遥感监测草原产草量的方法
1.1 生态系统净初级生产力模型
VPM（Vegetation Photosynthesis Model）是基于卫星遥感数据和通量观测数据发展起来的光能利用率模型。其理论基础是Monteith(1972, 1977)提出的光能利用率理论以及后来Field(1991)提出的资源平衡理论。自2004年第一次在美国缅因州Howland常绿针叶林通量站点验证了VPM模型的结构与理论后，该模型陆续在美国、中国、非洲等不同区域的森林、草地、农田等典型生态系统上开展了模型的发展与验证研究工作。目前VPM模型能够模拟常绿针叶林、落叶阔叶林、热带常绿森林、混交林、温带草原、多熟制农田、高寒草甸、高寒湿地、高寒灌丛、热带稀树草原等生态系统的季节动态和年际变化。
1.1.1VPM模型原理
（1）模型理论概念
从生物化学的角度来看，植被冠层是由叶绿素部分(chl)和包括冠层水平上的（如植物茎秆，枯萎叶片等）和叶片水平上的（如细胞壁，叶脉和其他色素等）非光合物质部分（Non-Photosynthetic Vegetation, NPV）组成，因此植被冠层吸收的光合有效辐射比例（FPARcanopy）应分成被植被观测中叶绿素吸收的部分和被非光合物质成分吸收的部分(Xiao et al., 2005)：
植物光合作用包括光反应过程和碳羧化过程，其中只有叶绿素吸收的光合有效辐射（FPARchl × PAR）对光合作用有意义。
（2）模型结构
基于叶片和冠层可以分为叶绿素部分和非光合植被部分这一概念，Xiao et al. (2004)发展了估计植被光合作用期间GPP的VPM模型，模型可以用下式简单表示：
式中，PAR是光合有效辐射（μmol photosynthetic photon flux density, PPFD），FPARchl表示被植被光合部分吸收的光合有效辐射比例，εg表示光能利用率（μmol CO2/μmol PPFD），ε0表示表观量子效率或最大光能利用率（μmol CO2/μmol PPFD），
Tscalar、Wscalar和Pscalar分别表示温度、水分和叶物候期对最大光能利用率的调节系数。
（3）模型参数的确定
①叶绿素光吸收（FPARchl）
植被冠层光合产物取决于叶片叶绿体所能吸收的光合有效辐射，而要准确估算FPARchl无论用辐射传输模型还是地面测量的方法都是一项难度很大的工作。在VPM中，FPARchl被近似用与EVI的线性函数来表达：
式中，a为经验系数，在目前的版本中取值为1（Xiao et al., 2004）；EVI表示增强型植被指数。
②温度对GPP的影响（Tscalar）
Tscalar的估算方法有很多种，在VPM模型中采用TEM（Terrestrial Ecosystem Model）模型(Raich et al., 1991)的算法计算：
式中，Tmin、Topt和Tmax分别是植被进行光合作用时的最低、最高和最适温度，T为大气温度。如果空气温度低于最低光合温度，Tscalar设为0，Tmin, Tmax 和 Topt 的值根据不同的植被类型设定。
③水分对GPP的影响(Wscalar)
在一些植被光能利用率模型中水分对光合作用的影响（Wscalar）通常用饱和水汽压差和土壤湿度等一系列公式来表示(Field et al., 1995; Prince and Goward, 1995; Running et al., 2000)。新一代先进的光学传感器（如VGT, MODIS）提供的SWIR和NIR波段的时间序列数据为在大空间尺度上用植被指数(Ceccato et al., 2002)和辐射传输模型(Zarco-Tejada et al., 2003)的方法定量估计冠层水分含量提供了数据基础。由短波红外和近红外波段计算得到的植被指数能够定量估算叶片或冠层当量水分含量equivalent water content(EWT, g H2O/m2)。
