江、淮河、新安江三大流域，地理跨越南北，处于暖温带与亚热带过渡地区，地势由平原、丘陵、山地构成，自北向南分为淮河平原区、江淮台地丘陵区、皖西山地丘陵区、沿江平原区和皖南山地丘陵5个地貌区。本研究综合考虑地形、土地覆盖和数据可用性，选取6个南北长20 km、东西宽50 km的样区，各样区概况如表1所示，位置如图1所示。样区Ⅰ位于蚌埠市和宿州市的交界处，处于淮河平原区，主要植被类型是雨养耕地，主要种植作物为冬小麦和夏玉米；样区Ⅱ位于六安市，处于江淮台地丘陵区，主要植被类型是灌溉耕地，水稻是该区域主要作物；样区Ⅲ位于合肥市和芜湖市交界处，处于沿江平原区，主要植被类型是灌溉耕地，以水稻种植为主；样区Ⅳ位于六安市和安庆市交界处，处于皖西山地丘陵区，主要植被类型是落叶阔叶林；样区Ⅴ位于宣城市，处于皖南山地丘陵区，主要植被类型是常绿阔叶林；样区Ⅵ位于黄山市，处于皖南山地丘陵区，主要植被类型是常绿针叶林。
表1 各样区概况
Tab.1
| 样区 编号 | 位置 | 高程/m | 地貌区 | 主要植被 类型 |
|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | 蚌埠市、 宿州市 | 3~88 | 淮河平原区 | 雨养耕地 |
| Ⅱ | 六安市 | 16~87 | 江淮台地丘陵区 | 灌溉耕地 |
| Ⅲ | 合肥市、 芜湖市 | 1~225 | 沿江平原区 | 灌溉耕地 |
| Ⅳ | 六安市、 安庆市 | 125~1 759 | 皖西山地丘陵区 | 落叶阔叶林 |
| Ⅴ | 宣城市 | 12~1 126 | 皖南山地丘陵区 | 常绿阔叶林 |
| Ⅵ | 黄山市 | 73~1 065 | 皖南山地丘陵区 | 常绿针叶林 |
图1
1.2 数据来源
土地覆盖数据采用GLC_FCS30产品，它基于时间序列的Landsat影像与多源数据集的全球训练数据生成，时间跨度为1985—2022年，空间分辨率为30 m。GLC_FCS30产品包含3种不同的分类系统，本文采用LCCS分类系统，分别为雨养耕地、灌溉耕地、常绿阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶林、草地、水体、湿地、不透水面、灌木丛和裸地11类。数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据来源于美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS），采用SRTM DEM数字高程数据产品，空间分辨率为30 m。
由于MuSyQ LAI产品只有2018—2020年的数据产品，因此本研究选用2018—2020年的3种LAI产品数据进行研究，研究区个别年份6月份的MuSyQ LAI数据存在少量缺失，土地覆盖和高程选用2019年的数据。采用MRT和python对3种LAI产品进行格式和投影转换，并结合样区边界进行裁剪。为了方便研究，统一采用最近邻插值法将所有数据空间分辨率重采样为16 m，并对2018—2020年的LAI数据进行平均以消除随机误差和异常值的影响。
1.3 LAI产品
本文选择MODIS LAI的C6版本产品 MOD15A2H LAI，GLASS LAI V6版和MuSyQ LAI产品为研究对象，3种产品的主要特征如表2所示。
表2 LAI产品主要特征
Tab.2
| 名称 | 时间分辨率/d | 空间分辨率/m | 时间范围 | 区域 | 主要算法 |
|---|---|---|---|---|---|
| MOD15A2H | 8 | 500 | 2000—2022年 | 全球 | 三维辐射传输模型构建查找表 |
| GLASS | 8 | 250 | 2000—2021年 | 全球 | 双向长短期记忆时间循环神经网络 |
| MuSyQ | 10 | 16 | 2018—2020年 | 中国 | 三维随机辐射传输模型构造查找表 |
1.3.1 MOD15A2H LAI产品
MOD15A2H LAI基于搭载在TERRA卫星上的 MODIS传感器红光和近红外反射率数据反演，提供全球2000 年第48天以来的LAI产品，采用SIN投影方式，空间分辨率500 m，时间分辨率8 d，用8 d内光合有效辐射（fraction of photosynthetically active radiation，FPAR）分数最大的一天的LAI值来表示。使用8种改进的土地覆盖类型作为模型约束参数，分别是草地/谷类作物、灌丛、阔叶作物、稀树草原、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿针叶林和落叶针叶林[25]，采用主算法和备用算法[26]反演LAI。在主算法中，基于三维辐射传输（3D radiative transfer，3D-RT）模型，使用L2G-lite表面反射率作为模型输入参数，采用查找表方法进行反演，当该算法失败时，采用基于归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）与LAI相关性的经验模型作为备份方法[27]。除此之外，该产品还提供质量文件，主算法的数据质量优于备份算法。
