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一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统技术方案

技术编号:15399611 阅读:109 留言:0更新日期:2017-05-23 13:43
本发明专利技术公开了一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统,本发明专利技术的农作物总初级生产力遥感估算方法,针对小麦和玉米两种作物,与现有方法相比,本发明专利技术通过理论分析、实验测试和应用,充分利用多源遥感数据,以光能利用率模型为依托,充分考虑了光能、热能、水分、养分四个环境要素对农作物生长的影响,并引入最大光能利用率系数,构建基于光热水肥环境四要素的农作物总初级生产力遥感估算模型。相比传统的光能利用率模型,该模型考虑了多环境要素对农作物总初级生产力的影响,最大程度地应用了遥感数据,模型估算结果精度高,同时可以使用该估算模型系统针对某一应用示范区进行农作物生产力的估算。

Remote sensing estimation method and system for total primary productivity of crops

The invention discloses a method and a system for estimating gross primary productivity of crops, methods of remote sensing estimation of gross primary productivity of crops according to the present invention, wheat and corn two crops, compared with the existing methods, the invention through theoretical analysis, experimental testing and application, make full use of multi-source remote sensing data, the light utilization rate model based on the full consideration of the light, heat, water and nutrient of four environmental factors on the growth of crops, and the maximum energy utilization coefficient, building gross primary productivity of crop model based on remote sensing and thermal environment based on four essential factors. Compared with the traditional light use efficiency model, the model considers the influence of environmental factors on the total primary productivity of crops, to maximize the application of remote sensing data, the estimation results at the same time, the model has high precision and can be estimated using the estimated model system of crop productivity in a demonstration area.

