一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法及系統(tǒng)，本發(fā)明的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算方法，針對小麥和玉米兩種作物，與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明通過理論分析、實驗測試和應用，充分利用多源遙感數(shù)據(jù)，以光能利用率模型為依托，充分考慮了光能、熱能、水分、養(yǎng)分四個環(huán)境要素對農(nóng)作物生長的影響，并引入最大光能利用率系數(shù)，構建基于光熱水肥環(huán)境四要素的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型。相比傳統(tǒng)的光能利用率模型，該模型考慮了多環(huán)境要素對農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的影響，最大程度地應用了遙感數(shù)據(jù)，模型估算結果精度高，同時可以使用該估算模型系統(tǒng)針對某一應用示范區(qū)進行農(nóng)作物生產(chǎn)力的估算。
【專利說明】一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法及系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)作物生理生化【技術領域】，更具體涉及一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Production, GPP)是單位時間單位面積上,綠色植物通過光合作用所產(chǎn)生的全部有機同化量，其決定了進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始物質(zhì)和能量。遙感技術能夠提供地表的多源多維多時相信息，可以為農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的估算提供新的方法。
[0003]總初級生產(chǎn)力的估算方法可分為氣候統(tǒng)計模型、生理生態(tài)過程模型和光能利用率模型三種。其中，光能利用率模型是目前遙感估算初級生產(chǎn)力較為常用的方法。該模型從資源平衡觀點出發(fā)，認為任何對植物生長起限制性的資源，如水、氮、光照等，均可用于初級生產(chǎn)力估算，其不涉及過多的輸入?yún)?shù)，簡化了作物生長發(fā)育機理，通過遙感信息反演獲取影響光合作用的環(huán)境要素或生物物理參數(shù)，從而實現(xiàn)作物生產(chǎn)力的動態(tài)模擬，又具有相對較高的估算精度。但是傳統(tǒng)的光能利用率模型，需要參考太陽輻射或大氣溫度等非遙感參數(shù)，這些參數(shù)的獲取通常依賴地表氣象站，數(shù)據(jù)空間代表性小，在一定程度上限制了模型大面積實際應用的可操作性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是如何實現(xiàn)總初級生產(chǎn)力估算模型的大面積應用，克服傳統(tǒng)數(shù)據(jù)空間代表性小的不足。
[0006](二)技術方案
[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法，所述方法包括以下步驟:
[0008]S1、收集實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、實驗區(qū)站點實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和實驗區(qū)地面太陽總輻射數(shù)據(jù)；其中所述實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括遙感反射率產(chǎn)品、遙感地表溫度產(chǎn)品、遙感光合有效輻射產(chǎn)品；
[0009]S2、根據(jù)步驟SI所述的遙感反射率產(chǎn)品以及遙感地表溫度產(chǎn)品，計算光能因子F1、溫度因子T1、水分因子W1、肥力因子NI四個環(huán)境要素的遙感指數(shù)ScaledWDRVT、ScaledLST、ScaledVSD1、GNDVI ；
[0010]利用所述實驗區(qū)地面太陽總輻射數(shù)據(jù)計算光合有效輻射PAR或直接由步驟SI所述遙感光合有效輻射產(chǎn)品得到光合有效輻射PAR ；
[0011]根據(jù)地面農(nóng)作物類型代入農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，結合所述實驗區(qū)站點實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，擬合農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax,完成農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型的建立，[0012]GPP W=PARX LUEmax wX FI Xmin (TI, WI, NI) (I)
[0013]GPP C=PARX LUEmax c X FI XTI XffI XNI (2)
[0014]其中公式I為小麥總初級生產(chǎn)力遙感估算模型，公式2為玉米總初級生產(chǎn)力遙感估算模型，GPP_W為小麥總初級生產(chǎn)力，GPP_。為玉米總初級生產(chǎn)力；
[0015]S3、收集應用示范區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其包括遙感反射率產(chǎn)品、遙感地表溫度產(chǎn)品以及遙感光合有效輻射產(chǎn)品；
[0016]根據(jù)應用示范區(qū)收集的遙感反射率產(chǎn)品以及遙感地表溫度產(chǎn)品，計算得到應用示范區(qū)的F1、T1、W1、NI四個環(huán)境要素的遙感指數(shù)，由應用示范區(qū)的遙感光合有效輻射產(chǎn)品得到PAR的值；
[0017]應用所述步驟S2得到的農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，得到應用示范區(qū)的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的估算結果。
[0018]優(yōu)選地，所述步驟S2中的擬合農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax為使用最小二乘法并按照偏差率最小原則擬合。
[0019]優(yōu)選地，所述遙感反射率產(chǎn)品均為M0D09A1，所述遙感地表溫度產(chǎn)品均為M0D11A2，所述遙感光合有效輻射產(chǎn)品均為GLASS PAR。
[0020]優(yōu)選地，所述遙感反射率產(chǎn)品包括藍光波段反射率值Rblue、綠光波段反射率值Rgreen、紅光波段反射率值Rred、近紅外波段反射率值RNIR以及短波紅光波段反射率值RSffIR0