1.3.2 GLASS LAI产品
GLASS LAI V6版产品由北京师范大学梁顺林教授团队自主研发，可在马里兰大学GLASS产品发布网站获取，时间范围为2000—2021年，由MODIS反射率产品反演，空间分辨率为250 m，时间分辨率8 d。它采用先进的Bi-LSTM时间循环神经网络模型，结合全球范围内的高质量LAI产品数据（MODIS C6、GLASS V5和PROBA-V V1），通过聚类分析选取全球分布且能代表不同地表覆盖、不同植被生长变化类型及不同卫星观测条件下的像元，并遵循最小差原则融合多种LAI产品，构建精准的时间序列LAI样本。利用这些样本和Bi-LSTM模型，建立了时间序列MODIS地表反射率与LAI之间的复杂关系，训练得到Bi-LSTM算法模型[15]。最终，生成了覆盖2022年的250 m空间分辨率的LAI产品数据，是目前世界上空间分辨率最高的长时间序列全球LAI产品。相比之前的版本和其他算法，GLASS V6在精度和时空连续性上均有显著提升，能够精准地表征植被物候，并有效捕捉植被的扰动变化。
1.3.3 MuSyQ LAI产品
MuSyQ LAI（2018—2020年LAI产品01版）由中国科学院空天信息研究院和中国科学院大学联合生产发布，时间范围为2018—2020年，覆盖中国全域，其空间分辨率为 16 m，时间分辨率10 d，采用通用横轴墨卡托投影（UTM），该产品利用GF-1 宽幅相机反射率数据产品，基于三维随机辐射传输（3D stochastic radiative transfer，3D-SRT）模型构造查找表[24,28]，并使用7种植被类型作为模型约束参数，分别是草地、灌木、作物、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿针叶林、落叶针叶林进行反演得到的。当基于物理模型的检索算法失效时，则采用时间序列重建算法得到LAI。数据集还添加了质量控制标识，以满足用户个性化需求，产品数据可在科学数据库网站免费获取（
1.4 研究方法
本研究从空间一致性和时间一致性2个方面对安徽省典型样区的MuSyQ LAI，MODIS LAI和GLASS V6 LAI产品进行交叉验证。空间一致性从LAI产品的空间分布、两两产品之间差值的空间分布和频率分布、不同产品随高程变化规律4个方面进行分析。时间一致性基于年平均的月LAI时间序列变化曲线，从不同植被类型LAI年内变化、对农田作物物候特征的表征能力以及对植被常绿和落叶特征的表征能力3个方面进行分析。
2 结果分析
2.1 空间一致性对比
考虑到植被生长特点和数据情况，分别选择样区冬季（1月）和夏季（7月）的LAI进行分析，图2和图3分别是MODIS LAI、GLASS LAI和MuSyQ LAI产品的1月份和7月份年平均LAI空间分布图，其中白色区域表示缺失值及非植被覆盖区。MODIS LAI产品算法将水域、城镇建筑用地等非植被覆盖区的像元标记为填充值，因此有较多的白色像元。1月份，样区Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ主要为作物区，此时作物尚未播种或处于生长幼期；样区Ⅳ主要分布落叶阔叶林，此时树木凋零，LAI值均较小，几乎没有空间变化；样区Ⅴ和Ⅵ主要分布常绿林，LAI值相对较大。MODIS LAI空间分辨率相对较低，零星有一些高值像元；相比之下，GLASS LAI分布较为光滑；MuSyQ LAI空间分辨率高，对地物细节的表现能力较强。
图2
图2
各产品1月份年平均LAI空间分布
Fig.2
Spatial distribution of annual average LAI in January for each product
图3
图3
各产品7月份年平均LAI空间分布
Fig.3
Spatial distribution of annual average LAI in July for each product
