CN102004848A - 一种提高光合有效辐射（par）计算精度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统。所述方法，包括下列步骤：引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射强度I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

Description

一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统

技术领域

本发明涉及生态系统的监测技术领域，特别是涉及一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统。

背景技术

全球碳循环是发生在地球生物圈与大气圈之间最大的物质和能量循环过程。在这个过程中，陆地植被起着关键作用。通过植被的作用，将大气中的二氧化碳(CO₂)固定成有机物质，将太阳能固定成化学能，成为今天人类生产和生活的基本的物质和能量来源。光合有效辐射(photo syntheticallyactive radiation，PAR)是指进行光合作用的那部分太阳辐射(400nm-700nm)，它是形成植物干物质的能量来源，光合有效辐射是陆地生态系统和海洋生态CO₂循环的核心因素，光合有效辐射的精确测量有助于提高净第一性生产力(NPP)模型的准确率以及促进CO₂源/汇研究。因此，光合有效辐射研究在生态学、农学以及气候研究中都具有重要的意义和价值。

近几十年来，现代遥感技术日益应用于区域至全球尺度水平的生态系统碳通量模型中，并取得了相当大的进展，中外许多科学家利用遥感技术进行全球及区域尺度的PAR的反演已经取得了众多的成果。从国内外相关文献来看，估算PAR的方法可以分为两大类：一是用地面站点的观测数据进行空间上的插值来获取区域上连续的PAR；二是在卫星观测数据的基础上，以辐射传输模型为理论基础，提出适应各种传感器的PAR估算方法。

尽管很早就有大量的研究尝试利用卫星遥感数据估算太阳辐射，但是基于卫星遥感估算PAR的方法并不多。自20世纪60年代以来，人类开始有能力获得对地观测的遥感数据，使得估算高时空分辨率的光合有效辐射成为可能。Frouin et al.(1989)和Gautier et al(1980)提出的方法是在Gautier等(1980)估算太阳辐射算法的基础上做了一点修改：在有云覆盖时不考虑云的吸收作用，在晴空无云时，模型的参数按照Frouin等(1989)的设置，将总太阳辐射波段替换成PAR的波段。Eck和Dye(1991)于1991年提出使用TOMS的紫外波段的观测数据来估算PAR。Eck和Dye通过设定阈值判识影像上的云，他们认为用紫外波段的反射率可以很容易地将云和高反照率的地表区分开，除了冰和雪覆盖区。Pinker和Laszlo(1992)估算全球尺度PAR的方法来源于Pinker和Ewing(1985)估算宽波段(0.2μm-4.0μm)太阳辐射通量的方法。Pinker等利用ERBE与ISCCP遥感数据估算出全球有效光合辐射。

美国国家航天航空局(NASA)针对地观测计划(EOS)而发射Terra和Aqua两颗卫星为获取高分辨率的PAR提供了新的途径。MODIS海洋科研组(MODISOcean Scienee Team)的Kendall L.Carder等(2003)在Leckne et al.(1978)、Bird et al.(1986)、Justus和Paris(1985)、Gregg和Carder(1990)模型的基础上提出估算高分辨率的海洋PAR的方法，他们把海洋PAR产品作为MODIS的标准产品(MOD20)发布。Van Laake et al.(2004，2005)基于简化的大气辐射传输模型，利用MODIS大气产品(MOD04、MOD05、MOD06、MOD07)反演2002年哥斯达黎加地区1公里分辨率的光合有效辐射。

虽然，光合有效辐射(PAR)几乎是所有陆地生态模型的一个关键输入参数，但是目前可用于模型输入的PAR数据空间分辨率太低而不能满足在区域尺度生态模型的需要。同时分析现有算法的缺陷如下：

1)常规气象观测PAR算法及数据的缺陷：

通常PAR由地面气象站点观测到的太阳辐射乘以PAR与太阳辐射的比率得到，大范围的PAR则由站点的数据插值得到。然而由于可以常规观测太阳辐射的气象站点分布稀疏，因此插值会导致PAR精度较低。有时对于没有常规观测太阳辐射的气象站点，太阳辐射也可以根据站点观测到的降水和气温来推算。这种间接估算PAR的方法难以获取准确的PAR。因此，利用遥感数据估算PAR成为最佳途径。

