استخراج مقدار كلروفيل محصول برنج با استفاده از معكوس‌سازي مدل انتقال تابش تاج پوشش و تصاوير ALOS

Inversion of a Radiative Transfer Model for Estimation of Rice Canopy Chlorophyll Content and ALOS Imagery

معكوس‌سازي مدل‌هاي مبتني بر فيزيك ـ براساس انتشار تابش درون تاج پوشش ـ مشخصاً ‌در زمره روش‌هاي موفق در تخمين مقدار پارامترهاي پوشش گياهي از قبيل شاخص سطح برگ و كلروفيل با استفاده از داده‌هاي سنجش از دور است. در اين تحقيق مقدار كلروفيل گياه برنج در سطح تاج پوشش به عنوان شاخص وضعيت گياه تخمين زده شد. بدين منظور، مدل انتقال تابش PROSAIL و تصوير سنجنده 2-AVNIR ماهواره ALOS مورد استفاده قرار گرفت. تحقيق ميداني جامعي نيز در طول ماه‌هاي تير و مرداد 1389 در ناحيه شمال ايران ـ آمل ـ صورت گرفت. 60 پلات: 20 20 متر مربعي به‌صورت تصادفي انتخاب شدند و در هر يك از آنها 4 تا 7 زيرپلات با توجه به همگني محصول انتخاب گرديد. سپس مقدار كلروفيل در هر زيرپلات با استفاده از دستگاه 502-SPAD اندازه‌گيري شد. تصحيحات اتمسفري با استفاده از مدل MODTRAN انجام گرفت. در گام بعد مدل PROSAIL براي شبيه‌سازي طيف در باندهاي 2-AVNIR اصلاح گرديد. آناليز حساسيت مدل نيز براي تعيين پارامترهاي ثابت و آزاد صورت پذيرفت، و سپس براساس مطالعات ميداني دامنه پارامترهاي آزاد ورودي به مدل تعيين شد. با استفاده از روش بهينه‌سازي درون تكرار مدل معكوس و مقدار كلروفيل در دو سطح برگ و تاج پوشش (مقدار كلروفيل برگ شاخص سطح برگ) تخمين زده شد. از شاخص‌هاي 2R و RMSE بين مقادير تخمين زده شده و داده‌هاي ميداني به‌منظور ارزيابي مدل استفاده شد. نتايج نشان داد كه با استفاده از مدل PROSAIL استخراج كلروفيل در سطح برگ دقت چندان مناسبي ندارد،‌ اما مي‌توان كلروفيل را با دقت نسبتاً مطلوبي در سطح تاج پوشش تخمين زد (57/0=2R و 47/0=RMSE) و در تحقيقات اكولوژيك و پايش محصول استفاده كرد.

Abstract Inversion of physical models which are based on the concepts of radiation propagation within a canopy structure, has demonstrate to be among the successful approaches in retrieving canopy parameters such as leaf area index (LAI) and chlorophyll, using remotely sensed data. In this study rice chlorophyll content as an indicator of crops health status, was estimated using inversion techniques. To do so, the PROSAILH radiative transfer model has been utilized taken by with images from AVNIR-2 sensor on board of ALOS satellite. An extensive field campaign was conducted during June and July 2009 in Amol city, northern part of Iran. Sixty plots of 20 by 20 m2 were randomly selected and in each of them four to seven subplots, depending of homogeneity of plots were adopted. In each subplot chlorophyll was measured using an SPAD-502 chlorophyll - meter instrument. The MODTRAN model was used for radiometric corrections of the images, and the PROSAIL model was modified in order to be used for AVNIR-2 bands. After sensitivity analysis, the PROSAIL model was inverted by an iterative optimization method and the amount of the estimated chlorophyll was retrieved at the leaf and canopy level. To evaluate the results of inversion, R2 and RMSE criterion between the measured and estimated chlorophyll were calculated (R2=0.57, RMSE= 0.47). The results approved the ability of PROSAILH model to retrieve rice plant chlorophyll content with an acceptable accuracy required for ecological modeling or crop land monitoring. Keywords: Chlorophyll, Radiative transfer models, Inversion, Iterative optimization.