7月份植被生长旺盛，LAI值较高，其空间变化更明显。表3给出了7月份各LAI产品在各样区经掩模处理后主要植被类型的统计特征值，从表3中可以看出，GLASS LAI在各样区的标准差最小，MuSyQ LAI取值范围和标准差最大。MODIS LAI平均值相对另2种产品偏高，MuSyQ LAI平均值在耕地和落叶阔叶林区域相对于GLASS LAI偏低，在常绿林区域相对偏高。表4是7月各产品在各样区不同植被类型的年平均LAI值，由表3和4都可以看出，多数样区林地的LAI年平均值最大，耕地次之，草地最小。结合图1可知，3种产品的空间分布和植被类型空间分布格局有较好的一致性。此外，由图3可以看出，MuSyQ LAI斑块破碎度较高，地物表现更细致。表5是7月份各产品在各样区斑块的香农多样性指数（Shannon’s diversity index，SHDI）和香农均匀度指数（Shannon’s evenness index，SHEI）统计值，指数的计算方法及意义详见相关文献[29-
表3 7月份各产品在各样区主要植被类型的统计特征值
Tab.3
| 样区编号 | LAI产品 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | 标准差 |
|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | MODIS | 7.0 | 0.9 | 4.0 | 1.1 |
| GLASS | 5.0 | 0.9 | 3.2 | 0.4 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 2.2 | 1.3 | |
| Ⅱ | MODIS | 7.0 | 1.3 | 4.5 | 1.3 |
| GLASS | 5.1 | 1.0 | 3.5 | 0.5 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 2.9 | 1.4 | |
| Ⅲ | MODIS | 7.0 | 1.3 | 3.3 | 1.1 |
| GLASS | 5.7 | 1.0 | 3.0 | 0.5 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 2.3 | 1.3 | |
| Ⅳ | MODIS | 7.0 | 1.9 | 6.0 | 0.7 |
| GLASS | 6.4 | 1.7 | 5.2 | 0.5 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 4.7 | 1.5 | |
| Ⅴ | MODIS | 7.0 | 1.4 | 6.0 | 1.0 |
| GLASS | 6.8 | 0.7 | 4.9 | 0.7 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 5.3 | 2.0 | |
| Ⅵ | MODIS | 7.0 | 2.4 | 6.3 | 0.7 |
| GLASS | 6.8 | 1.4 | 5.0 | 0.5 | |
| MuSyQ | 7.0 | 0.0 | 5.7 | 1.8 |
表4 7月份各产品在各样区各种植被类型的年平均LAI值
Tab.4
| 样区 编号 | LAI产品 | 雨养 耕地 | 灌溉 耕地 | 常绿阔 叶林 | 落叶阔 叶林 | 常绿针 叶林 | 草地 | 灌木 地 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | MODIS | 4.0 | 3.8 | 4.1 | - | - | 3.1 | - |
| GLASS | 3.2 | 3.0 | 3.1 | - | - | 2.4 | - | |
| MuSyQ | 2.2 | 1.5 | 3.0 | - | - | 1.1 | - | |
| Ⅱ | MODIS | 4.3 | 4.5 | 4.6 | 4.8 | 5.9 | 3.7 | - |
| GLASS | 3.4 | 3.5 | 3.7 | 3.7 | 3.2 | 2.9 | - | |
| MuSyQ | 2.7 | 2.9 | 3.2 | 3.1 | 2.7 | 1.5 | - | |
| Ⅲ | MODIS | 3.1 | 3.3 | 4.0 | 3.9 | 5.2 | 3.2 | - |
| GLASS | 2.9 | 3.0 | 3.6 | 3.7 | 4.0 | 2.7 | - | |
| MuSyQ | 1.9 | 2.3 | 3.5 | 3.3 | 4.4 | 1.5 | - | |
| Ⅳ | MODIS | 5.2 | 4.2 | 5.9 | 6.1 | 6.1 | 5.4 | - |
| GLASS | 4.1 | 3.6 | 4.9 | 5.2 | 5.1 | 4.2 | - | |
| MuSyQ | 2.6 | 1.7 | 4.4 | 4.7 | 3.5 | 2.5 | - | |
| Ⅴ | MODIS | 3.8 | 3.3 | 6.0 | 5.9 | 6.1 | 5.6 | - |
