一種估算溫帶森林水分可利用率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種估算溫帶森林水分可利用率的方法，包括如下步驟：(1)從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI；(2)從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts；(3)從通量站點的日通量數(shù)據(jù)求得WUE觀測值；(4)將上述EVI、Ts和WUE觀測值的數(shù)據(jù)集代入如下溫帶森林水分可利用率的模型計算公式WUE＝a0+a1EVI+a2EVI·Ts；(5)通過模型率定法估算出所述模型計算公式中的待定系數(shù)a0、a1和a2，通過計算公式得出溫帶森林水分可利用率的估算值。本發(fā)明采用易于獲得的遙感觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計建模，通過模型率定法可以比較有效地估算出溫帶森林水分可利用率，與實際觀測值顯著相關(guān)，從而為森林管理等應(yīng)用提供支持。
【專利說明】
一種估算溫帶森林水分可利用率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種估算溫帶森林水分可利用率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 森林的水分可利用率(Water Use Efficiency，WUE)是生態(tài)系統(tǒng)的一項重要生物 物理屬性。它表示植被每消耗單位量的水分所固定的碳量。根據(jù)定義，估算WUE需要同時獲 取陸地生態(tài)系統(tǒng)的總生產(chǎn)力（Gross Primary Product，GPP)和蒸散量 (Evapotranspiration，ET)，二者的比值即為WUE，如下公式所示：
[0003] WUE=GPP/ET。
[0004] 盡管在觀測站點上，人們可以比較方便地對上述兩類通量進行觀測，但在大范圍 區(qū)域上，GPP與ET的獲取都依賴模型的估算。這些模型都需要較多的輸入?yún)?shù)，可能導(dǎo)致估 算誤差的積累。因此，人們也采用統(tǒng)計模型間接對WUE進行估算。這一統(tǒng)計模型的計算公式 如下：
[0005] ffUE = a〇0F+ai(l-e-°-6LAI),
[0006] 其中，aom為模型的待定系數(shù);ΘΡ為土壤田間持水量;LAI為植被葉面積指數(shù)。模型 中的環(huán)境變量Gf和LAI理論上可以通過地面測量以及遙感觀測獲得，建立環(huán)境變量與WUE間 的統(tǒng)計關(guān)系，計算WUE。但該模型中的土壤田間持水量Θ F比較難以大范圍、高時效地獲取，限 制了該模型的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是解決目前森林水分可利用率采用直接獲取方法誤差大，而采用統(tǒng) 計模型間接估算方法難以大范圍、高時效地獲取土壤田間持水量Θ Ρ的技術(shù)問題。
[0008] 為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種估算溫帶森林水分可利用率的方法，包括 如下步驟：
[0009] (1)從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI;
[0010] (2)從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts;
[0011] (3)從若干通量站點分別獲取日通量GPP和LE，并將LE轉(zhuǎn)化為ET，其中GPP為生態(tài)系 統(tǒng)的總生產(chǎn)力，LE為潛熱通量，ET為蒸散量，通過WUE=GPP/ET求出WUE的觀測值；
[0012] (4)將上述獲得的EVI、Ts和WUE的數(shù)據(jù)集代入如下溫帶森林水分可利用率的模型 計算公式：
[0013] WUE = a〇+aiEVI+a2EVI · Ts,
[0014] 式中，WUE為溫帶森林的水分可利用率的估算值，aQ、adPa2為待定系數(shù)，Ts為各個 通量站點的多年平均白天地表溫度;EVI為通量站點上的增強植被指數(shù)；
[0015] (5)通過模型率定法估算出所述模型計算公式中的待定系數(shù)￡i()、ai和a2,從而得出 溫帶森林水分可利用率的無待定系數(shù)的計算公式，通過將不同的EVI、Ts值代入所述無待定 系數(shù)的計算公式得出溫帶森林水分可利用率的估算值WUE。
[0016] 進一步地，還對步驟（1)所述衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI進行去除云噪聲的預(yù)處理，以獲得 達標的每16天的EVI時間序列數(shù)據(jù)。
[0017] 進一步地，所述預(yù)處理為Savitzky-Golay濾波。
[0018] 進一步地，還對步驟（2)所述衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts進行預(yù)處理，以獲得8天平均的白天 地表溫度，并計算其每年平均值，從而得出年平均白天地表溫度。
