专利名称：一种区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法
技术领域：
本发明涉及涡度相关技术与遥感图像处理相结合的技术领域。
背景技术：
森林生态系统是陆地生物圏的主体，在减缓全球气候变化中具有不可替代的作用。获取国家或区域尺度上森林生态系统碳源碳汇现状、变化过程及其未来碳汇潜カ对于理解全球碳循环机制、应对气候变化和环境外交谈判意义重大。为最大限度减轻履行压力， 近20年我国实施了天然林保护、防护林、退耕还林等多项重大林业工程，而目前森林生态系统碳收支大小、空间分布和形成机制等仍存在很大不确定性，因此急迫需要ー种准确定量地估算区域尺度森林生态系统净碳收支的技术和方法体系。森林生态系统碳收支是指在一定时间内特定区域的植被与大气之间碳交換的净通量，即光合作用固定输入与呼吸作用排放输出的平衡状況。涡度相关技术是目前唯一可以直接连续观测生态系统水平上不同时间尺度(半小吋/周/月/年)的碳、水汽以及能量通量的方法，在全球范围内广泛应用于森林、灌丛、草地、湿地、农田等主要生态系统类型， 在国际通量观测网络注册的通量观测站点已有5M个，分布在南纬30°和北纬70°之间的热带到寒帯的各种植被区。当前，我国陆地生态系统通量观测网络(ChinaFLUX)自2001年创建以来也已经对主要类型生态系统开展了大量连续的通量观测，积累了长期观测数据。 但是涡度相关技术仍是ー种小尺度生态系统观测方法，其结果本身只是代表观测塔周边的生态系统碳收支状況，而要进行区域尺度碳收支估算，只能依托遥感技术，以求借助于模型实现由点到面的尺度扩展。卫星遥感技术能够连续获取大范围地表覆盖类型、植被指数、覆盖度、叶片含水量等多种植被冠层參数；可以获取净辐射、地表温度、冠层温度等物理參数； 还可以获取地形高程、坡度、坡向等立地条件參数。因此以遥感技术为基础，结合地面通量观测数据，探索一种由点到面进行尺度扩展的模型实现区域尺度森林生态系统净碳收支反演具有很强的现实意义。本发明使用的MODIS的全称为中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer)。M0DIS是搭载在terra禾ロ aqua卫星上的ー个重要的传感器， 是卫星上唯一将实时观测数据通过χ波段向全世界直接广播，并可以免费接收数据并无偿使用的星载仪器，全球许多国家和地区都在接收和使用MODIS数据。MODIS用于对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋进行长期全球观测。MODIS仪器的对地观测M0DIS仪器的地面分辨率为250m、500m和1000m，扫描宽度为2330km。在对地观测过程中，毎秒可同时获得6. 1兆比特的来自大气、海洋和陆地表面信息，日或每两日可获取一次全球观测数据。SPSS (Statistical Product and Service Solutions)，“统计产品与服务解决方案”软件。主要用于图形和输出、数据和访问管理、分析功能和编写统计的应用程序是最强大的统计开发平台之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决涡度相关技术仅能代表观测塔周边生态系统碳收支状况而不能反映大范围森林生态系统碳收支状况的问题，而提出的ー种区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法。区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法，其实现步骤为步骤一、选择群落结构、树种組成、林龄、海拔和地理位置差异较大的森林通量观测站点；步骤ニ、进行MODIS数据获取及预处理，具体方法如下A、下载8天合成的M0D09A1地表反射率数据，计算获得增强型植被指数EVI EVI = 2.5-Pa^Pni-......式
LUU ‘ ZJpmr + (6Pred _ 7. 5pblue) +1 Λ エ、丄式中，P nir为MODIS波段2反射率，P red为MODIS波段1反射率，P blue为MODIS 波段3反射率；计算获取地表水分指数LSWI -LSWI =。I ……公式2