| GLASS | 3.2 | 2.8 | 4.9 | 5.1 | 5.2 | 3.7 | - | |
| MuSyQ | 1.9 | 1.5 | 5.3 | 4.8 | 4.5 | 2.1 | - | |
| Ⅵ | MODIS | 6.0 | 5.6 | 6.3 | 6.2 | 6.3 | 5.5 | 6.4 |
| GLASS | 4.1 | 3.7 | 5.1 | 5.0 | 5.0 | 3.4 | 5.2 | |
| MuSyQ | 3.1 | 2.4 | 5.1 | 5.0 | 5.8 | 1.6 | 5.3 |
表5 7月份各产品在各样区的SHDI和SHEI
Tab.5
| 样区编号 | LAI产品 | SHDI | SHEI |
|---|---|---|---|
| Ⅰ | MODIS | 1.11 | 0.63 |
| GLASS | 0.82 | 0.51 | |
| MuSyQ | 1.37 | 0.86 | |
| Ⅱ | MODIS | 1.51 | 0.74 |
| GLASS | 0.86 | 0.53 | |
| MuSyQ | 1.74 | 0.84 | |
| Ⅲ | MODIS | 1.27 | 0.55 |
| GLASS | 0.89 | 0.50 | |
| MuSyQ | 1.48 | 0.71 | |
| Ⅳ | MODIS | 1.24 | 0.69 |
| GLASS | 1.07 | 0.66 | |
| MuSyQ | 1.84 | 0.88 | |
| Ⅴ | MODIS | 1.51 | 0.77 |
| GLASS | 1.40 | 0.71 | |
| MuSyQ | 1.83 | 0.88 | |
| Ⅵ | MODIS | 1.02 | 0.57 |
| GLASS | 0.89 | 0.46 | |
| MuSyQ | 1.76 | 0.84 |
图4和图5为7月份MODIS LAI，GLASS LAI和MuSyQ LAI年均值两两之间差值的空间分布图和频率分布图。所有样区的MODIS LAI与另2种产品的差值曲线基本位于0值右侧，空间分布上有很明显的高值像元。在样区Ⅰ—Ⅳ，3种产品差值曲线均在0值处取得峰值，GLASS和MuSyQ LAI差值在该处频率最高，且曲线大部分位于大于0一侧；在样区Ⅴ和Ⅵ，MODIS和MuSyQ LAI的差值曲线在0值处取得峰值，GLASS和MuSyQ LAI差值曲线在小于0一侧取得峰值，且曲线大多也位于小于0一侧，由图4可见差值小于0的像元主要分布在林地，大于0的差值主要分布在非林地。综上所述，MODIS LAI值整体高于另2种产品，MuSyQ LAI值相对GLASS LAI值在耕地和落叶阔叶林地区偏低，在常绿林地区偏高。
图4
图4
3种 LAI 产品7月份年平均两两之间差异的空间分布图
Fig.4
Spatial distribution of the two-by-two differences between the annual averages of the three LAI products for the month of July
图5
图5
MODIS LAI、GLASS LAI和MuSyQ LAI的7月年均值之间差值频率分布图
Fig.5
Frequency distribution of the difference between the July annual means of MODIS LAI，GLASS LAI and MuSyQ LAI
为了探究地形对 LAI 产品结果的影响，选择高程变化范围大的样区Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ进行分析，图6给出各LAI产品7月年均值随高程变化规律。在样区Ⅳ，MODIS和GLASS LAI变化较为一致，LAI值都随高程增加而增加，但在不同高程段增速不同，当高程低于450 m时，增速较快，超过450 m后增速减缓。而MuSyQ LAI变化与两者存在一定差异，整体呈波动上升趋势，当高程小于300 m时，MuSyQ LAI值上升，之后开始下降，当高程大于750 m时又开始上升。表6—8给出了3个样区的不同植被类型在不同高程段分布面积比例。由表6可知，当高程小于450 m时，样区的主要植被类型为常绿阔叶林，高程大于450 m之后，落叶阔叶林成为主要植被类型，因此LAI增速减缓。在样区Ⅴ，MODIS和GLASS LAI变化也较一致，LAI值随高程增加而增加，当高程低于450 m时，MODIS和GLASS LAI值增速较快，当高程高于450 m，LAI值增速缓慢。