一种基于样点时空代表性的npp监测网采样设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法，该方法根据监测区域的大小和监测目标，利用相应的时间序列NPP遥感产品，在对其时空重建的基础上，逐像元计算平均相对偏差及其标准差，分析各像元的时空代表性，根据可接受的平均相对偏差和可投入建立的监测点规模最终确定监测网的样点分布。本发明简单实用、考虑空间关系、不需要任何假设且能充分利用现有多种遥感数据的NPP监测网采样，实现了充分利用了容易获取的NPP遥感产品，可快速、低成本的设计NPP长期监测网，并可用于已有观测网的冗余检查与优化。
【专利说明】—种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及地理学与生态科学【技术领域】，具体说是一种通过分析样点的时空代表性来确定NPP监测点位置和数量的方法，该方法也可用于优化已有监测网，以减少观测冗余。
【背景技术】
[0003]植被净第一性生产力(NPP)是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，是由光合作用所产生的有机质总量(GPP)中扣除自养呼吸后的剩余部分，它直接反映植物群落在自然环境条件下的生产能力。NPP在全球碳循环研究中扮演着重要的角色，是评价生态系统结构与功能协调性、人类承载力的重要指标，是进行生态系统物质循环和能量流动研究的重要基础。
[0004]在全球变化和人类活动加剧的背景下，认识和了解某一区域NPP的实际变化，需要建立长期NPP监测网，如何科学合理的设计监测网，使其观测值能长期的反映该区域的NPP变化，即确定监测网中观测点的位置和数量，是这一问题的关键。
[0005]目前，常用的采样设计方法包括经典采样方法和基于空间统计的采样方法两大类。经典采样方法如随机采样、系统采样和分层随机采样等，执行简单、需要的数据少，但其不考虑采样要素的空间关系，用其设计的观测网一般需要较多的观测点。基于空间统计是目前应用和研究较多的一类方法，该方法考虑采样要素的空间自相关性，设计的监测网可得到最优无偏的NPP估计结果，但该方法一般需要较多的先验数据，且需要满足二阶平稳假设，而这个假设在实际中很难满足。
[0006]随着地球观测系统的建立，NPP监测网采样设计中可用的数据已经越来越多，多种分辨率的时间序列NPP遥感产品可以容易低廉的获取，虽然这些遥感数据的精度还有待进一步验证，但其空间覆盖能力是空前的，且能很好反映NPP的空间结构，这些数据可为地面监测网的设计提供丰富的先验知识。因此，设计一种简单实用、不需要任何假设、且能充分利用丰富的先验知识的NPP监测网设计方法。(Vachaud G, Silans APD, Balabanis P，et al.Temporal stability of spatially measured soil water probability densityfunction.Soil Science Society of America, 1985,49: 822-28)等提出的空稳定性的概念为发展这样的方法提供了可能。
[0007]时空稳定性的概念是指空间采样点与环境属性统计参数之间关系的时间不变性。Kachanoski (Kachanoski, R.G., & De Jong, E.Scale dependence and the temporalpersistence of spatial patterns of soil waters storage.Water ResourcesResearch, 1988，24，85 - 91)等又对这一概念进行了发展，他们认为时空稳定性是与空间尺度有关的空间分布结构或模式在时间上的持续性。可见，时空稳定性描述的是环境属性空间结构在时间上的持续性，可用于表达某一采样点相对于整个区域平均值的时间稳定性，用于评价某一观测点估计区域平均的能力。时空稳定性概念在土壤水分观测数据的分析中得到了较多的应用，研究者认为:在点观测向区域平均的尺度转换，时空稳定性有利于减少尺度转换的偏差。如果换一个应用对象和角度，利用时空稳定性分析方法分类先验数据的每一像元的时空代表性，则可将其变为一种NPP监测网采样方法。
【发明内容】
[0008]基于对问题的上述思考，本发明的目的在于提供一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法。该方法根据监测区域的大小和监测目标，利用相应的时间序列NPP遥感产品，在质量控制的基础上，逐像元分析其时空稳定性，根据时空稳定性分析结果和监测网规模确定监测网样点的数量和分布。
[0009]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法，其步骤是:
第一步:先验数据准备
根据监测区域的大小，综合考虑NPP观测仪器本身的足迹(Footprint)，选用不同空间分辨率的时间序列NPP遥感产品；
第二步:时空重建
对获取的时间序列NPP遥感产品进行时空重建，得到时空连续的NPP遥感产品； 第三步:时空稳定性计算
计算时空稳定性的两个指标平均相对偏差及其标准差；
第四步:时空稳定性分析
根据平均相对偏差对所有像元进行排序并标出相应的标准差，分析并初步选择可作为采样点的像元；