2)现有利用遥感方法估算PAR算法的缺陷如下：

(1)Frouin和Gautier(1989)的方法

Frouin和Gautier(1989)提出的方法是在Gautier等(1980)估算太阳辐射算法的基础上做了一点修改，该方法考虑了晴空时大气各向异性，但云和地表对太阳辐射的反射被假定为各向同性的。由于静止卫星的通道大多在可见光波段(除了METEOSAT)，因此对于计算云反照率可以直接使用卫星观测数据而不需要将窄波段转化为宽波段。这种方法利用数据空间分辨率较低，没有考虑地形环境影响，精度不高。

(2)Eck和Dye(1991)的方法

Eck和Dye于1991年提出使用TOMS的紫外波段的观测数据来估算PAR。Eck和Dye通过设定阈值判识影像上的云，他们认为用紫外波段的反射率可以很容易地将云和高反照率的地表区分开，除了冰和雪覆盖区。该方法没有考虑地形对太阳辐射的影响，并存在较大缺陷：TOMS数据的时空分辨率低(时间分辨率：月，空间分辨率：1°×2.5°，平均500km×500km)，也没有考虑地形影响。

(3)Pinker和Laszlo(1992)的方法

Pinker和Laszlo^[31]估算全球尺度PAR的方法来源于Pinker和Ewing估算宽波段(0.2μm-4.0μm)太阳辐射通量的方法。Pinker等利用ERBE(EarthRadiation Budget Experiment)与ISCCP遥感数据估算出全球有效光合辐射。其空间分辨率不高，利用部分地面同化数据，没有考虑地形影响，精度不高。

(4)Kendall L.Carder的方法

美国国家航天航空局(NASA)针对对地观测计划(EOS)而发射Terra和Aqua两颗卫星为获取高分辨率的PAR提供了新的途径。MODIS海洋科研组的Kendall L.Carder等^]在Leckner、Bird和Riordan、Justus和Paris、Gregg和Carder模型的基础上估算出高分辨率的海洋PAR，他们把海洋PAR产品作为MODIS的标准产品(MOD20)发布，但模型中海水反照率恒定的假设在陆地PAR估算中是无法成立。由于地表反射的复杂性，其算法中没有考虑地面大气的多次反射影响。

(5)光能利用率模型中的PAR计算方法

CASA模型中的PAR是将0.5作为太阳总辐射与光合有效辐射之间的比例，即将太阳总辐射乘以0.5作为光合有效辐射。GLO-PEM模型采用的是上面提到的Eck和Dye于1991年提出使用TOMS的紫外波段的观测数据来估算PAR。但由于TOMS数据的时空分辨率低(时间分辨率：月，空间分辨率：1°×2.5°，平均500km×500km)，因此导致PAR的时空分辨率低。而在实际情况中，PAR随时间、空间变化明显。从CASA和GLO-PEM模型可以看出，现有光能利用率模型中PAR的计算方法简单粗糙，不符合实际情况，由此可能极大地错误估计植被初级生产力和净初级生产力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统。其极大的提高了PAR的反演精度，同时极大的简化了PAR的参数过程和难度，提高了PAR反演模型的可操作性和实用化程度。

为实现本发明的目的而提供的一种提高光合有效辐射计算精度的方法，包括下列步骤：

步骤100.引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

步骤200.根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

步骤300.根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

所述步骤100，包括下列步骤：

步骤110.计算直射光通量I_dλ：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ；

其中，F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)，T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率；

步骤120.计算散射光通量I_sλ(λ)：I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)；

其中，I_r(λ)为瑞利散射，I_a(λ)为气溶胶散射，I_g(λ)为地表和大气间的多次反射；

步骤130.计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应，ρ_mean为邻近地形的平均反射率；

步骤140.计算计算复杂地形下的太阳直接辐射I_dir：

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中，i是太阳直射光线与地表坡面法线

的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向；

步骤150.计算复杂地形下天空散射辐射I_dif：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角，地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0；

步骤160.根据所述太阳直接辐射I_dir、天空散射辐射I_dif和附加辐射I_adj，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj。

所述步骤150，包括如下步骤.

