盐地碱蓬PROSPECT-D模型的参数敏感性分析及适用性评价

刘洪洋 李微 王文硕 张新宇

摘   要：盐地碱蓬是具有特殊形态和生化组分的湿地植被，具有极高的经济和生态价值，构建适合盐地碱蓬叶片的辐射传输模型为植被色素含量的遥感反演提供一定的理论基础，也会对盐沼湿地生态环境的监测提供一定的数据支持。对模型进行参数敏感性分析及适应性评价是构建模型和遥感定量反演植被生化含量的关键前提。本文以盘锦滨海湿地内的盐地碱蓬为研究对象，基于PROSPECT-D模型，应用实测数据对模型输入参数进行局部敏感性分析，再利用改进的Sobol算法进行全局敏感性分析，讨论各参数对光谱反射率的敏感波段和敏感度。结果表明：结构参数在可见光、近红外波段均对叶片反射光谱产生影响。结构参数值越大，叶片的反射能力越强。叶片中色素含量（叶绿素、类胡萝卜素和花青素）对叶片反射率主要影响在可见光波段，且具有高相关性。在近红外波段，色素对叶片反射率的影响不大，等效水厚度以及干物质含量对叶片反射率敏感度高。最后通过对比PROSPECT-D模型模拟光谱与实测光谱的差别，对模型在盐地碱蓬叶片的适应性进行评价。研究结果将推动盐地碱蓬植被的叶片辐射传输模型的发展，也为今后盐地碱蓬叶片色素含量的定量反演提供数据基础。

关键词：PROSPECT-D模型  盐地碱蓬  敏感性分析  适应性PROSPECT-D模型

中图分类号：Q948                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0122-03

盐地碱蓬是辽河口湿地中珍稀植物之一，具有很高的耐盐性。盐地碱蓬具有观赏、营养、药用等作用，有极高的经济效益和生态效益。利用常规方法进行区域采样调查时，在一些采样难度大的潮滩地区获取信息困难，同时会破坏生态环境。而定量遥感技术具有非接触、非破坏、动态性监测等特点，可以长时间、无损且大范围的定量提取植被生化信息。定量遥感通常分为数学统计方法和辐射传输物理模型法。辐射传输模型较为详细地反应了真实辐射传输过程，获取的结果能通过物理模型解释，更具科学性。

植被辐射传输模型主要包括叶片模型和冠层模型两个尺度，其中PROSPECT模型是目前典型常用的叶片辐射传输模型之一。该模型被广泛运用于生化参数反演、光谱特征分析等方面。而敏感性分析是评价物理模型参数对模型结果产生影响程度的有效手段。敏感性分析通常分为局部敏感性分析和全局敏感性分析。局部敏感性假设认为各参数之间是彼此独立的，主要分析单个参数变化对模型结果的影响。全局敏感性分析是同时考虑多个参数变化以及参数之间相互作用对模型结果的影响，能够体现若干模型参数对结果的综合作用。施润和等针对水稻叶片利用PROSPECT模型模拟大量不同生化含量和叶片结构的叶片光谱，通过局部敏感性分析讨论高光谱植被指数对叶绿素的敏感性。陆成基于改进的PROSPECT模型对矿区坝区上多种常年生植物叶片在重金属铜胁迫下的叶片反射率进行局部敏感性分析。王洋等人基于LOPEX93叶片光学特性数据库，运用改进Sobol算法对PROSPECT模型进行全局敏感性分析，提取了干物质含量敏感的光谱波段。梁守真等利用PROSPECT模型对50 种木本和草本植物叶片进行局部敏感性分析。杨福芹等人对苹果叶片利用PROSPECT模型和EFAST全局敏感性分析方法探讨了对叶绿素含量敏感的波段。目前仍未见到盐地碱蓬PROSPECT叶片辐射传输模型的参数敏感性和适用性研究的相关文献发表。

