本發(fā)明屬于地球系統(tǒng)圈層碳通量估算領(lǐng)域，具體涉及一種基于物候的多源遙感生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法。

背景技術(shù)：

1、植被生產(chǎn)力是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的開始，是全球碳循環(huán)的關(guān)鍵議題之一。植被總初級生產(chǎn)力（gpp）的定義為單位空間和單位時間植被通過光合作用固定有機碳的總量。

2、測量陸地生態(tài)系統(tǒng)中的gpp有兩種常見方法。gpp的精確測量通常在實驗室規(guī)模進行，渦度協(xié)方差技術(shù)發(fā)展，實現(xiàn)了局部gpp測量。然而，由于多種環(huán)境對通量的影響，將生態(tài)系統(tǒng)過程從實驗室規(guī)?；蚓植恳?guī)模升級到區(qū)域乃至全球規(guī)模是復(fù)雜的。定量遙感技術(shù)和計算機科學(xué)的發(fā)展為監(jiān)測全球范圍內(nèi)gpp時空變化提供了基礎(chǔ)。當(dāng)前的gpp模型可以分為基于物理過程、機器學(xué)習(xí)和光能利用效率模型?；谶^程的陸氣模型明確描述了碳、水和能源循環(huán)中涉及的物理過程，例如bess，trendy等產(chǎn)品。這些模型具有很好的監(jiān)測gpp年際變化的能力。然而，這種類型的模型通常需要大量的輸入變量和參數(shù)數(shù)據(jù)集，其中一些數(shù)據(jù)可能難以獲取或精度有限。機器學(xué)習(xí)模型是基于數(shù)學(xué)和統(tǒng)計原理的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的獨特模式，將現(xiàn)場規(guī)模測量的ec（渦流協(xié)方差）通量擴大到區(qū)域、國家和全球規(guī)模，例如fluxcom，mte_gpp等產(chǎn)品。這些模型證明了通過非線性回歸擬合解決復(fù)雜的分類和估計問題的有效性。然而，數(shù)據(jù)挖掘過程往往通過黑箱模型實現(xiàn)，這可能限制對數(shù)據(jù)趨勢的分析和解釋。光能利用效率模型遵循生物地球化學(xué)的基本原理，并考慮光能利用效率來估算gpp，假設(shè)植物的光能利用效率可能由于低溫或缺水等環(huán)境壓力而降低到其理論潛力值以下。目前，光能利用率模型因其計算效率高、參數(shù)少而成為一種非常流行的全球gpp估算方法，例如modis、glass和vpm。

3、現(xiàn)階段還沒有出現(xiàn)考慮物候因素的雙葉光能利用率模型。而光合作用與植被物候狀況密切相關(guān)，物候是總初級生產(chǎn)力年際變化最重要的控制變量之一。植被的光能利用效率受內(nèi)部生理性狀如類胡蘿卜素含量、葉綠素含量等因素的顯著影響。研究表明，植被最大光能利用效率可以顯著區(qū)分綠色植被和衰老植被。植被生長階段冠層中的葉綠素總量可能是衰老階段的兩倍多，分別參數(shù)化植被葉片成熟和衰老階段最大光能利用效率，可以顯著提高光能利用效率模型的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供了一種基于物候的多源遙感生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法，基于雙葉光能利用效率框架，能夠驗證其在模擬gpp時空變化方面的優(yōu)勢。

2、為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于物候的多源遙感生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法，包括以下步驟：

3、s1、基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、以及氣象數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星瞬時短波輻射，之后計算獲得日太陽輻射通量；根據(jù)太陽高度角和晴空指數(shù)，計算散射光合有效輻射比例，然后反演高時空分辨率光合有效輻射數(shù)據(jù)，包括散射光合有效輻射、直接光合有效輻射、冠層下的散射光合有效輻射，

4、s2、采集目標(biāo)區(qū)域相同時間序列的生物特征數(shù)據(jù)，計算植被物候特征，為物候約束因子的建立提供狀態(tài)變量；

5、s3、根據(jù)步驟s1獲得高時空分辨率光合有效輻射數(shù)據(jù)，計算被植被陽葉和陰葉所吸收光合有效輻射，根據(jù)步驟s2的狀態(tài)變量劃定閾值，建立基于地表水指數(shù)的物候約束因子，然后計算獲得溫度限制因子、濕度限制因子，二氧化碳限制因子，進一步構(gòu)建環(huán)境限制函數(shù)；