[0019]進一步地，所述預(yù)處理為剔除無效值和白天地表溫度小于5°C的值。
[0020] 進一步地，步驟(4)中通過所述模型率定法估算出的所述待定系數(shù)ao =-0.205，ai = 246.505，a2 = _0825,從而得出溫帶森林水分可利用率的無待定系數(shù)的計算公式為：
[0021] WUE = -0.205+246.505 · EVI-0.825 · EVI · Ts。
[0022] 進一步地，所述溫帶森林水分可利用率的觀測值WUE通過以下方法獲得：
[0023] 分別獲得各所述通量站點上16天平均的生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力GPP和16天平均的潛熱 通量LE，并將所述潛熱通量值LE轉(zhuǎn)化為蒸散量ET，通過計算公式WUE = GPP/ET得出所述溫帶 森林水分可利用率的觀測值，
[0024]其中，ET = LEA，λ為單位質(zhì)量的液態(tài)水消耗的能量，A~2.454MJ/kg。
[0025] 進一步地，還對步驟（1)中所述增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI和步驟(2)中所 述白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts作如下處理：
[0026] 通過從若干通量站點分別獲取的降雨數(shù)據(jù)，剔除降雨大于0當天的數(shù)據(jù)和降雨后 兩天的數(shù)據(jù)。
[0027] 進一步地，所述步驟(5)后面還包括：
[0028] 將步驟(3)中所述觀測值與步驟(5)中所述估算值進行比較，以評估通過步驟(4) 中所述溫帶森林水分可利用率的模型計算公式進行估算的準確性
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0030] 1.采用易于獲得的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和地面通量觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計建模，通過模型率 定法可以比較有效地估算出溫帶森林水分可利用率，與實際觀測值顯著相關(guān)，從而為森林 管理等應(yīng)用提供支持。
[0031 ] 2.對遙感數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后才投入模型公式進行估算，提高了遙感數(shù)據(jù)的可用性 和估算準確度。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明一個實施例的流程圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明又一個實施例的流程圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明再一個實施例的流程圖；
[0035]圖4是通量站點地理分布圖；
[0036] 圖5是估算值與觀測值回歸分析結(jié)果圖；
[0037] 圖6是站點US-MMS上2004-2005年WUE的時間序列圖；
[0038] 圖7是站點US-WCr上2005-2006年WUE的時間序列圖；
[0039] 圖8是站點US-UMB上2002-2003年WUE的時間序列圖；
[0040] 圖9是站點US-Bar上2004-2005年WUE的時間序列圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0042] 實施例1:
[0043] 如圖1所示，本發(fā)明的估算溫帶森林水分可利用率的方法，包括如下步驟：
[0044] SlOO:從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI;
[0045] S110:從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts;
[0046] S120:從若干通量站點分別獲取日通量GPP和LE，并將LE轉(zhuǎn)化為ET，其中GPP為生態(tài) 系統(tǒng)的總生產(chǎn)力，LE為潛熱通量，ET為蒸散量，通過WUE=GPP/ET求出WUE的觀測值；
[0047] S130:將步驟SlOO中的Ts、S110中的EVI和S120中的WUE的數(shù)據(jù)集代入如下溫帶森 林水分可利用率的模型計算公式：
[0048] WUE = ao+aiEVI+a2EVI · Ts,
[0049] 式中，WUE為溫帶森林的水分可利用率，ao、adPa2為待定系數(shù)，Ts為各個站點多年 平均白天地表溫度;EVI為站點上的增強植被指數(shù)；
[0050] 5140:通過模型率定法估算出所述模型計算公式中的待定系數(shù)3()、31和32，從而得 出溫帶森林水分可利用率的無待定系數(shù)的計算公式，通過將不同的EVI、Ts值代入所述無待 定系數(shù)的計算公式得出溫帶森林水分可利用率的估算值WUE。
