مدل انتقال تابش

معکوس سازی مدل های مبتنی بر فیزیک ـ براساس انتشار تابش درون تاج پوشش ـ مشخصاً در زمرة روش های موفق در تخمین مقدار پارامترهای پوشش گیاهی از قبیل شاخص سطح برگ و کلروفیل با استفاده از داده های سنجش از دور است. در این تحقیق مقدار کلروفیل گیاه برنج در سطح تاج پوشش به عنوان شاخص وضعیت گیاه تخمین زده شد. بدین منظور، مدل انتقال تابش PROSAIL و تصویر سنجنده 2-AVNIR ماهواره ALOS مورد استفاده قرار گرفت. تحقیق میدانی جامعی نیز در طول ماه های تیر و مرداد 1389 در ناحیه شمال ایران ـ آمل ـ صورت گرفت. 60 پلات: 20 20 متر مربعی به صورت تصادفی انتخاب شدند و در هر یک از آنها 4 تا 7 زیرپلات با توجه به همگنی محصول انتخاب گردید. سپس مقدار کلروفیل در هر زیرپلات با استفاده از دستگاه 502-SPAD اندازه گیری شد. تصحیحات اتمسفری با استفاده از مدل MODTRAN انجام گرفت. در گام بعد مدل PROSAIL برای شبیه سازی طیف در باندهای 2-AVNIR اصلاح گردید. آنالیز حساسیت مدل نیز برای تعیین پارامترهای ثابت و آزاد صورت پذیرفت، و سپس براساس مطالعات میدانی دامنه پارامترهای آزاد ورودی به مدل تعیین شد. با استفاده از روش بهینه سازی درون تکرار مدل معکوس و مقدار کلروفیل در دو سطح برگ و تاج پوشش (مقدار کلروفیل برگ شاخص سطح برگ) تخمین زده شد. از شاخص های 2R و RMSE بین مقادیر تخمین زده شده و داده های میدانی به منظور ارزیابی مدل استفاده شد. نتایج نشان داد که با استفاده از مدل PROSAIL استخراج کلروفیل در سطح برگ دقت چندان مناسبی ندارد، اما می توان کلروفیل را با دقت نسبتاً مطلوبی در سطح تاج پوشش تخمین زد (57/0=2R و 47/0=RMSE) و در تحقیقات اکولوژیک و پایش محصول استفاده کرد.

از داده های سنجنده AVHRR برای آشکارسازی ناحیه ای ابر در دو منطقه ایران با ویژگی های متفاوت جغرافیایی و جوی به منظور مقایسه با داده های ماسک ابر مادیس (MOD35) استفاده شده است. بدین منظور، پنج تاریخ دارای بالاترین و پایین ترین آنومالی ابرناکی طی بازه زمانی 2001-2015 متناسب با گذر ماهواره های ترا و نوآ انتخاب شد. پنج آزمون آستانه گذاری طیفی مختلف استفاده شد. ابتدا پس از تشخیص پیکسل های برفی، این پیکسل ها از ادامه کار حذف شدند. سپس، از سه آزمون به منظور تشخیص پیکسل های ابرناک بهره برده شد؛ این آزمون ها عبارت است از: آزمون بازتاب کانال مرئی؛ آزمون نسبت بازتاب مادون قرمز نزدیک/ مرئی؛ و آزمون دمای درخشندگی جو بدون ابر. آزمون آخر نشان داد، طی تاریخ های مورد بررسی، با توجه به دمای سطحی، دمای درخشندگی قابل تقسیم به دو طبقه اصلی است. هنگامی که دمای سطحی بیشتر از 5 درجه سانتی گراد است، جو صاف به طور متوسط 1 درجه سانتی گراد سردتر از جو ابری است و برعکس؛ هنگامی که دمای سطحی کمتر از 5 درجه سانتی گراد باشد، جو صاف به طور متوسط 6 درجه سانتی گراد گرم تر است. نتایج حاصل از صحت سنجی این الگوریتم با ارزیابی داده های ایستگاهی و محصول ماسک ابر سنجنده مادیس دقت بالای 90درصد را نیز در برخی از تاریخ ها آشکار کرد.

پوشش گیاهی موتور محرک کره زمین است؛ تبادلات انرژی و آب بین اتمسفر و زمین را کنترل می کند و در چرخه های جهانی انرژی، اکسیژن، دی اکسیدکربن و آب نقش مهمی دارد. پایش و مدیریت پوشش های گیاهی با استفاده از پارامتر های بیوفیزیکی و بیوشیمیایی آن، مانند LAI، انجام می پذیرد. شاخص سطح برگ (LAI) از مهم ترین پارامترهای پوشش گیاهی است که در اغلب مدل سازی ها مانند مدل سازی چرخه های آب، انرژی و کربن استفاده می شود. رویکردهای بازیابی متفاوتی، به منظور استخراج اطلاعات پارامترهای بیوفیزیکی از داده های سنجش از دوری، توسعه یافته است. در تحقیق حاضر، از روش فیزیکی معکوس مدل انتقال تابش PROSAIL، مبتنی بر جدول LUT، با هدف بازیابی متغیر LAI استفاده شده است. همچنین داده های زمینی برداشت شده طی کمپین SPARC 2003 برای ارزیابی صحت متغیر بازیابی شده به کار رفت. برای رفع مشکل ill-posed، چهار دسته از معیارهای هزینه با عنوان اندازه گیر اطلاعات (IM)، حداقل اختلاف (MC)، اندازه گیر زاویه (SAM) و خطای حداقل مربعات (LSE) به همراه نرمال سازی و میانگین بهترین جواب ها استفاده شد. نتایج بهبود تخمین متغیر LAI را با استفاده از معیار اندازه گیر اطلاعات (Kulbak-liebler)، به میزان 12% و با استفاده از 11% میانگین بهترین جواب ها نشان دادند. تابع هزینه LSE نیز در قیاس با حالت نرمال نشده، 7% بهبود یافت.