而MuSyQ LAI变化与两者同样存在差异，整体也呈上升趋势，在高程低于300 m时，MuSyQ LAI值呈快速上升趋势，当高程介于300~450 m之间时增速减缓，当高程大于450 m后，LAI值持续下降。由表7分析可知，整个高程段，除了（750，900] m，其余各段的主要植被类型都是常绿阔叶林，当高程大于300 m后，常绿阔叶林面积比例开始减小，在450 m之后减小速率加快，大部分转化为落叶阔叶林。MuSyQ LAI空间分辨率较高，能够更加细致地刻画植被类型的变化，从而导致MuSyQ LAI值的明显降低。在样区Ⅵ，三者LAI值都随高程增加先增大后减小，当高程低于450 m时，LAI呈上升趋势，高程高于450 m时，呈下降趋势，但MuSyQ LAI下降速率更大。由表8分析可知，当高程小于900 m时，该样区的主要植被类型为常绿针叶林，当高程大于450 m时，常绿针叶林面积逐渐减少，落叶阔叶林增加，进而导致LAI值降低。
图6
表6 样区Ⅳ不同植被类型在不同高程段分布面积比例
Tab.6
| 植被类型 | [0，150]m | （150，300]m | （300，450]m | （450，600]m | （600，750]m | （750，900]m | （900，1 050]m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 雨养耕地 | 30.76 | 14.81 | 10.25 | 9.28 | 8.12 | 5.74 | 1.63 |
| 灌溉耕地 | 5.88 | 3.15 | 1.25 | 0.90 | 0.91 | 0.32 | 0.02 |
| 常绿阔叶林 | 33.87 | 47.12 | 44.69 | 38.62 | 32.24 | 27.07 | 18.94 |
| 落叶阔叶林 | 27.63 | 30.55 | 39.94 | 45.18 | 51.78 | 58.85 | 71.14 |
| 常绿针叶林 | 0.00 | 1.75 | 2.63 | 5.00 | 6.46 | 7.70 | 8.19 |
| 草地 | 1.86 | 2.61 | 1.24 | 1.02 | 0.51 | 0.31 | 0.08 |
表7 样区Ⅴ的不同植被类型在不同高程段分布面积比例
Tab.7
| 植被类型 | [0，150]m | （150，300]m | （300，450]m | （450，600]m | （600，750]m | （750，900]m | （900，1 050]m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 雨养耕地 | 26.82 | 5.85 | 0.62 | 0.08 | 0.05 | 0.00 | 0.00 |
| 灌溉耕地 | 16.80 | 0.93 | 0.02 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 常绿阔叶林 | 47.35 | 73.42 | 69.95 | 61.58 | 53.29 | 39.46 | 61.53 |
| 落叶阔叶林 | 3.74 | 7.49 | 9.69 | 16.09 | 25.60 | 44.89 | 28.89 |
| 常绿针叶林 | 3.95 | 11.40 | 19.43 | 22.18 | 20.99 | 15.59 | 9.56 |
| 草地 | 1.34 | 0.91 | 0.29 | 0.06 | 0.07 | 0.07 | 0.02 |
表8 样区Ⅵ的不同植被类型在不同高程段分布面积比例
Tab.8
| 植被类型 | [0，150]m | （150，300]m | （300，450]m | （450，600]m | （600，750]m | （750，900]m | （900，1 050]m |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 雨养耕地 | 13.74 | 6.12 | 1.03 | 0.11 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 灌溉耕地 | 6.72 | 2.84 | 0.29 | 0.01 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| 常绿阔叶林 | 26.70 | 31.41 | 35.81 | 36.60 | 36.15 | 30.74 | 35.37 |
| 落叶阔叶林 | 2.37 | 2.73 | 3.45 | 6.62 | 11.88 | 25.23 | 38.80 |
| 常绿针叶林 | 49.91 | 56.30 | 59.01 | 56.46 | 51.86 | 44.00 | 25.83 |