步骤151.计算所述数字地形模型中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的距离P，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度：

步骤152.计算所述两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的高度角θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

步骤153.计算天空视角A_sky，公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L;$ A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

其中，_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，表示方位角，L表示方位半径，_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

所述步骤300，包括下列步骤：

步骤310.计算太阳辐射瞬时值：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期，t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m；

步骤320.根据所述太阳辐射瞬时值S_i，计算太阳辐射日总量：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

其中，S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期；

步骤330.根据所述太阳辐射日总量S_d，计算光合有效辐射的日值：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}.$

为实现本发明的目的还提供一种提高光合有效辐射计算精度的系统，所述系统，包括：

复杂地形下太阳单色光辐射强度计算模块，用于引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

瞬时光合有效辐射计算模块，用于根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

光和有效辐射日值计算模块，根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

所述复杂地形下太阳单色光辐射强度计算模块，包括：

直射光通量计算模块，用于计算直射太阳光通量I_dλ：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ；

其中，F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)，T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率；

散射光通量计算模块，用于计算散射光通量I_sλ(λ)：I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)；

其中，I_r(λ)为瑞利散射，I_a(λ)为气溶胶散射，I_g(λ)为地表和大气间的多次反射；

附加辐射计算模块，用于计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应，ρ_mean为邻近地形的平均反射率；

直接辐射计算模块，用于计算复杂地形下的太阳直接辐射I_dir：

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中，i是太阳直射光线

与地表坡面法线的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向；

散射辐射计算模块，用于计算复杂地形下天空散射辐射I_dif：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角，地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0；

复杂地形下单色光辐射强度合计模块，用于根据所述太阳直接辐射I_dir、天空散射辐射I_dif和附加辐射I_adj，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj。

所述散射辐射计算模块，包括：

距离计算模块，用于计算所述数字地形模型中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的距离P，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度：

高度角计算模块，用于计算所述两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的高度角θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

天空视角计算模块，用于计算天空视角A_sky，公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L;$ A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

其中，_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，表示方位角，L表示方位半径，_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

所述光和有效辐射日值统计模块，包括：

太阳辐射瞬时值计算模块，用于计算太阳辐射瞬时值：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期，t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m；

太阳辐射日总量计算模块，用于根据所述太阳辐射瞬时值S_i，计算太阳辐射日总量：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

其中，S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期；

光合有效辐射的日值计算模块，用于根据所述太阳辐射日总量S_d，计算光合有效辐射的日值：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}.$

本发明的有益效果是：

本发明是一种能提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，根据Iqbal的辐射传输模型和Stephens等(1984)的宽波段云反射算法，引进DEM地形影响因子，提出一个基于MODIS大气和地表产品反演高精度复杂地形下光合有效辐射模型算法。该方法是对普通的大气传输模型进行简化，在模型中分别考虑了削减光合有效辐射的五个主要因子(瑞利散射、臭氧和水汽吸收、气溶胶散射以及地表和大气间的多次反射)和从三个方面考虑了复杂地形对于光合有效辐射的影响(坡度和坡向、天空可视角以及邻近地形的附加辐射)，可得到高精度高分辨的PAR值，为区域土地净生产力的计算及区域农业估产提供PAR估算的技术支持。