【技术实现步骤摘要】
一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统
本专利技术涉及农作物生理生化
,更具体涉及一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统。
技术介绍
总初级生产力(GrossPrimaryProduction,GPP)是单位时间单位面积上,绿色植物通过光合作用所产生的全部有机同化量,其决定了进入陆地生态系统的初始物质和能量。遥感技术能够提供地表的多源多维多时相信息,可以为农作物总初级生产力的估算提供新的方法。总初级生产力的估算方法可分为气候统计模型、生理生态过程模型和光能利用率模型三种。其中,光能利用率模型是目前遥感估算初级生产力较为常用的方法。该模型从资源平衡观点出发,认为任何对植物生长起限制性的资源,如水、氮、光照等,均可用于初级生产力估算,其不涉及过多的输入参数,简化了作物生长发育机理,通过遥感信息反演获取影响光合作用的环境要素或生物物理参数,从而实现作物生产力的动态模拟,又具有相对较高的估算精度。但是传统的光能利用率模型,需要参考太阳辐射或大气温度等非遥感参数,这些参数的获取通常依赖地表气象站,数据空间代表性小,在一定程度上限制了模型大面积实际应用的可操作性。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术要解决的技术问题是如何实现总初级生产力估算模型的大面积应用,克服传统数据空间代表性小的不足。(二)技术方案为了解决上述技术问题,本专利技术提供了一种农作物总初级生产力的遥感估算方法,所述方法包括以下步骤:S1、收集实验区的遥感数据产品、实验区站点实测总初级生产力数据和实验区地面太阳总辐射数据;其中所述实验区的遥感数据产品包括遥感反射率产品、遥感地表温度产品、遥感光合有效辐射产品;S2、根据步骤S1所述的遥感反射率产品以及遥感地表温度产品,计算光能因子FI、温度因子TI、水分因子WI、肥力因子NI四个环境要素的遥感指数ScaledWDRVT、ScaledLST、ScaledVSDI、GNDVI;利用所述实验区地面太阳总辐射数据计算光合有效辐射PAR或直接由步骤S1所述遥感光合有效辐射产品得到光合有效辐射PAR;根据地面农作物类型代入农作物初级总生产力遥感估算模型,结合所述实验区站点实测总初级生产力数据,拟合农作物最大光能利用率参数LUEmax,完成农作物总初级生产力遥感估算模型的建立,GPP_w=PAR×LUEmax_w×FI×min(TI,WI,NI)(1)GPP_c=PAR×LUEmax_c×FI×TI×WI×NI(2)其中公式1为小麦总初级生产力遥感估算模型,公式2为玉米总初级生产力遥感估算模型,GPP—w为小麦总初级生产力,GPP—c为玉米总初级生产力;S3、收集应用示范区的遥感数据产品,其包括遥感反射率产品、遥感地表温度产品以及遥感光合有效辐射产品;根据应用示范区收集的遥感反射率产品以及遥感地表温度产品,计算得到应用示范区的FI、TI、WI、NI四个环境要素的遥感指数,由应用示范区的遥感光合有效辐射产品得到PAR的值;应用所述步骤S2得到的农作物初级总生产力遥感估算模型,得到应用示范区的农作物总初级生产力的估算结果。优选地,所述步骤S2中的拟合农作物最大光能利用率参数LUEmax为使用最小二乘法并按照偏差率最小原则拟合。优选地,所述遥感反射率产品均为MOD09A1,所述遥感地表温度产品均为MOD11A2,所述遥感光合有效辐射产品均为GLASSPAR。优选地,所述遥感反射率产品包括蓝光波段反射率值Rblue、绿光波段反射率值Rgreen、红光波段反射率值Rred、近红外波段反射率值RNIR以及短波红光波段反射率值RSWIR。一种农作物总初级生产力的遥感估算系统,所述系统包括实验区数据提取模块、回归计算模块、应用示范区数据提取模块、应用示范区计算输出模块;其中所述实验区数据提取模块连接实验区气象数据库、实验区遥感数据库以及实验区实测数据库;所述应用示范区数据提取模块连接应用示范区遥感数据库;所述实验区数据提取模块将提取的信息传送给所述回归计算模块进行计算,拟合得到农作物最大光能利用率参数LUEmax,建立农作物总初级生产力遥感估算模型;将应用示范区数据提取模块提取的信息应用到所述农作物初级总生产力遥感估算模型,得到应用示范区的农作物总初级生产力的估算结果。优选地,所述实验区气象数据库中存储地面太阳总辐射数据信息;所述实验区遥感数据库存储实验区的遥感数据产品信息;所述实验区实测数据库存储实验区实测总初级生产力数据信息;所述应用示范区遥感数据库存储应用示范区的遥感数据产品信息。(三)有益效果本专利技术提供了一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统,针对小麦和玉米两种农作物,充分考虑了光能、热能、水分、养分四个环境要素对农作物生长的影响,引入最大光能利用率系数,建立农作物总初级生产力遥感估算模型,利用遥感数据估算总初级生产力,精度高,易于操作,模型估计值和实地观测数据具有较高的相关性,适于大面积农作物的总初级生产力估算。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种农作物总初级生产力的遥感估算方法的步骤流程图;图2为本专利技术的一种农作物总初级生产力的遥感估算系统的结构示意图;图3a为利用本专利技术建立的农作物总初级生产力遥感估算模型估算的小麦的GPP与实地观测GPP的比较示意图;图3b为利用本专利技术建立的农作物总初级生产力遥感估算模型估算的玉米的GPP与实地观测GPP的比较示意图;图4为本专利技术建立的农作物总初级生产力遥感估算模型在中国盈科以及美国MEAD三个通量站点的玉米生产力估算效果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术,但不能用来限制本专利技术的范围。本专利技术的一种农作物总初级生产力的遥感估算方法,其流程图如图1所示。参考Monteith等人在Solarradiationandproductivityintropicalecosystems.JournalofAppliedEcology,9,747-766中提出的资源平衡观点,即任何对植物生长起限制性的资源,如水、氮、光照等,均可用于生物量的估算,本专利技术将光能辐射、地表温度、地表水分和植被养分作为作物生产力的限制要素,引入光能利用率模型中,针对小麦和玉米分别构建了GPP遥感估算模型,具体表达式如下:GPP_w=PAR×LUEmax_w×FI×min(TI,WI,NI)(1)GPP_c=PAR×LUEmax_c×FI×TI×WI×NI(2)公式1为小麦的总初级生产力估算方法,公式2为玉米的总初级生产力估算方法。其中,GPP为该作物的总初级生产力;式中,GPP_w为小麦总初级生产力,GPP_c为玉米总初级生产力,PAR为光合有效辐射,可由地面太阳总辐射数据Rg计算获取,计算公式为公式3,又可直接采用遥感光合有效辐射产品获取,如GLASSPAR;LUEmax_w为小麦最大光能利用率,由模型拟合得到;LUEmax_c为玉米最大光能利用率,由模型拟合得到;FI为光能有效辐射比例因子,由Sc本文档来自技高网...
一种农作物总初级生产力的遥感估算方法及系统