| 灌木丛 | 0.56 | 0.60 | 0.41 | 0.20 | 0.11 | 0.03 | 0.00 |
综上所述，MuSyQ LAI与MODIS和GLASS LAI变化趋势有所不同，相比后两者，MuSyQ LAI 16 m的高空间分辨率使其能够更精细地识别地表植被分布的细节和异质性，能够更好地反映植被分布及其生长与地形因子的关系。
2.2 时间一致性对比
结合数据质量情况，选择多年平均的月LAI进行产品的时间一致性分析，图7（a）—（f）分别为雨养耕地、灌溉耕地、灌溉耕地、落叶阔叶林、常绿阔叶林和常绿针叶林的多年平均LAI的月变化图。由图7可以看出，各产品多年平均的时间序列曲线完整性较好，尽管3种产品有明显的大小差异，但仍呈现出相似的季节变化趋势，都能反映出植被LAI冬季低，夏季高的特点。样区Ⅰ位于皖北平原地区，主要植被类型是雨养耕地，冬春季节主要种植小麦和油菜，夏季主要作物为玉米、大豆和水稻。由图7（a）可见，3种产品农作物的LAI季节变化都呈“双峰型”分布，即在4月和8月达到峰值，然后在6月和10月出现低谷，这主要是因为春季种植的小麦油菜在3月和4月长势最旺，达到了生长中LAI最大值，6月成熟被收割，而新播种的农作物处于生长幼期，因此LAI值较小，很好地表现了农作物轮作的物候信息。样区Ⅱ和Ⅲ主要植被类型是灌溉耕地，水稻和玉米是该地区主要的农作物，由图7（b）—（c）可见，LAI值在5月开始有明显增长，在8月达到峰值，并迅速下降在10月份趋于平稳，这也符合该地区农作物单季种植的播种习惯。在样区Ⅳ，Ⅴ和Ⅵ，由图7（d）—（e）可见，对于落叶阔叶林，各产品在生长季和非生长季的LAI大小差异明显，在生长季LAI较大，在非生长季LAI较小；而对于常绿阔叶林，LAI时间序列曲线分布相对较为平缓，各产品在生长季和非生长季LAI差异相对较小；常绿针叶林在冬季依然保持较高的LAI值，符合常绿植被生长特征。综上所述，各产品时间序列完整性较好，不仅能正确表征农作物的物候特征，而且能正确反映不同植被的季节变化规律。
图7
3 结论
本研究针对MuSyQ LAI、MODIS LAI和GLASS V6 LAI产品，结合土地覆被数据和SRTM DEM数据，选择安徽省典型样区，从空间一致性和时间一致性两个方面对3种LAI产品进行交叉验证，得到以下结论：
1）空间上，3种产品空间分布与植被空间分布格局相吻合，空间一致性相对较好，但在LAI大小和空间异质性的表现上存在差异。MODIS LAI值整体高于其他2种产品，MuSyQ LAI值相对GLASS LAI值在耕地和落叶阔叶林地区偏低，在常绿林地区偏高。3种产品随着空间分辨率的提高，空间细节表现力增强，MuSyQ LAI所表征地物的空间异质性最显著。
2）3种产品中，MODIS LAI和GLASS LAI值随高程变化规律较一致，而MuSyQ LAI变化与两者存在差异，3种产品LAI值在低海拔地区随高程增加而增加，在高海拔处变化趋势在不同样区存在差异，产生差异的原因可能与植被类型和产品空间分辨率等因素有关。
3）时间上，各产品多年平均的时间序列曲线完整性较好，呈现出相似的季节变化趋势，3种产品不仅能正确表征农作物的物候特征，而且能正确反映植被的季节变化规律。
4 讨论
本文采用交叉验证对安徽省典型样区的MuSyQ LAI、MODIS LAI和GLASS V6 LAI产品的时空一致性进行分析，3种产品存在差异与空间分辨率和反演算法、数据源等因素有关。 MuSyQ LAI空间异质性最好，其16 m的高空间分辨率为在地形复杂、异质性像元广泛分布的区域开展精细化研究提供了可能，但受云、雨等不良观测条件影响，MuSyQ LAI夏季存在数据缺失，且已发布可供使用的数据只有3 a，相比之下，GLASS LAI V6能够提供长时间序列数据，在地物细节表现方面相对MODIS LAI较佳。因此，MuSyQ LAI产品更适于地形复杂、地物分布异质性高的区域的年内变化研究，GLASS LAI更适于长时间序列大区域的研究，未来，随着MuSyQ LAI产品的持续生产和积累，以及引进云雨去除算法提高产品的反演率，将在区域研究上更具有潜力。
除此之外，要想获取产品的定量验证结果，还需要结合地面实测数据进行验证，这将有助于更全面地评估各产品在植被监测和生态研究中的应用潜力，并进一步提高遥感产品的可靠性和准确性。
