基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的監(jiān)測方法，包括步驟：S1獲取區(qū)域范圍內(nèi)的時間序列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)；S2對關鍵參量進行遙感反演；S3基于土地覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)，量化不同植被類型的關鍵生理生態(tài)參數(shù)；S4獲得時間序列的氣象插值數(shù)據(jù)；S5去云處理，獲得無噪音影響的植被生長季曲線；S6確定區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)年呼吸量。本發(fā)明的方法，基于時間序列的遙感數(shù)據(jù)，考慮到植被類型的空間差異，確定了區(qū)域尺度的生態(tài)系統(tǒng)呼吸算法，解決區(qū)域尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸僅僅依賴于氣象數(shù)據(jù)，對大尺度范圍內(nèi)地表覆蓋的異質(zhì)性信息表現(xiàn)力不足的問題。提高了區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算的精度，更準確地定量描述不同生態(tài)系統(tǒng)呼吸的時間動態(tài)。
【專利說明】基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸監(jiān)測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙感【技術領域】，尤其涉及一種利用衛(wèi)星遙感圖像提供的可見光和近紅外信息，結合地面觀測的氣象信息，進行區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的計算方法。本方法可通過時間序列上的生態(tài)系統(tǒng)呼吸的估算與累積，確定區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的季節(jié)動態(tài)與年總量，屬于遙感應用【技術領域】。
【背景技術】
[0002]陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸是全球碳循環(huán)中最重要的碳通量組分之一，對特定生態(tài)系統(tǒng)的凈碳收支起著決定作用。區(qū)域尺度上的生態(tài)系統(tǒng)呼吸的準確估算是評價區(qū)域及全球生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能、及生態(tài)系統(tǒng)對不同時空尺度全球變化響應的基礎和前提?？捎糜谠u估全球氣候變化以及人類行為對生態(tài)系統(tǒng)的影響，并可為碳交易核算及價格制定等提供重要的參考。
[0003]現(xiàn)有的陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的監(jiān)測方法主要有兩種，一種是基于渦度相關的碳通量觀測方法，另一種是基于生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應模型，也可以將水分因素與溫度因子一起作為驅動變量，建立耦合的生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算模型。常用的耦合方式有連乘形式和Qiq模型。近十多年來，渦度相關技術經(jīng)過長期的理論發(fā)展和技術進步，已經(jīng)成為全球通量觀測網(wǎng)絡(FLUXNET)中直接測定陸地生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳和水熱通量的主要方法。通常假定夜間植被與大氣間凈生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳交換僅僅來源于生態(tài)系統(tǒng)呼吸，由于溫度和土壤水分條件是控制生態(tài)系統(tǒng)呼吸的重要環(huán)境要素，渦度相關系統(tǒng)夜間通量缺失數(shù)據(jù)的插補和白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸的估算通?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度和水分條件的響應特征。生態(tài)系統(tǒng)呼吸對溫度的響應特征有多種描述，也可以將水分因素與溫度因子一起作為驅動變量，建立耦合的生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算模型。常用的耦合方式有連乘形式和Qltl模型。在兩種類型生態(tài)系統(tǒng)呼吸模型中，都采用溫度以及土壤含水量作為預測生態(tài)系統(tǒng)呼吸的驅動變量。
[0004]但渦度相關技術是在站點尺度上提供可靠的觀測數(shù)據(jù)，而且Qltl存在明顯的空間變異，這一變異性的存在是利用Qltl為固定值的碳循環(huán)模型模擬區(qū)域或全球尺度碳收支(即凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力)時產(chǎn)生不確定性的重要原因之一。
[0005]在區(qū)域尺度上，相對于傳統(tǒng)的僅僅基于溫度、水分等氣象數(shù)據(jù)的方法，通過遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)呼吸的方法具有空間上連續(xù)和時間動態(tài)變化的特點。遙感數(shù)據(jù)能提供地表覆蓋狀況、生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部狀況等空間異質(zhì)性信息，以及地表覆蓋狀況和生態(tài)系統(tǒng)在時間上的動態(tài)變化信息。用遙感手段進行區(qū)域尺度下非均勻覆蓋的陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸估算，已經(jīng)成為遙感應用領域的重要研究方向。
[0006]本發(fā)明正是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在大尺度空間上的信息表現(xiàn)力，以遙感數(shù)據(jù)為基礎建立區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸模型，為區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)呼吸的監(jiān)測提供有效的定量估算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一)要解決的技術問題[0008]本發(fā)明的目的是提供一種基于衛(wèi)星遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸監(jiān)測方法，該方法利用多時相的遙感數(shù)據(jù)以及每日常規(guī)氣象數(shù)據(jù)建立了區(qū)域尺度上陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸量監(jiān)測數(shù)據(jù)處理鏈，實現(xiàn)區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸運行性遙感監(jiān)測。以解決區(qū)域尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸僅僅依賴于氣象數(shù)據(jù)，對大尺度范圍內(nèi)地表覆蓋的異質(zhì)性信息表現(xiàn)力不足的問題。
[0009](二)技術方案