【技术保护点】
一种农作物总初级生产力的遥感估算方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:S1、收集实验区的遥感数据产品、实验区站点实测总初级生产力数据和实验区地面太阳总辐射数据;其中所述实验区的遥感数据产品包括遥感反射率产品、遥感地表温度产品、遥感光合有效辐射产品;S2、根据步骤S1所述的遥感反射率产品以及遥感地表温度产品,计算光能因子FI、温度因子TI、水分因子WI、肥力因子NI四个环境要素的遥感指数ScaledWDRVT、ScaledLST、ScaledVSDI、GNDVI;利用所述实验区地面太阳总辐射数据计算光合有效辐射PAR或直接由步骤S1所述遥感光合有效辐射产品得到光合有效辐射PAR;根据地面农作物类型代入农作物总初级生产力遥感估算模型,结合所述实验区站点实测总初级生产力数据,拟合农作物最大光能利用率参数LUE

【技术特征摘要】
1.一种农作物总初级生产力的遥感估算方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:S1、收集实验区的遥感数据产品、实验区站点实测总初级生产力数据和实验区地面太阳总辐射数据;其中所述实验区的遥感数据产品包括遥感反射率产品、遥感地表温度产品、遥感光合有效辐射产品;S2、根据步骤S1所述的遥感反射率产品以及遥感地表温度产品,计算光能因子FI、温度因子TI、水分因子WI、肥力因子NI四个环境要素的遥感指数ScaledWDRVT、ScaledLST、ScaledVSDI、GNDVI;利用所述实验区地面太阳总辐射数据计算光合有效辐射PAR或直接由步骤S1所述遥感光合有效辐射产品得到光合有效辐射PAR;根据地面农作物类型代入农作物总初级生产力遥感估算模型,结合所述实验区站点实测总初级生产力数据,拟合农作物最大光能利用率参数LUEmax,完成农作物总初级生产力遥感估算模型的建立,GPP-w=PAR×LUEmax_w×FI×min(TI,WI,NI)(1)GPP-c=PAR×LUEmax_c×FI×TI×WI×NI(2)其中公式1为小麦总初级生产力遥感估算模型,公式2为玉米总初级生产力遥感估算模型,GPP-w为小麦总初级生产力,GPP-c为玉米总初级生产力;S3、收集应用示范区的遥感数据产品,其包括遥感反射率产品、遥感地表温度产品以及遥感光合有效辐射产品;根据应用示范区收集的遥感反射率产品以及遥感地表温度产品,计算得到应用示范区的FI、TI、WI、NI四个环境要素的遥感指数,由应用示范区的遥感光合有效辐射产品得到PAR的值;应用所述步骤S2得到的农作物总初级生产力遥感估算模型,得到应用示范区的农作物...

【专利技术属性】
技术研发人员:秦其明张宁王金梁吴伶
申请(专利权)人:北京大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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