fjmr 十 fjswir式中，P swir代表MODIS波段6反射率；B、下载8天合成的M0D11A2日间地表温度数据LST与夜间地表温度LST’ ；根据各通量观测站地理位置，以3kmX3km的窗ロ分别计算各被测站点的 3km X 3km范围内的參量EVI，LSffI，LST及LST ’的值；步骤三、通量观测点数据NEE的获取及处理下载各通量观测站点的4级净碳交換NEE产品，共有四个时间频率，分别是半小时 /周/月/年，选择与MODIS相匹配的8天时间尺度产品；对于每个站点的净碳交換NEE数据，如果净碳交換标准值NEE_st缺失，则用净碳交换原始值ΝΕΕ_ 替代作为补充；步骤四、按森林生态系统类型，利用SPSS软件分别统计代表性站点净碳交換NEE 数据与相应的EVI，LSffI, LST及LST’參量相关性；步骤五、在相关性分析的基础上，利用SPSS统计学软件的多元线性回归方法，获得各森林类型净碳交換NEE定量反演模型，如下式所示Y = B1X LST+a2 X LST ‘ +a3 X EVI+a4 X LSffI+ δ式中，Y为净碳交換NEE的值，a” a2、a3、a4分别为变量LST、LST，、EVI、LSWI的系数项，· ·为系统残差项。本发明的优点本发明通过融合MODIS与通量观测数据实现了大范围长时间序列森林生态系统净碳收支的定量反演，克服了涡度相关技术仅能代表观测塔周边生态系统而不能反映大范围森林生态系统碳收支状况的不足，实现了由点到面的尺度扩展。
图1为BF-Blodgett Forest站点的季节动态图；图2为HF-Howland Forest站点的季节动态图；图3为NRF-Niwot Ridge Forest站点的季节动态图；图 4 为 MMS-Morgan Monroe State Forest 站点的季节动态图5为HFEM-Harvard Forest Site站点的季节动态图；图6为WC-Willow Creek站点的季节动态图；图7为常绿针叶林反演模型独立验证散点图；图8为常绿针叶林反演模型独立验证季节动态图；图9为落叶阔叶林反演模型独立验证散点图；图10为落叶阔叶林反演模型独立验证季节动态图。其中，图中的黑方格表示的是实测值，三角形表示的是模型预测值，横坐标WOY表示一年中第几周。
具体实施例方式具体实施方式
一步骤一、选择群落结构、树种組成、林龄、海拔和地理位置差异较大的森林通量观测站点；步骤ニ、进行MODIS数据获取及预处理，具体方法如下A、下载8天合成的M0D09A1地表反射率数据，计算获得增强型植被指数EVI
权利要求
1. ー种区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法，其特征在于其实现步骤为 步骤一、选择群落结构、树种組成、林龄、海拔和地理位置差异较大的森林通量观测站 步骤ニ、进行MODIS数据获取及预处理，具体方法如下A、下载8天合成的M0D09A1地表反射率数据，计算获得增强型植被指数EVI
全文摘要
一种区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法，本发明涉及涡度相关技术与遥感图像处理相结合的技术领域。本发明是为了解决涡度相关技术仅能代表观测塔周边生态系统碳收支状况而不能反映大范围森林生态系统碳收支状况的问题，而提出的一种区域尺度森林生态系统净碳收支获取方法。选择差异的森林通量观测站点；MODIS数据获取及预处理；通量观测点数据NEE的获取及处理；按森林生态系统类型，利用SPSS软件分别统计代表性站点净碳交换NEE数据与相应的EVI，LSWI，LST及LST’参量相关性；生成各森林类型净碳交换NEE定量反演模型；对模型的模拟结果进行验证，以检验其有效性。用于获取大范围森林生态系统碳收支状况。
文档编号G06F19/00GK102592049SQ20111045596
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者刘殿伟, 汤旭光, 王宗明, 董张玉, 贾明明 申请人:中国科学院东北地理与农业生态研究所