[0010]本發(fā)明的目的在于提出一種基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸監(jiān)測方法。
[0011]實現(xiàn)本發(fā)明上述目的的具體技術方案為:
[0012]1、一種基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的監(jiān)測方法，包括步驟:[0013]S1:獲取區(qū)域范圍內(nèi)的時間序列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)；
[0014]S2:對地面的關鍵參量進行遙感反演；
[0015]S3:基于土地覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)，量化不同植被類型的關鍵生理生態(tài)參數(shù)；
[0016]S4:運用空間插值技術，按一定的時步長對日平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，獲得時間序列的氣象插值數(shù)據(jù)；
[0017]S5:運用濾波技術對時間序列的植被指數(shù)進行去云處理，獲得無噪音影響的植被生長季曲線；
[0018]S6:運用光能利率模型和氣象數(shù)據(jù)求得一定時間步長的生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和呼吸，由此進行時間累積，最終確定區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)年呼吸量。
[0019]其中，所述SI中區(qū)域為省級區(qū)域、國家級區(qū)域或全球區(qū)域；所述衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為時間步長為1-30天內(nèi)的數(shù)據(jù)。
[0020]其中，所述S2中包括光合有效輻射吸收比例(FPAR)的遙感反演:
[0021]FPAR的遙感估算可以采用兩種方法，第一，基于植被指數(shù)的方法；第二基于能量平衡的原理，利用具有明確物理意義反照率模型計算FPAR。在一級近似下FPAR遙感反演模型為
[0022]FPAR=1-a _Pgap+Pgap a b (1-Kopen)(I)
[0023]式(I)中，α是反照率，應用現(xiàn)有的遙感反演方法進行反演，或直接應用現(xiàn)有的反照率遙感反演產(chǎn)品，例如MODIS的反照率遙感反演方法和反演產(chǎn)品；a b是背景反照率，根據(jù)不同的植被類型，以反照率α的經(jīng)驗系數(shù)的方法來確定，為簡化FPAR的估算方法，通常忽略背景反照率a b，則FPAR的估算模型簡化為FPAR=1- a - Pgap ；Pgap是植被冠層的孔隙率，與冠層參數(shù)和觀測角度有關，是葉面積指數(shù)的函數(shù)；K_n是冠層開放度，用以描述被背景散射的PAR穿過冠層到達頂部的部分。
[0024]其中，所述冠層的孔隙率和冠層開放度的具體公式為:
[0025]P卿=exp (-LAI.Ω ( Θ sJ.G( Θ sJ cos Θ sJ(2)
[0026]κ,ψ--! = ζ'2 Ρ,?ψ(θ)?ταθ?θ(i)
[0027](2)式中，LAI為葉面積指數(shù)，Ω ( Θ sun)是聚集指數(shù)，G ( Θ sun)是在太陽天頂角(θ.)方向上的消光比率，通過測定植被冠層的結構得出。例如，使用sunscan冠層分析儀測定。對于葉子隨機分布的冠層Ω ( Θ.)假設為I。
[0028]其中，所述S3包括:地表土地覆蓋或土地利用的空間差異性較大，基于土地覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)，量化區(qū)域尺度不同植被類型的關鍵生理生態(tài)參數(shù)，其中包括不同植被類型的光能利用率的量化，具體量化方法為:
[0029]
【權利要求】
1.一種基于遙感的區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)呼吸的監(jiān)測方法，其特征在于，包括步驟: S1:獲取區(qū)域范圍內(nèi)的時間序列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)； 52:對地面的關鍵參量進行遙感反演； 53:基于土地覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)，量化不同植被類型的關鍵生理生態(tài)參數(shù)； S4:按一定的時步長對日平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)進行空間插值，獲得時間序列的氣象插值數(shù)據(jù)； 55:對時間序列的植被指數(shù)進行去云處理，獲得無噪音影響的植被生長季曲線； 56:運用S3獲得的關鍵生理生態(tài)參數(shù)和氣象數(shù)據(jù)求得生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和呼吸，由此進行時間累積，最終確定區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)年呼吸量。
2.根據(jù)權利要求1所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述SI中區(qū)域為省級區(qū)域、國家級區(qū)域或全球區(qū)域；所述衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為時間步長為1-30天內(nèi)的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述S2中包括光合有效輻射吸收比例FPAR的遙感反演: 基于能量平衡的原理，利用具有明確物理意義反照率模型計算FPAR在一級近似下FPAR遙感反演模型為:
4.根據(jù)權利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述冠層孔隙率和冠層開放度利用葉面積指數(shù)獲取，具體公式為:
5.根據(jù)權利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述S3包括:地表土地覆蓋或土地利用的空間差異性較大，基于土地覆蓋或土地利用數(shù)據(jù)，量化區(qū)域尺度不同植被類型的關鍵生理生態(tài)參數(shù)，其中包括不同植被類型的光能利用率的量化，具體量化方法為: ε g= ε *Xf (T) Xf(W)(4) (4)式中，^為最大光能利用率，f(T)表示氣溫T對光合作用的影響，f(ff)表示水分狀況對光合作用的影響。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的監(jiān)測方法，其特征在于，所述S6包括:第一步:初級生產(chǎn)力GPP的計算，方法為: GPP= ε gXFPARXQpak(5) 式(5)中，Qpae,植被能進行光合作用的驅動能量，其能量為到達地表的太陽總輻射量的一個分量，通過下式進行計算獲得 ρ7νι?=0.48χΚ^?；(6)第二步:生態(tài)系統(tǒng)呼吸計算，方法為:
7.根據(jù)權利要求6所述的監(jiān)測方法，其特征在于，當所述植被為闊葉林、針葉林、農(nóng)田、草地或灌叢，所述生態(tài)系統(tǒng)呼吸算法分別為:
【文檔編號】G01V8/10GK103513290SQ201310507419
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月24日 優(yōu)先權日:2013年10月24日
【發(fā)明者】高彥華, 周旭, 陳良富, 何洪林, 劉敏, 王昌佐 申請人:環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心