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利用卫星遥感生产叶面积指数（Leaf area index： LAI）产品并进行真实性检验是植被定量遥感的一项重要研究内容。过去10 a，我国研究人员利用MODIS或AVHRR观测数据生产了GLOBALBNU， GLASS， GLOBMAP，MuSyQ和FSGOM等数套全球和全国LAI产品，受到了国内外的广泛关注和应用。在产品生产的同时，我国学者也广泛开展了LAI产品在全球和区域尺度的真实性检验研究工作。本文总结了我国LAI卫星产品生产和验证研究工作的现状和趋势。近年来，我国在本领域相关的理论、技术和方法研究方面取得了全面进展，LAI产品精度和连续性已与国外先进水平相当，但仍然存在数据源单一且依赖国外、算法不确定性不清、生产不连续以及缺乏充分验证等问题，客观上影响了LAI产品应用的广度及深度。未来应充分利用新的卫星数据特别是国产数据，加强遥感机理模型、反演算法以及应用的创新研究，生产具有特色的高质量LAI产品，满足地球系统科学的研究需求。同时，应加强LAI验证基础设施建设，发掘利用更广泛的验证站点，同时增进国际合作，加强产品的推广使用，在与用户的互动交流反馈中进一步提高产品的市场。随着我国对相关研究投入的增加，可以预期未来20 a将是我国LAI遥感产品及验证研究由“跟跑”国际先进水平向“并跑”乃至“领跑”过渡的机遇期。
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叶面积指数是研究全球和区域碳循环、水文循环、气候变化区域响应的重要参数之一，研究不同LAI产品的时空一致性可为该地区LAI产品的使用提供建议和参考。本研究基于流域、DEM和土地利用类型，对GLOBMAP、GLOBALBNU、GLASS的LAI产品从平均值、频率以及差值频率等的变化进行统计，分析3种国产LAI产品在中国区域的一致性。主要结论为：①3种产品均可捕捉中国地区LAI的空间分布和月及年的时间变化特征，GLOBMAP在2001年更换数据源后年平均值开始下降。②3种产品在九大流域、不同DEM、不同地表利用类型分类下均存在差异。在海河流域、黄河流域和内陆河流域，3种产品的相关性较好，但是在长江流域、东南诸河流域以及珠江流域内产品间差值大于2.00的范围较多。2 000~4 000 m区域内3种产品的年均变化趋势区别存在明显不同。和其他产品相比，在草地区域GLASS较低，在城乡工业用地区域GLOBMAP较低，在林地区域GLOBALBNU较高。定量分析了3套国产LAI产品的时空差异，结果可为国产LAI产品在中国的应用提供科学参考。
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叶面积指数(LeafAreaIndex,LAI)是表征植被生物物理变化和冠层结构特征的关键参数,目前存在多个全球范围、长时间序列LAI产品,对其进行验证是LAI产品应用的重要前提,然而目前山区的验证工作尤其少见.在我国西南山区选取６个典型样区,考虑山区复杂地形特征,从产品时空完整性以及对山区植被时空特征表征能力等方面对GEOV１、GLASS和MODISLAI产品进行对比分析.研究结果表明:①相比于地形平坦地区,在山区随海拔和地形起伏度的增加,LAI产品时空完整性呈递减的趋势,其中,GEOV１LAI表现最差,MODISLAI次之,GLASSLAI表现最好;②GLASSLAI和GEOV１LAI的空间分布合理且具有较好的一致性,MODISLAI的空间分布和二者存在差异,３种LAI产品均难以准确反映山区植被垂直带谱的变化特征;③草地类型LAI产品间差值较小,林地和农作物GLASSLAI和GEOV１LAI产品一致性较好,MODISLAI产品和二者存在较大的差异;④GLASSLAI时间序列曲线平滑且连续,GEOV１LAI存在时间不连续现象,MODISLAI季相变化中的波动现象比较严重;各产品不仅难以准确反映冬季的常绿针叶林LAI,而且难以准确表征样区内农田作物轮作的物候信息.对比分析有助于发现LAI产品在山区存在的问题,并为今后LAI产品的算法改进提供帮助和参考.
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景观格局是影响生态系统服务供给和维持的重要因素,也是区域生态系统健康稳定和土地利用优化决策的基础。本研究以北方防沙带河西走廊段为研究区,运用Fragstats 4.2软件、修正风蚀模型、空间自相关分析方法量化并分析了2000—2020年间景观格局和防风固沙服务的时空演变及响应关系。结果表明:2000—2020年间,研究区土地利用类型景观格局变化明显,以戈壁转向耕地以及草地与耕地间的相互转变为主,景观格局更趋于多样化、异质化和破碎化。研究区防风固沙服务空间格局总体呈现“东南高、西北低”的特点,防风固沙量呈现先增加后减少的趋势。耕地和草地的防风固沙量较高,裸地和建设用地等景观防风固沙量较低。研究期内,Shannon多样性、斑块密度和景观形状指数与防风固沙服务均呈正相关,平均斑块面积与防风固沙服务呈负相关。说明在以戈壁荒漠为主导景观的北方防沙带河西走廊段,景观异质性增加、分布越均匀、斑块数量越多、景观形状越复杂等特征对防风固沙服务有促进效应。