6、s4、基于雙葉光能利用率框架，根據(jù)被植被陽葉、陰葉所吸收光合有效輻射、以及環(huán)境限制函數(shù)建立生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型，估算總初級生產(chǎn)力；

7、s5、對生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型中陽葉光能利用效率和陰葉光能利用效率參數(shù)，利用馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法，對參數(shù)進行優(yōu)化，獲得優(yōu)化后的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型；

8、s6、以采集的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為輸入，利用經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型計算高時空分辨率的全球總初級生產(chǎn)力。

9、進一步地，前述的步驟s1?計算衛(wèi)星 t 0時刻瞬時短波輻射 i s如下式：

10、，（1）

11、式中， s0表示大氣層頂?shù)奶柍?shù)，為經(jīng)驗系數(shù)，為太陽天頂角參數(shù)，為地表水氣壓；

12、基于表溫度日變化正弦模型、結(jié)合白天時長，計算日太陽輻射通量 i g如下式：

13、，（2）

14、，（3）

15、式中， i s( t)是圖像任一像元 t時刻的太陽輻射值， t r是日出時間， t s是日落時間，日出時間、日落時間由日期和地理位置緯度共同決定， t為一天內(nèi)任意時間。

16、進一步地，前述的步驟s1中，根據(jù)太陽高度角和晴空指數(shù)，計算散射光合有效輻射比例td f，如下式：

17、,(4)

18、,(5)

19、，(6)

20、，(7)

21、式中，ci表示大氣對地球外輻射的影響，ig為太陽輻射，i0為地球外輻射，i sc為太陽常數(shù)，td為儒略日， θ為太陽高度角， d f為散射比例， ci d為日晴空指數(shù)，為總輻射持續(xù)因子。

22、進一步地，前述的步驟s1中，散射光合有效輻射 par dif、直接光合有效輻射 par dir、冠層下的散射光合有效輻射 par dif， u計算如下：

23、,(8)

24、,(9)

25、,(10)

26、,(11)

27、式中， par為光合有效輻射,為比例因子，為叢聚指數(shù)，取決于植被類型，lai為葉面積指數(shù)。

28、進一步地，前述的步驟s2具體是：采用雙s型曲線進行非線性最小二乘擬合計算植被物候特征，用于評估計算植被葉片生長狀態(tài)，為物候約束因子的建立提供狀態(tài)變量，如下式：

29、,(12)

30、式中，t表示時間a、b、c、d以及f、g分別表示擬合參數(shù)，a和b分別決定了曲線的最小值和最大值，c和d分別控制著曲線上升階段的時間和坡度，對應(yīng)葉片生長過程，g和f分別控制曲線下降階段的時間和坡度，對應(yīng)葉片的凋落過程。

31、進一步地，前述的步驟s3中包括以下子步驟：

32、s3.1、計算被植被陽葉和陰葉所吸收光合有效輻射 apar su、 apar sh，如下式：

33、,(13)

34、,(14)

35、式中， lai su和 lai sh分別是陽葉和陰葉的葉面積指數(shù)，lai為葉面積指數(shù)，為叢聚指數(shù)，是平均葉太陽角，為太陽高度角，c是直接輻射在植被冠層內(nèi)的多次散射貢獻， par dif是散射光合有效輻射、 par dir是直接光合有效輻射、 par dif， u是冠層下的散射光合有效輻射；

36、?陽的葉面積指數(shù) lai su葉和陰葉的葉面積指數(shù) lai sh，計算如下式：

37、,(15)

38、,(16)

39、s3.2、建立基于地表水指數(shù)的物候約束因子，如下式：

40、,(17)

41、,(18)

42、式中，lswi為植被水分含量指數(shù)，和分別代表衛(wèi)星傳感器的近紅外和短波紅外波段， sif se和 sif ma分別為植被葉片成熟和凋落時對應(yīng)的sif值;

43、s3.3、計算溫度限制因子如下式：

44、,(19)