附图说明

图1是本发明的一种提高光合有效辐射计算精度的方法的步骤流程图；

图2是复杂地形上地表太阳入射辐射的示意图；

图3是DEM的矩阵图；

图4是本发明的提高光合有效辐射计算精度的系统的结构示意图；

图5是长白山地区不考虑地形因子模型反演的瞬时PAR示意图；

图6是长白山地区考虑地形因子模型反演的瞬时PAR示意图；

图7是长白山地区因地形因子产生的相对辐射误差示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合上述目标详细介绍本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法，所述方法根据Iqbal的辐射传输模型和Stephens等的宽波段云反射算法，引进DEM地形影响因子，提出一个基于中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer，MODIS)大气和地表产品反演高精度复杂地形下光合有效辐射的方法。该方法是对普通的大气传输模型进行简化，在模型中分别考虑了削减光合有效辐射的五个主要因子(瑞利散射、臭氧和水汽吸收、气溶胶散射以及地表和大气间的多次反射)和从三个方面考虑了复杂地形对于光合有效辐射的影响(坡度和坡向、天空可视角以及邻近地形的附加辐射)，可得到高精度高分辨的PAR，为区域土地净生产力的计算及区域农业估产提供PAR估算的技术支持。

图1是本发明的一种提高光合有效辐射计算精度的方法的步骤流程图，如图1所示，所述方法，包括下列步骤：

步骤100.引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

步骤200.根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射强度I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

步骤300.根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

下面结合附图对给步骤进行详细说明：

基于MODIS产品计算瞬时PAR

估算净初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)是碳循环研究的重要组成部分。光合有效辐射为生产力模型中的重要参数，其不确定性是目前基于遥感估算NPP精度不高的主要原因。MODIS数据具有免费，获取方便，产品成熟，时空分辨率高等优点，是很好的遥感数据源。本发明以MODIS各级产品作为数据输入源，建立了估算高时空分辨率的光合有效辐射的方法。

对于植物生长来说，叶绿素能够吸收的可见光波段(0.4-0.7μm)的太阳辐射能是最重要的，因此可见光波段的太阳辐射能通常被称为光合有效辐射(PAR)，其波段一般取400-700nm，也有学者认为应取380-700nm。PAR被定义为太阳下行辐射中可见光的那部分，公式为：

$\mathrm{PAR}(W\·m^{-2})={\∫}_{0.4}^{0.7}I\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}$

其中，I_λ为太阳下行单色光辐射，λ为真空中的波长。大气对可见光波段的太阳辐射削弱作用主要体现在五个方面：混合气体的散射作用(瑞利散射)；混合气体的吸收作用(主要被氧气吸收)；臭氧的吸收作用；气溶胶的散射和吸收作用；水汽的吸收作用。为了简化计算过程，本发明的一个前提是：各大气成分对太阳辐射的影响是相互独立的。直射光通量I_dλ，经过大气损失后没有经过散射直接到达地面的太阳辐射；散射光通量I_sλ，经过大气衰减后偏离直射后到达地面的太阳辐射。直射光通量I_dλ考虑传播过程中瑞利散射、臭氧、气溶胶的吸收和散射等作用，公式为：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ

F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)。T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率(主要是氮气和氧气)。由于地球绕太阳的偏心率，F_oλ在一年内有稍微的变化，计算公式源于Gregg和Carder(1990)。

散射单色光通量I_sλ(λ)考虑传播过程中瑞利散射I_r(λ)和气溶胶散射I_a(λ)，地表和大气间的多次反射I_g(λ).I_sλ(λ)公式为：

I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)

上述中大气水汽含量、气溶胶光学厚度、臭氧含量、地表气压、地表反照率等参数都来源于MODIS产品。在计算PAR的过程中，氧气吸收系数、臭氧吸收系数以及气溶胶吸收系数的取值根据大气上界的可见光波段的太阳辐射能量分布以及各吸收系数在可见光波段的分布，进行加权平均估算出在整个可见光波段的各大气成分的平均吸收系数。

基于DEM的地形影响因子的计算

由于上述计算方法没有考虑到地形起伏对于太阳辐射接收的影响。在丘陵、山区等复杂地形条件下，太阳辐射深受地表起伏形态的影响，使得复杂地形的各部位接受到的太阳辐射能量有很大的差异，所以在利用卫星遥感资料计算地表太阳辐射能量是必须考虑地形的影响。