Spatio-temporal variation of landscape pattern and the response of windbreak and sand fixation service in Hexi Corridor of northern sand fixation belt
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DOI:10.13287/j.1001-9332.202309.035
Landscape pattern, an important factor affecting the supply and maintenance of ecosystem services, is the basis for the healthy and stable regional ecosystem and the optimal decision of land use. Taking the Hexi Corridor in the northern sand fixation belt as the study area, we quantified and analyzed the temporal and spatial variations and response relationship between landscape pattern and windbreak and sand fixation services during 2000-2020 by using the software Fragstats 4.2, the revised wind erosion equation and the spatial autocorrelation method. The results showed that, the landscape pattern of land use types changed obviously in the study area during 2000-2020, mainly from Gobi to cultivated land and from grassland to cultivated land, and that the landscape pattern tended to be diversified, heterogeneous, and fragmented. The spatial pattern of windbreak and sand fixation services was generally characterized by “high in southeast and low in northwest”, with the amount of windbreak and sand fixation increasing at first and then decreasing. The windbreak and sand fixation capacity was higher in cultivated land and grassland and lower in the bare land and construction land. Shannon’s diversity index, patch density and landscape shape index were all positively correlated with windbreak and sand fixation services, while mean patch size was negatively correlated with it. Our results indicated that the increases of landscape heterogeneity, the more uniform distribution, the more patches and the more complex landscape shape had a promoting effect on windbreak and sand fixation services in the Hexi corridor of the northern sand fixation belt with Gobi Desert as the dominant landscape.
土地利用及景观格局动态变化分析——以甘肃省党河流域为例
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