[0021]一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊、回歸計算模塊、應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊、應用示范區(qū)計算輸出模塊；其中所述實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊連接實驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)庫、實驗區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫以及實驗區(qū)實測數(shù)據(jù)庫；所述應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊連接應用示范區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫；
[0022]所述實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊將提取的信息傳送給所述回歸計算模塊進行計算，擬合得到農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax,建立農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型；將應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊提取的信息應用到所述農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，得到應用示范區(qū)的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的估算結果。
[0023]優(yōu)選地，所述實驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)庫中存儲地面太陽總輻射數(shù)據(jù)信息；所述實驗區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫存儲實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息；所述實驗區(qū)實測數(shù)據(jù)庫存儲實驗區(qū)實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)信息；所述應用示范區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫存儲應用示范區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息。
[0024](三)有益效果
[0025]本發(fā)明提供了一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法及系統(tǒng)，針對小麥和玉米兩種農(nóng)作物，充分考慮了光能、熱能、水分、養(yǎng)分四個環(huán)境要素對農(nóng)作物生長的影響，引入最大光能利用率系數(shù)，建立農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型，利用遙感數(shù)據(jù)估算總初級生產(chǎn)力，精度高，易于操作，模型估計值和實地觀測數(shù)據(jù)具有較高的相關性，適于大面積農(nóng)作物的總初級生產(chǎn)力估算。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1為本發(fā)明的一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法的步驟流程圖；
[0028]圖2為本發(fā)明的一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算系統(tǒng)的結構示意圖；
[0029]圖3a為利用本發(fā)明建立的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型估算的小麥的GPP與實地觀測GPP的比較示意圖；
[0030]圖3b為利用本發(fā)明建立的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型估算的玉米的GPP與實地觀測GPP的比較示意圖；
[0031]圖4為本發(fā)明建立的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型在中國盈科以及美國MEAD三個通量站點的玉米生產(chǎn)力估算效果圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0033]本發(fā)明的一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法，其流程圖如圖1所示。參考Monteith等人在 Solarradiation and productivity in tropicalecosystems.Journal ofApplied Ecology, 9，747-766中提出的資源平衡觀點，即任何對植物生長起限制性的資源，如水、氮、光照等，均可用于生物量的估算，本發(fā)明將光能輻射、地表溫度、地表水分和植被養(yǎng)分作為作物生產(chǎn)力的 限制要素，引入光能利用率模型中，針對小麥和玉米分別構建了 GPP遙感估算模型，具體表達式如下:
[0034]GPP W=PARX LUEmax wX FI Xmin (TI, WI, NI) (I)
[0035]GPP C=PARX LUEmax c X FI XTI XffI XNI (2)
[0036]公式I為小麥的總初級生產(chǎn)力估算方法，公式2為玉米的總初級生產(chǎn)力估算方法。其中，GPP為該作物的總初級生產(chǎn)力；式中，GPP w為小麥總初級生產(chǎn)力，GPP。為玉米總初級生產(chǎn)力，PAR為光合有效輻射，可由地面太陽總輻射數(shù)據(jù)Rg計算獲取，計算公式為公式3，又可直接采用遙感光合有效輻射產(chǎn)品獲取，如GLASS PAR ；LUEmax w為小麥最大光能利用率，由模型擬合得到；LUEmax。為玉米最大光能利用率，由模型擬合得到；FI為光能有效輻射比例因子，由ScaledWDRVT指數(shù)計算獲取，計算公式為公式4以及公式5 ；TI為溫度因子，由ScaledLST計算獲取，計算公式為公式6以及公式7 ；WI為水分因子，由ScaledVSDI指數(shù)計算獲取，計算公式為公式8以及公式9 ；NI為養(yǎng)分因子，由GNDVI指數(shù)計算獲取，其計算公式為公式10 ;環(huán)境四要素即為F1、T1、W1、NI四因子；
[0037]PAR=0.45XRg (3)
[0038]WDR VT =( 4 )
(a X R,m+ RriJ (\ + a)…
[0039]Scaled WDRVT=WDRVT/1.54 (5)

/ ST
[0040]7/ =min(^~,(—0.059xL5T) + 2.35)( 6)

I ST