سابقه و هدف: تعیین نحوه اثرگذاری محتوای بیوشیمیایی برگ در بازتاب و رفتار طیفی آن، ازطریق سنجش از دور، می تواند به درک فرایند اکوسیستم و پارامترهای آن، همچون تنش آبی گیاه، کمک شایان توجهی کند. ویژگی های نوری تاج پوشش بسیار تحت تأثیر ویژگی های نوری برگ ها و خاک زمینه است. همچنین به دلیل دردسترس نبودن اطلاعات دقیق درباره ویژگی های نوری برگ ها، تفسیر اطلاعات طیفی را که ازطریق سنجش از دور گرد می آیند، با محدودیت هایی روبه رو کرده است. ساختار داخلی برگ میزان انعکاس و عبور را در کل طیف الکترومغناطیس، کنترل می کند اما، برای کسب اطلاعات دقیق و توصیف جامع درباره ویژگی های نوری برگ، مدل های فیزیکی توسعه یافته اند. مدل های برگشت پذیر همانند PROSPECT علاوه بر محاسبه پاسخ طیفی برگ، امکان محاسبه مقدار کمّی ویژگی های درونی برگ، مانند میزان کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ را فراهم می کنند. با استفاده از ویژگی برگشت پذیری، می توان براساس طیف جمع آوری شده ازطریق سنجنده ها، کمّیت آب برگ ها و زیست توده آنها را مشخص کرد. بنابراین استفاده از این مدل ها و تلفیق آن با داده های دورسنجی که برای گیاه غیرتخریبی است، امکان پایش در بُعد زمان و مکان را فراهم می آورد و می تواند راه گشای مطالعات و مدل سازی های مرتبط با ویژگی های درونی برگ گیاهان باشد.مواد و روش ها: در این پژوهش، اثر کمّی متغیرهای بیوفیزیکی – بیوشیمیایی برگ شامل محتوای کلروفیل برگ، ساختار برگ و محتوای آب آن در میزان بازتاب تحلیل شده است. برای این منظور، مدل انتقال تابش PROSPECT که برای شبیه سازی رفتار طیفی برگ گیاهان توسعه داده شده، به کار رفته است. در نتیجه، تأثیر کمّیت پارامترهای برگ شامل کلروفیل، محتوای آب و ساختار برگ در شکل منحنی طیفی برگ بررسی شده است. روش کار بدین ترتیب است که به منظور مطالعه تأثیرات ناشی از هریک از پارامترها، دو پارامتر دیگر ثابت در نظر گرفته می شوند و با تغییر مقدار پارامتر مورد نظر، منحنی های طیفی متناظر با مقادیر انتخاب شده، با به کارگیری مدل PROSPECT استخراج می شود. با مقایسه منحنی های حاصل و تحلیل آنها، تأثیر پارامتر مورد نظر در بازتاب طیفی برگ مطالعه و بررسی می شود.نتایج و بحث: نتایج تحقیق حاکی از آن است که افزایش کلروفیل، با اثر در کاهش انعکاس، به افزایش میزان شاخص های گیاهی مثلثی منجر می شود. براساس ساختار برگ و لایه های داخلی، در محدوده فروسرخ نزدیک، امکان تشخیص گیاهان تک لپه ای، دولپه ای و نیز گیاهان پیر وجود دارد. همچنین در محدوده فروسرخ نزدیک، میزان انعکاس در گیاهان پیر، گیاهان دولپه ای و تک لپه ای به ترتیب کاهش می یابد. در محدوده فروسرخ نزدیک، در گیاهان دولپه ای که دارای پارانشیم اسفنجی اند، بیشتر از گیاهان تک لپه ای انتظار بازتاب می رود. گیاهان تک لپه ای، به دلیل بازتاب کمترشان در محدوده 1400 تا 1900 نانومتر، از سایر گیاهان تفکیک پذیرند. اثرگذاری محتوای آب در بازتاب طیفی برگ از طول موج 1000 نانومتر آغاز می شود و تا پایان محدوده انعکاسی، 2500 نانومتر، ادامه دارد و با افزایش محتوای آب، کاهش بازتاب رخ می دهد. خشک شدن گیاه، تا مراحلی، تأثیر چندانی در بازتاب ندارد ولی خشکیدن آب برگ، بیشتر از مقداری معین (03/0 تا 04/0 گرم بر سانتی متر مربع) باعث افزایش چشمگیر بازتاب، به ویژه خارج از باندهای جذبی آب می شود. بنابراین با پیداکردن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب می توان به تشخیص تنش های شدید آبی در گیاهان کمک کرد. با بررسی نمودارها می توان پی برد که نقطه بحرانی در حوالی محتوای آب 03/0 تا 04/0 گرم بر سانتی متر مربع اتفاق می افتد.نتیجه گیری: با یافتن نقاط بحرانی منحنی بازتاب در مقابل محتوای آب، می توان تنش های شدید آبی در گیاهان را تشخیص داد. در مدل PROSPECT، اثر خاک زمینه در بازتاب طیفی گیاهان در نظر گرفته نمی شود؛ بنابراین استفاده از مدل هایی مانند SAIL و SLC پیشنهاد می شود که برای این منظور ارتقا یافته اند. همچنین با توجه به اینکه خروجی مدل PROSPECT منحنی طیفی برگ گیاه است، می توان استفاده از مد ل های انتقال تابش تاج پوشش گیاه، مانند مدل SAIL و SLC را نیز بررسی کرد.