因此本文针对盘锦滨海湿地的盐地碱蓬叶片，对PROSPECT-D模型的输入参数进行局部和全局敏感性分析，讨论在不同波长下模型输入参数对模型的敏感性，同时对盐地碱蓬叶片在PROSPECT-D 模型的适用性进行评价。本研究为建立适合盐地碱蓬叶片的辐射传输模型和色素含量的反演模型提供研究基础，对于监测盐地碱蓬的生长状态也具有重要意义。

1  材料和方法

1.1 研究区域概况

辽河口滨海湿地自然保护区位于辽宁省盘锦市境内，地理位置121°23'～122°29'E，40°39'～41°27'N，地处辽河三角洲最南端、辽东湾北部入海处。在辽河冲积三角洲形成了一个广阔而丰富的湿地生态系统。辽河口保护区为珍稀鸟类与动物提供良好的生存环境，具有重要的生態、景观和经济价值。该保护区内的优势植被类型为盐地碱蓬，芦苇和水稻等。

1.2 PROSPECT-D模型

PROSPECT模型是由PLATE（平板）模型发展而来的叶片辐射传输模型。模型将叶片假设为由N层同性层堆叠而成，中间由N-1层空气隔开。该模型能够模拟在400～2500nm波长下叶片真实的光学特性。作为目前应用最广的叶片光学模型之一，PROSPECT模型只需通过输入叶片结构参数和生化组分含量，就可以模拟出不同的叶片反射光谱。近年来，模型的参数包括生化组分等许多地方都逐渐改进，也历经了很多版本。PROSPECT-D模型是J.-B. Féret等人在2017年建立的，这也是目前PROSPECT模型的最新版本。它在之前版本的三种植物色素中添加了花青素，这样模型包括6个输入参数：叶片结构参数N、叶绿素含量Cab、类胡萝卜素含量Car、花青素含量Canth、等效水厚度Cw以及干物质含量Cm。与之前的版本相比，PROSPECT-D的性能更好，模型预测的不确定性降低，光合色素得到更好的反演。

1.3 参数敏感性分析方法

局部敏感性分析是用于分析模型单个输入参数对输出结果的敏感性。根据实验室实测的盐地碱蓬生化含量的数值范围，本文将某一输入参数在取值范围内按一定步长变化，其他参数选择实测数据的平均值作为固定值输入（如表1所示）。利用PROSPECT-D模型正向模拟得到因参数含量变化而不同的反射光谱曲线。通过光谱曲线的波动分析参数的敏感波段，为生化含量的反演提取特征波段提供一定的依据。

全局敏感性分析方法中Sobol算法采样方法稳定、可定量对波段敏感性进行计算，SATLTELLI等对Sobol算法进行了改进，具有更强的稳定性和更小的计算代价，已广泛应用于模型参数敏感性分析中。本文运用改进的 Sobol 算法对模型进行全局敏感性分析，借助MATLAB全局敏感性分析工具箱GSA（global sensitivity analysis）实现。本文使用实测的盐地碱蓬叶片数据作为PROSPECT-D模型全局敏感性分析输入参数的阈值（见表1），利用蒙特卡罗方法对参数进行随机取样，样本量取1000。

2  结果与分析

2.1 局部敏感性分析

基于PROSPECT-D模型分别正向模拟出因模型参数变化而不同的叶片反射率曲线，观察曲线变化情况可以看到各参数影响的波段范围。从图1中可以看出，结构参数对可见光波段和近红外波段反射率均有影响。叶片反射率随着结构参数的增加而增加。在400～760nm的可见光波段，叶绿素ab含量对叶片反射率有很大的影响，随着叶绿素ab含量的增加，叶片反射率降低。在波段800nm以后，叶绿素影响逐渐减小，反射率趋于一致。类胡萝卜素影响叶片反射率主要在400～560nm可见光波段，随着类胡萝卜素含量的增加，叶片反射率减小。在560nm以后，曲线趋于一致，说明类胡萝卜素的含量对反射率几乎没有影响。花青素含量主要影响在400～650nm可见光波段，花青素含量越低，叶片的反射能力越强。花青素含量在近红外波段影响不明显。在可见光波段，随着等效水厚度、干物质含量的不断变化，叶片的反射率均基本没有影响，而在近红外波段，变化比较明显。叶片反射率随着等效水厚度、干物质含量的增加而降低。