图2是复杂地形上地表太阳入射辐射的示意图，如图2所示，起伏地形对地面接收到的太阳辐射能量影响主要有三个方面：(1)地形起伏改变了同一时刻太阳光线实际入射地表面各处的角度，即坡度的影响。另外，坡度相同的地表表面又因坡向不同接收到不等量的太阳辐射。同时，周围地形可能产生遮蔽作用，使得地表接收不到直接辐射；(2)地表接收的天空散射辐射随坡面在水平面上半球空间天空视角的变化而不同；(3)周围起伏坡面也反射太阳直接辐射和天空散射辐射而产生附加辐射效应。因此，计算起伏地形下的太阳辐射，需要借助数字地形模型(Digital Elevation Model，DEM)，综合考虑地形坡面的坡度、坡向和邻近地形的遮蔽、反射作用，较为准确地计算下垫面实际接收到的太阳辐射能量。

1)地形对太阳直接辐射的影响

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中i是太阳直射光线

与地表坡面法线

的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向。S和A可由DEM计算得到。Z_s和A_s可从MODIS数据中读取。当i＜90°时，根据太阳光入射方向和地表坡面法线方向计算得到该地接收到的太阳直射辐射；当i≥90°时，表示该地完全被周围地形遮蔽，因此没有直射辐射。

2)地形对天空散射辐射的影响

复杂地形下天空散射辐射I_dif是利用天空视角因子Φ_sky对平坦地形下天空散射辐射I_sλ进行订正获得：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角。地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0。

利用Yokoyama et al.(2002)提出的“positive openness”来代替天空视角。图3是DEM的矩阵图，如图3所示，DEM可以看作是数组，每个数据之间有固定的间隔，即DEM的空间分辨率。图3中每个圆圈表示DEM中的一个像元，每个像元可以表示成(i，j，H)，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度。DEM中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的几何关系：

两点之间的距离定义为P，计算公式为：

$P=M\sqrt{{(i_A-i_B)}^2+{(j_A-j_B)}^2}$

A和B之间的高度角定义为θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

当H_A＜H_B时，θ为正值；当H_A＞H_B时，θ为负值。由于大地是弯曲的表面，通常需要考虑地球表面的曲率对P和θ的影响，但由于这里研究区域相对于整个地球面积很小，因此忽略地球曲率的影响。计算天空视角是把水平方位平均分为八个方向，分别计算每个方向上的最小天空视角，然后对八个方向进行平均。天空视角的计算公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L$

A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，其中D表示方位角，L表示方位半径。_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

3)邻近地形附加辐射

Dozi er et al.(1990)提出简化的近似计算方法来计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj。该方法只考虑地形坡度、天空视角因子以及周围地形的平均反射作用：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性(周围坡面远近不同且坡度、坡向各异)，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应。ρ_mean为邻近地形的平均反射率，可从MODIS产品获取。

因此考虑了地形因子的太阳下行单色光辐射强度的计算公式为

I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj

PAR时间尺度上的扩展算法

由于遥感信息大多以影像图表达，它具有二维空间的特点，对区域性信息的了解有其独特的优越性，但是它是一个瞬间信息。因此反演的PAR为瞬间信息需扩展成为日值。根据生态模型的输入要求，PAR的日分布值更具有应用价值。

太阳辐射是周期变化的，它的瞬时值和最大值有如下函数关系：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期。t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m。由于多次实地观测数据证明，在一个固定的地区，PAR与太阳总辐射能的比率基本上是长期不变，因此PAR的周期变化函数同太阳总辐射的变化函数一样。对上式进行时间积分：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

式中S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期，则PAR日值计算如下：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}$

式中：PAR为光合辐射瞬时值，PAR_d为光和有效辐射日值。

相应于本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法，还提供一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的系统，图4是本发明的提高光合有效辐射计算精度的系统的结构示意图，如图4所示，所述系统，包括：

复杂地形下太阳单色光辐射强度的计算模块1，用于引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

瞬时光合有效辐射计算模块2，用于根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射强度I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

光和有效辐射日值计算模块3，根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

所述复杂地形下单色光辐射强度计算模块1，包括：

直射光通量计算模块11，用于计算直射光通量I_dλ：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ；

其中，F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)，T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率；