第五步:确定采样点数量和位置
根据拟投入建立的观测点数量和精度要求，从平均相对偏差排序中选择时空代表性最好的像元作为采样点。
[0010]本发明的优点:
1、本发明简单实用、可充分利用已有的先验知识、考虑了时间和空间关系，且不需要任何假设；
2、本发明可快速、低成本的设计NPP监测网，确定了监测点的数量和位置，并可用于已有观测网的冗余检查与优化。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计流程图。
[0012]图2样点时空代表性分析。
【具体实施方式】
[0013]综合考虑监测区域的大小、地面NPP观测方式等信息，选用不同时空分辨率的NPP遥感产品，并利用时空滤波的方法对其进行时间序列重建，利用重建后时空完整的NPP遥感产品，逐像元做时空稳定性分析，即计算每个像元的平均相对偏差及其标准差，最后根据拟投入的观测成本和精度要求，确定观测点的数量和位置，即选择平均相对偏差接近0且其标准差小的像元建立观测点。
[0014]下面，就具体的方法表述如下:
一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法，其步骤是:
第一步:获取时间序列NPP遥感广品； 根据监测区域的大小，综合考虑拟采用的NPP地面观测仪器本身的空间代表性，即足迹(Footprint),选用不同空间分辨率的时间序列NPP遥感产品。如果监测区域较大,且采用涡动相关仪(EC)观测，则利用MODIS的250米NPP产品即可。NPP遥感产品的时间分辨率可根据遥感产品的可获取性和对时间代表性的要求，一般在1-20天为宜，最大不宜超过30天。可选的时间序列NPP遥感产品可来源于以下几个方面:
UMODIS遥感产品，空间分辨率从250米到I公里，时间分辨率逐日；
2、基于TM/ETM+估算NPP，空间分辨率为30米，时间分辨率为16天；
3、环境(HJ)卫星估算NPP，空间分辨率为30米，时间分辨率可达到2天。
[0015]第二步:时间序列重建；
获取所需要的时间序列NPP遥感产品，需要评估产品的时空完整性。对于时空不完整的产品需要做时间序列重建处理。本发明中，缺失像元的NPP值采用Garcia, (2010)发展的基于离散余弦变换(Discrete Cosine Transforms, DCT)的惩罚最小二乘回归算法计算得到，该算法可明确的使用时间序列信息估计缺失值，该算法的matlab函数(smoothn)可在 http://www.biomecardi0.com/matlab/smoothn.html 下载，下面是该网站提供了一个计算示例:
X = Iinspace(0, 100, 2'8);
y = cos (x/10) + (x/50).'2 + randn(size(x))/5;
y([70 75 80]) = [5.5 5 6];
[z, s] = smoothn(y) ; %如果时间分辨率较粗,则建议使用普通平滑。
[0016]zr = smoothn (y, ’ robust’)； ％如果时间分辨率高,如逐日的时间分辨率,贝U建议使用强烈的平滑，即增加Robust参数。
[0017]subplot (121), plot (x, y, ' r.' , x, z)
title (’Regular smoothing’)
subplot (122), plot (x, y, ’ r.’，x, zr)
title (’Robust smoothing’)
第三步:时空稳定性计算；
时空稳定性用平均相对偏差及其标准差来评价，是Vachaud等(1985)提出的，在这里，我们用其评价每个遥感像元NPP的时空代表性。
[0018]平均相对偏差的定义如下:
si=~2^—f—'(3)
1J-1
(3)式中，j表示时间序列NPP产品的具体时间，i表示像元编号，则表示整个监测区内第n个像元j时相的NPP值。.?表示j时相监测区内所有像元的平均NPP值。平均相对偏差表示某一像元的NPP相对于整个监测区域NPP平均值的状态，正值表示该像元NPP相对较高，负值表示该像元NPP相对较低。
[0019]任意一监测点平均相对偏差的标准差定义为:
【权利要求】
1.一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法，其步骤是: 第一步:先验数据准备 根据监测区域的大小，综合考虑NPP观测仪器本身的足迹，选用不同空间分辨率的时间序列NPP遥感广品； 第二步:时空重建 对获取的时间序列NPP遥感产品进行时空重建，得到时空连续的NPP遥感产品； 第三步:时空稳定性计算 计算时空稳定性的两个指标平均相对偏差及其标准差； 第四步:时空稳定性分析 根据平均相对偏差对所有像元进行排序并标出相应的标准差，分析并初步选择可作为采样点的像元； 第五步:确定采样点数量和位置 根据拟投入建立的观测点数量和精度要求，从平均相对偏差排序中选择时空代表性最好的像元作为采样点。
【文档编号】G06F17/50GK103631999SQ201310612246
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】冉有华 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所