2.2 全局敏感性分析

图2显示了在400～1075nm波长下模型各输入参数对叶片反射率的敏感度以及参数间的相关性。由图可知，结构参数对叶片反射光谱的影响范围覆盖很广，涉及整个可见光、近红外波段。叶片中色素含量（叶绿素、类胡萝卜素和花青素）在400～760nm波段对叶片反射率的敏感度高且具有高相关性。因此在可见光波段叶片反射率主要受到色素含量和叶片结构影响。在近红外波段除了受结构参数影响外，叶片含水量以及干物质含量敏感度高，色素含量对叶片的反射率基本没有影响。

2.3 模型适应性评价

将盐地碱蓬叶片实测的生化含量数据输入PROSPECT-D模型中，模拟了盐地碱蓬的叶片反射率，并与实测光谱数据进行了比较，如图3所示。

由图3可以看出，PROSPECT-D模型模拟的光谱与实测光谱趋势大体一致。但在可见光波段，模拟的叶片反射率与实测反射率差别较大，通过上述敏感性分析可知，反射率在可见光波段主要受叶片中各种色素的影响，不同植被的色素含量及吸收能力不同，导致模型模拟的反射光谱有差异。在近红外波段，反射率曲线趋势几乎一致，但模拟值比实测值偏低。因此要建立适合盐地碱蓬叶片的辐射传输模型，有必要对模型参数进行校准。

3  讨论与结论

本研究以盘锦滨海湿地的盐地碱蓬叶片为研究对象，对PROSPECT-D模型进行局部和全局两种敏感性分析来探究模型输入参数对叶片光谱反射率的影响，既讨论了参数单独作用的情况，也考虑了参数间的共同作用，分析了模型参数的敏感波段和敏感度，并讨论了PROSPECT-D模型在盐地碱蓬叶片中的适用性。得到以下结论：

（1）结构参数对叶片反射光谱的影响范围覆盖可见光以及近红外波段。在可见光波段（400～760nm），叶片反射率主要受各种色素含量（叶绿素、类胡萝卜素、花青素）影响明显，敏感度高。在近红外波段（760nm 以后），色素的敏感度低，叶片反射率主要受等效水厚度以及干物质含量影响显著。

（2）基于PROSPECT-D模型模拟的反射率曲线与实测光谱结果趋势相似，但在可见光波段差别较大，在近红外波段，模拟值比实测值偏低。研究結果为之后建立适合盐地碱蓬叶片的辐射传输模型以及盐地碱蓬色素含量的反演提供理论基础。

参考文献

[1] 许崇彦，刘宪斌，刘占广，等.翅碱蓬对石油烃污染的海岸带修复的初步研究[J].安全与环境学报，2007，7（1）：37-39.

[2] 马旭.翅碱蓬对重金属吸收及对环境修复作用研究[D].大连海事大学，2004.

[3] 朱鸣鹤，方飚雄，丁永生，等.常见重金属在翅碱蓬（Suaeda heteroptera）根际沉积物系统季节迁移变化[J].海洋与湖沼，2010，41（5）：784-790.

[4] 王洋，肖文，邹焕成，等.基于PROSPECT模型的植物叶片干物质估测建模研究[J].沈阳农业大学学报，2018，49（1）：121-127.

[5] 崔金涛，邵光成，林洁，等.基于EFAST方法的CROPGRO-Tomato模型参数全局敏感性分析[J]. 农业机械学报，2017（2）：1-10.

[6] 施润和，庄大方，牛铮，等.基于辐射传输模型的叶绿素含量定量反演[J].生态学杂志，2006（5）：591-595.

[7] 陆成.基于PROSPECT模型的叶片重金属铜含量反演研究[D].吉林大学，2013.