[0041]TI_C = min(^^,(—().083xLS了)+ 3.75)( 7 )

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【權利要求】
1.一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 51、收集實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、實驗區(qū)站點實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)和實驗區(qū)地面太陽總輻射數(shù)據(jù)；其中所述實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括遙感反射率產(chǎn)品、遙感地表溫度產(chǎn)品、遙感光合有效輻射產(chǎn)品； 52、根據(jù)步驟SI所述的遙感反射率產(chǎn)品以及遙感地表溫度產(chǎn)品，計算光能因子F1、溫度因子T1、水分因子W1、肥力因子NI四個環(huán)境要素的遙感指數(shù)ScaledWDRVT、ScaledLST,ScaledVSD1、GNDVI ； 利用所述實驗區(qū)地面太陽總輻射數(shù)據(jù)計算光合有效輻射PAR或直接由步驟SI所述遙感光合有效輻射產(chǎn)品得到光合有效輻射PAR ； 根據(jù)地面農(nóng)作物類型代入農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，結合所述實驗區(qū)站點實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，擬合農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax，完成農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型的建立，
GPP W=PARX LUEniax wX FI Xmin (TI, WI, NI) (1)
GPP c=PARXLUEmx c X FI X TI X WI X NI (2) 其中公式1為小麥總初級生產(chǎn)力遙感估算模型，公式2為玉米總初級生產(chǎn)力遙感估算模型，GPP_W為小麥總初級生產(chǎn)力，GPP_。為玉米總初級生產(chǎn)力； 53、收集應用示范區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其包括遙感反射率產(chǎn)品、遙感地表溫度產(chǎn)品以及遙感光合有效輻射產(chǎn)品； 根據(jù)應用示范區(qū)收集的遙感反射率產(chǎn)品以及遙感地表溫度產(chǎn)品，計算得到應用示范區(qū)的F1、T1、W1、NI四個環(huán)境要素的遙感指數(shù)，由應用示范區(qū)的遙感光合有效輻射產(chǎn)品得到PAR的值； 應用所述步驟S2得到的農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，得到應用示范區(qū)的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的估算結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2中的擬合農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax為使用最小二乘法并按照偏差率最小原則擬合。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述遙感反射率產(chǎn)品均為M0D09A1，所述遙感地表溫度產(chǎn)品均為M0D11A2，所述遙感光合有效輻射產(chǎn)品均為GLASS PAR。
4.根據(jù)權利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，所述遙感反射率產(chǎn)品包括藍光波段反射率值Rblue、綠光波段反射率值Rgreen、紅光波段反射率值RrecU近紅外波段反射率值RNIR以及短波紅光波段反射率值RSWIR。
5.一種農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的遙感估算系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊、回歸計算模塊、應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊、應用示范區(qū)計算輸出模塊；其中所述實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊連接實驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)庫、實驗區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫以及實驗區(qū)實測數(shù)據(jù)庫；所述應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊連接應用示范區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫； 所述實驗區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊將提取的信息傳送給所述回歸計算模塊進行計算，擬合得到農(nóng)作物最大光能利用率參數(shù)LUEmax,建立農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力遙感估算模型；將應用示范區(qū)數(shù)據(jù)提取模塊提取的信息應用到所述農(nóng)作物初級總生產(chǎn)力遙感估算模型，得到應用示范區(qū)的農(nóng)作物總初級生產(chǎn)力的估算結果。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述實驗區(qū)氣象數(shù)據(jù)庫中存儲地面太陽總輻射數(shù)據(jù)信息； 所述實驗區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫存儲實驗區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息；所述實驗區(qū)實測數(shù)據(jù)庫存儲實驗區(qū)實測總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)信息；所述應用示范區(qū)遙感數(shù)據(jù)庫存儲應用示范區(qū)的遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品信息。
【文檔編號】G06F19/00GK103886213SQ201410134058
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權日:2014年4月3日
【發(fā)明者】秦其明, 張寧, 王金梁, 吳伶 申請人:北京大學