45、計算濕度限制因子如下式：

46、,(20)

47、計算二氧化碳限制因子，如下式：

48、,(21)

49、構(gòu)建環(huán)境限制函數(shù)如下式：

50、,(22)

51、式中， f t為溫度限制因子， f w為濕度限制因子， f p為物候限制因子， f c為co2限制因子， t opt是植被最優(yōu)生長溫度， t a為空氣溫度， lswi max為植被生長季最大的植被水分含量指數(shù)，為gpp相對大氣co2變化的敏感系數(shù)，co2為大氣二氧化碳濃度，co2 base是基準(zhǔn)co2濃度。

52、進一步地，前述的步驟s4中，生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型如下式：

53、,(23)

54、式中，、分別是植被陽葉和陰葉的最大光能利用率， apar su、 apar sh分別是被植被陽葉和陰葉所吸收光合有效輻射，為環(huán)境限制因子。

55、進一步地，前述的步驟s5具體是對生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型的兩個參數(shù)：最大光能利用率和陰葉的最大光能利用率進行優(yōu)化，包括以下子步驟：

56、s5.1、利用貝葉斯理論，估計參數(shù)的后驗分布：

57、記給定時隨機變量x的條件密度為，且??=(??1,…????)是取自總體x的一個樣本，其似然函數(shù)為：

58、,(24)

59、樣本??和參數(shù)的聯(lián)合概率密度為,由貝葉斯公式得到的后驗分布如下：

60、,(25)

61、式中，??為參數(shù)的概率分布，為參數(shù)的先驗概率，為參數(shù)的后驗概率，為似然函數(shù)，即觀測樣本的分布；積分求解區(qū)間指的是參數(shù)所有能取到的值域；

62、s5.2、通過馬爾可夫鏈蒙特卡羅算法從概率密度中抽取樣本，利用核密度估計求得近似分布，通過不斷更新樣本信息而使馬爾科夫鏈模型能充分搜索模型參數(shù)空間，最終收斂到高概率密度區(qū)，具體是使用metropolis–hastings算法進行樣本抽樣，完成參數(shù)優(yōu)化：,(26)

63、式中，為接受率，為最優(yōu)參數(shù)，為提議函數(shù)生成的提議參數(shù)，提議函數(shù)符合正態(tài)分布，通過迭代過程，當(dāng)接受率大于迭代過程中從0-1均勻分布中生成的隨機數(shù)，則提議參數(shù)即為最優(yōu)參數(shù)。

64、進一步地，前述的步驟s6包括以下子步驟：

65、s6.1收集多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)，利用經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型進行全球總初級生產(chǎn)力的反演，并基于通量站點實測數(shù)據(jù)驗證其模擬精度；

66、s6.2、收集基于物理機制的陸面過程模型，基于其集合平均值驗證經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型在模擬總初級生產(chǎn)力時空變化的能力。

67、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用以上技術(shù)方案的有益技術(shù)效果如下：本發(fā)明公開的一種基于物候的多源遙感生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法，使用多源遙感數(shù)據(jù)，計算研究區(qū)直接光合有效輻射和散射光合有效輻射；獲取相同時間序列的區(qū)域生物特征數(shù)據(jù)，如誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓╯if）等，采用雙s型曲線進行非線性最小二乘擬合提取植被物候特征，用于評估植被葉片生長狀態(tài)；根據(jù)物候特征設(shè)定閾值，構(gòu)建物候約束因子；基于雙葉光能利用效率框架，結(jié)合物候約束因子，建立一個計算效率高，參數(shù)少的物候影響下的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型；基于通量站點實測數(shù)據(jù)，利用馬爾可夫鏈蒙特卡洛鏈對模型參數(shù)進行優(yōu)化；基于多源遙感數(shù)據(jù)，利用參數(shù)優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模型，生成全球高時空分辨率的總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)并驗證其在模擬時空趨勢變化的能力。本發(fā)明提出了一種基于物候的多源遙感生態(tài)系統(tǒng)碳通量估算方法要優(yōu)于傳統(tǒng)的光能利用效率模型，并且在模擬總初級生產(chǎn)力時空變化方面具有顯著優(yōu)勢，提高了全球碳通量的模擬精度。