[0051 ]其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI是指MODIS(中分辨率成像光譜儀)增強植被指數(shù)EVI數(shù)據(jù) M0D13Q1;衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts是指MODIS白天地表溫度數(shù)據(jù)MODI 1A2。
[0052] 實施例2:
[0053]如圖2所示，本發(fā)明的估算溫帶森林水分可利用率的方法，包括如下步驟：
[0054] S200:從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI，并通過預(yù)處理 算法去除其中的云噪聲，以獲得達標的每16天的EVI時間序列數(shù)據(jù);優(yōu)選的預(yù)處理算法為 Savitzky-Golay 濾波；
[0055] S210:從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts，并通過預(yù)處理 算法獲得8天平均的白天地表溫度，并計算其每年平均值，從而得出年平均白天地表溫度； 優(yōu)選的預(yù)處理算法為剔除無效值和白天地表溫度小于5°C的值，無效值如空白或為0的值； [0056] S220:從若干通量站點分別獲取日通量GPP和LE，并將LE轉(zhuǎn)化為ET，其中GPP為生態(tài) 系統(tǒng)的總生產(chǎn)力，LE為潛熱通量，ET為蒸散量，通過WUE = GPP/ET求出WUE的觀測值，并通過 從若干通量站點分別獲取的降雨數(shù)據(jù)，剔除降雨大于〇當天的WUE的觀測值數(shù)據(jù)和降雨后兩 天的WUE的觀測值數(shù)據(jù)；
[0057] S230:將步驟S200中的Ts、S210中的EVI和S220中得到的WUE的數(shù)據(jù)集代入如下溫 帶森林水分可利用率的模型計算公式：
[0058] WUE = ao+aiEVI+a2EVI · Ts,
[0059] 式中，WUE為溫帶森林的水分可利用率，ao、adPa2為待定系數(shù)，Ts為各個站點多年 平均白天地表溫度;EVI為站點上的增強植被指數(shù)；
[0000] S240:通過模型率定法估算出上述模型計算公式中的待定系數(shù)ao、ai和a2,估算結(jié) 果為30 = -0.205，&1 = 246.505，&2 = -0.825，從而得出溫帶森林水分可利用率的估算值為 WUE = -0.205+246.505 · EVI-0.825 · EVI · Ts。
[0061 ]其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI是指MODIS(中分辨率成像光譜儀)增強植被指數(shù)EVI數(shù)據(jù) M0D13Q1;衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts是指MODIS白天地表溫度數(shù)據(jù)MODI 1A2。
[0062] 實施例3:
[0063]如圖3所示，本發(fā)明的估算溫帶森林水分可利用率的方法，包括如下步驟：
[0064] S300:從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI，并通過預(yù)處理 算法去除其中的云噪聲，以獲得達標的每16天的EVI時間序列數(shù)據(jù);優(yōu)選的預(yù)處理算法為 Savitzky-Golay 濾波；
[0065] S310:從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts，并通過預(yù)處理 算法獲得8天平均的白天地表溫度，并計算其每年平均值，從而得出年平均白天地表溫度； 優(yōu)選的預(yù)處理算法為剔除無效值和白天地表溫度小于5°C的值，無效值如空白或為0的值； [0066] S320:從若干通量站點分別獲取日通量GPP和LE，并將LE轉(zhuǎn)化為ET，其中GPP為生態(tài) 系統(tǒng)的總生產(chǎn)力，LE為潛熱通量，ET為蒸散量，通過WUE = GPP/ET求出WUE的觀測值，并通過 從若干通量站點分別獲取的降雨數(shù)據(jù)，剔除降雨大于〇當天的WUE的觀測值數(shù)據(jù)和降雨后兩 天的WUE的觀測值數(shù)據(jù);具體地，分別獲得各通量站點上16天平均的生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力GPP (單位gC Hf2Cf1)和潛熱通量LE(單位MJ Hf2Cf1)，并將潛熱通量值LE轉(zhuǎn)化為蒸散量ET，通過計 算公式WUE = GPP/ΕΤ得出溫帶森林水分可利用率的觀測值WUE(單位gC kg-1H2O);原始數(shù)據(jù) 為每半小時的平均值，為了和遙感數(shù)據(jù)的時間尺度一致（即16天），將原始數(shù)據(jù)合成為16天 平均值，并剔除降雨大于〇當天的數(shù)據(jù)和降雨后兩天的數(shù)據(jù)，只需要對原始觀測值計算16天 的算術(shù)平均值，BP:
[0067]
[0068]
[0069] 其中，GPPhLE^別代表半小時平均的生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力和潛熱通量，N代表16天 內(nèi)原始觀測值的個數(shù)，ET = LE/λ，λ為單位質(zhì)量的液態(tài)水消耗的能量，2.454MJ/kg;
[0070] S330:將步驟S300中的Ts、S310中的EVI和S320中得到的WUE的數(shù)據(jù)集代入如下溫 帶森林水分可利用率的模型計算公式：
[0071] WUE = ao+aiEVI+a2EVI · Ts,
[0072] 式中，WUE為溫帶森林的水分可利用率，ao、ai和a2為待定系數(shù)；
[0073] S340:通過模型率定法估算出上述模型計算公式中的待定系數(shù)ao、ai和a2,估算結(jié) 果為30 = -0.205，&1 = 246.505，&2 = -0.825，從而得出溫帶森林水分可利用率的估算值為 WUE = -0.205+246.505 · EVI-0.825 · EVI · Ts;
[0074] S350:將步驟S320中的WUE觀測值與步驟S340中的估算值進行比較，以評估通過步 驟S330中溫帶森林水分可利用率的模型計算公式進行估算的準確性。
[0075]其中，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI是指MODIS(中分辨率成像光譜儀)增強植被指數(shù)EVI數(shù)據(jù) M0D13Q1;衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts是指MODIS白天地表溫度數(shù)據(jù)MODI 1A2。
[0076]下面通過從具體通量站點獲取的數(shù)據(jù)對本發(fā)明模型的估算效果進行評估。
[0077]圖4為通量站點地理分布圖，其中實心圓標記的站點的觀測數(shù)據(jù)全部用于模型驗 證，實心三角形標記的站點部分觀測數(shù)據(jù)，如50%，用于模型率定，剩余觀測數(shù)據(jù)用于模型 驗證。
[0078] 實驗采用統(tǒng)計方法對模型的效果進行評估。主要采用的指標有:相關(guān)系數(shù)、決定系 數(shù)和均方根誤差。相關(guān)系數(shù)數(shù)值在-1到1之間，表示兩個變量之間的相關(guān)程度，負值代表負 相關(guān)，正值代表正相關(guān)，其絕對值越接近于1兩者的相關(guān)程度越大。決定系數(shù)數(shù)值也在0到1 之間，表示模型中自變量對因變量的解釋程度，其數(shù)值越接近于1表示這種解釋程度越高。 均方根誤差則反映了模型預(yù)測值與觀測值的偏差程度，其數(shù)值越小結(jié)果的精度越高。
[0079] 實驗采用的通量數(shù)據(jù)來自La Thuile數(shù)據(jù)集，它是由全球250多個通量站點數(shù)據(jù)構(gòu) 成的數(shù)據(jù)集，該觀測數(shù)據(jù)集包括了二氧化碳通量、水熱通量、空氣溫度和空氣濕度等多類地 表生物物理屬性數(shù)據(jù)。實驗采用的數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)集中可以免費下載使用的子數(shù)據(jù)集。
[0080] 實驗首先采用通量塔數(shù)據(jù)對模型的待定系數(shù)加、&1和&2進行率定，用于模型率定的 通量塔數(shù)據(jù)如下表1所示：
[0081] 表1
[0083] 其中，通量塔名稱代表了不同森林地區(qū)的觀測站點（如圖4所示）。一個站點年代表 某個站點一年的觀測數(shù)據(jù)。通量塔US-MMS、US-WCr和US-UMB中的部分數(shù)據(jù)應(yīng)用于模型的率 定，剩余部分用于模型的驗證(如表1所示）。模型率定總共包含了 11個站點年數(shù)據(jù)，率定的 結(jié)果為30 = -0.205，&1 = 246.505，&2 = -0.825。模型率定總體的決定系數(shù)達到了0.5。則模型 方程如下所示：
[0084] WUE = -0.205+246.505 · EVI-0.825 · EVI · Ts。
[0085]用于模型驗證的通量塔數(shù)據(jù)如下表2所示：
[0086]表 2
[0088]模型驗證總共包含8個站點年數(shù)據(jù)。WUE的模型估算結(jié)果與觀測結(jié)果進行回歸分 析，結(jié)果如圖5所示，其中橫坐標為通量站點觀測的WUE，縱坐標為模型估算的WUE，模型估算 結(jié)果與觀測結(jié)果間的相關(guān)系數(shù)為0.64,顯著相關(guān)。回歸直線斜率為0.985,截距為0.156,接 近1:1線，均方根誤差為1.64，這與已有估算結(jié)果精度相近。