在VPM模型中，Wscalar用对水分敏感的陆地表面水分指数LSWI进行计算，公式如下：
式中，LSWImax单个像元内植被生长季最大的LSWI，LSWI值范围为[-1, 1]。
④叶片物候特征对GPP的影响(Pscalar)
叶龄影响植物光合能力和生态系统碳交换作用(Wilson et al., 2001)，对于草地等在植被整个生长季都有新叶发生和生长的植被，在VPM模型中Pscalar也设定为1.0。
⑤最大光能利用率（ε0）
生态系统水平最大光能利用率 (ε0) 可以由涡度通量塔站点观测到的每小时的CO2生态系统净交换(Net Ecosystem Exchange, NEE)和PAR数据经过非线性分析计算。在VPM模型中，不同植被类型的ε0值不同，各种类型的ε0值可以从涡度通量塔站点观测到的NEE和PAR(μmol/m2/s photosynthetic photon flux density)数据计算获得(Goulden et al., 1997)。为了估计不同植被类型在生态系统水平上的ε0值，通常由植被生长最旺盛时期（7-8月）内10天的数据用米式方程(Michaelis–Menten function)计算求得：
式中，α是最大光能利用率或显在量子产量（随着PPFD接近于0），PPFD是光合量子通量密度，GEEmax是最大的生态系统总交换量，R是生态系统呼吸。其中的α值是VPM模型中所需要的ε0值。
1.1.2 VPM模型在中国草地的验证
（1）通量观测站点
中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）创建于2002年，各台站采用统一设备、观测项目和观测方法，是国际通量网（FLUXNET）的重要组成部分（于贵瑞, 孙晓敏, 2006）。监测选取ChinaFLUX具有明显季节变化的三个草地站点的长期通量观测数据用于本文的分析，包括当雄草原化嵩草草甸（DX）、内蒙古羊草草原（NM）及海北金露梅灌丛草甸（HB）。
（2）通量数据处理
中国通量网统一采用开路涡度相关通量观测系统(OPEC)观测生态系统与大气之间的碳水通量。涡度相关技术通过计算碳通量脉动与垂直风速脉动的协方差来求算生态系统与大气之间的净CO2交换量(NEE)。在下垫面平坦、植被均匀、大气对流强烈的理想条件下，涡度相关技术可以对NEE进行准确计算。但是在地形复杂、大气层结稳定的非理想条件下，需要对涡度相关技术的计算结果进行校正。本文在半小时时间尺度上依次对通量观测的NEE进行三次坐标轴旋转、WPL校正、储存项计算（只针对森林站点）和无效数据剔除。
（3）结果验证
本研究在海北、当雄及内蒙古三个草地站点验证了VPM模型模拟GPP的能力（图1.1）。结果表明，VPM模型可以很好的捕捉到观测GPP的季节动态变化，分别可解释海北、当雄及内蒙古季节变化的92%、72%及73%。同时，我们注意到VPM模型可以很好的反映出GPP在不同年份的差异，如内蒙古站点，VPM模型模拟结果很好的捕捉到了观测GPP在2004及2005年低值。
图1.1 VPM模型模拟结果与涡度相关通量观测数据的比较
1.2产草量计算
产草量是草畜平衡评估的基础，包括天然草原产草量和人工饲草料产量的计算。前者基于地面样方的产草量和植被净初级生产力(Net Primary Productivity, NPP)来反演天然草原的产草量，植被净初级生产力数据基于MODIS数据和VPM模型计算得到时空分辨率分别为8 d、500 m的NPP数据，在此基础上基于时序拟合法与Landsat数据进行融合得到8 d、30 m的NPP数据。具体步骤包括：针对检测区不同类型的草原分别进行草地样方数据的采集，根据地面样点的采样时间和经纬度，利用GIS技术提取对应时间点的NPP数据，建立地面样方产草量和对应的NPP值的数据库，基于数据库选用随机预留的1/4样方数据对线性拟合模型进行估产精度检验，用于产草量估产。