[0089]不同通量站點上WUE的預(yù)測值與觀測值的季節(jié)變化的比較如圖6-9的時間序列圖 所示。這四幅圖中，空心圓代表WUE的觀測值，實心圓代表WUE的估算值。從不同通量站點的 WUE時間序列圖中可以看到，盡管不同通量站點的WUE的估算精度存在差異，但它們的時間 變化趨勢都與觀測值一致，存在明顯的季節(jié)變化，可以證明本發(fā)明的估算模型具有可行性。 [0090]除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或等效變換形 成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種估算溫帶森林水分可利用率的方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 從若干通量站點分別獲取增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI; (2) 從若干通量站點分別獲取白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts; (3) 從若干通量站點分別獲取日通量GPP和LE，并將LE轉(zhuǎn)化為ET，其中GPP為生態(tài)系統(tǒng)的 總生產(chǎn)力，LE為潛熱通量，ET為蒸散量，通過WUE=GPP/ET求出WUE的觀測值； (4) 將上述獲得的EVI、Ts和WUE的數(shù)據(jù)集代入如下溫帶森林水分可利用率的模型計算 公式： WUE = ao+aiEVI+a2EVI · Ts, 式中，WUE為溫帶森林的水分可利用率的估算值，ao、adPa2為待定系數(shù)，Ts為各個通量站 點的多年平均白天地表溫度;EVI為通量站點上的增強植被指數(shù)； (5) 通過模型率定法估算出所述模型計算公式中的待定系數(shù)ao、ai和a2，從而得出溫帶 森林水分可利用率的無待定系數(shù)的計算公式，通過將不同的EVI、Ts值代入所述無待定系數(shù) 的計算公式得出溫帶森林水分可利用率的估算值WUE。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還對步驟(1)所述衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)EVI進行去除 云噪聲的預(yù)處理，以獲得達標的每16天的EVI時間序列數(shù)據(jù)。3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理為Savitzky-Golay濾波。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還對步驟(2)所述衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts進行預(yù)處 理，以獲得8天平均的白天地表溫度，并計算其每年平均值，從而得出年平均白天地表溫度。5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述預(yù)處理為剔除無效值和白天地表溫度小 于5°C的值。6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(4)中通過所述模型率定法估算出的所 述待定系數(shù)30 = -0.205，&1 = 246.505，&2 = -0.825,從而得出溫帶森林水分可利用率的無待 定系數(shù)的計算公式為： WUE = -0.205+246.505 · EVI-0.825 · EVI · Ts。7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溫帶森林水分可利用率的觀測值WUE通 過以下方法獲得： 分別獲得各所述通量站點上16天平均的生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)力GPP和16天平均的潛熱通量 LE，并將所述潛熱通量值LE轉(zhuǎn)化為蒸散量ET，通過計算公式WUE = GPP/ET得出所述溫帶森林 水分可利用率的觀測值， 其中，ET = LE/λ，λ為單位質(zhì)量的液態(tài)水消耗的能量，2.454MJ/kg。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還對步驟（1)中所述增強植被指數(shù)的衛(wèi)星遙 感數(shù)據(jù)EVI和步驟(2)中所述白天地表溫度的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)Ts作如下處理： 通過從若干通量站點分別獲取的降雨數(shù)據(jù)，剔除降雨大于0當天的數(shù)據(jù)和降雨后兩天 的數(shù)據(jù)。9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)后面還包括： 將步驟(3)中所述觀測值與步驟(5)中所述估算值進行比較，以評估通過步驟(4)中所 述溫帶森林水分可利用率的模型計算公式進行估算的準確性。
【文檔編號】G06F19/00GK105938517SQ201610228054
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】陳云浩, 王萌杰
【申請人】北京師范大學(xué)