散射光通量计算模块12，用于计算散射光通量I_sλ(λ)：

I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)；

其中，I_r(λ)为瑞利散射，I_a(λ)为气溶胶散射，I_g(λ)为地表和大气间的多次反射；

附加辐射计算模块13，用于计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应，ρ_mean为邻近地形的平均反射率；

直接辐射计算模块14，用于计算复杂地形下的太阳直接辐射I_dir：

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中，i是太阳直射光线

与地表坡面法线

的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向；

散射辐射计算模块15，用于计算复杂地形下天空散射辐射I_dif：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角，地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0；

复杂地形下太阳单色光辐射强度合计模块16，用于根据所述太阳直接辐射I_dir、天空散射辐射I_dif和附加辐射I_adj，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj。

所述天空散射辐射计算模块16，包括：

距离计算模块151，用于计算所述数字地形模型中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的距离P，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度：

高度角计算模块152，用于计算所述两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的高度角θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

天空视角计算模块153，用于计算天空视角A_sky，公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L;$ A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

其中，_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，表示方位角，L表示方位半径，_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

所述光和有效辐射日值统计模块3，包括：

太阳辐射瞬时值计算模块31，用于计算太阳辐射瞬时值：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期，t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m；

太阳辐射日总量计算模块32，用于根据所述太阳辐射瞬时值S_i，计算太阳辐射日总量：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

其中，S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期；

光合有效辐射的日值计算模块33，用于根据所述太阳辐射日总量S_d，计算光合有效辐射的日值：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}.$

采用本发明的基于地形影响下的PAR的计算精度分析

图5是长白山地区不考虑地形因子模型反演的瞬时PAR示意图；图6是长白山地区考虑地形因子模型反演的瞬时PAR示意图；图7是长白山地区因地形因子产生的相对辐射误差示意图；以长白山地区北京时间2006年9月23日11:55的瞬时光合有效辐射为例分析是否考虑地形因子对计算光合有效辐射的影响。从图5可以看到，当假设地形平坦时，模型计算得到的瞬时PAR整体分布较均匀，高值区到低值区之间的过渡为渐变方式，这是因为模型中考虑影响瞬时PAR的主要因子为大气状况，大气状况的空间变化是渐变的。

而从图6可以看到瞬时PAR明显地突变，即没有明显地高值区和低值区，而是普遍出现个别像元远远低于周围像元，这是因为考虑地形起伏作用之后，由于周围地形的遮蔽会使得部分地区获得的直接辐射大大减少或完全没有。不考虑地形因子模型反演的瞬时PAR(图5)与加入地形因子后模型反演的瞬时PAR(图6)之间的相对辐射误差I_r(图7)范围在0-40％之间。图7反映出的地形因子影响主要是：地势低洼地区瞬时PAR大大减少，海拔高的山峰的瞬时PAR基本变化不大。

由上面可见，在计算PAR时，加入地形影响和不加地形影响，反演的PAR值差异明显，加入地形后反演的PAR的精度明显提高。

本发明的有益效果在于：

1.采用本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，能够得到高精度高分辨的PAR，为区域土地净生产力的计算及区域农业估产提供技术支持；

2.本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，利用在遥感软件ENVI中加入插件的方式，结合IDL语言编程，实现对MODIS各级产品方便、有效的处理，其实现方法可兼容各级MODSI产品，用户界面简明，处理功能全面，批处理方便，为建立基于遥感的作物长势和产量监测平台提供算法支持；

3.本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，基于大气辐射传输模型，利用MODIS大气和地表产品反演高精度复杂地形下光合有效辐射参量。通过引入影响削减光合有效辐射的五个主要因子(瑞利散射、臭氧和水汽吸收、气溶胶散射以及地表和大气间的多次反射)，提供PAR的估算精度，为区域生产和科学研究提供高精度的算法支持；

4.本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，针对便于免费下载使用的MODIS数据开发，在充分考虑地形及大气影响因子的基础上，通过参数简化，便于使用和操作；

5.本发明的一种提高光合有效辐射(PAR)计算精度的方法和系统，能够实现高时空分辨率的光合有效辐射的估算，能够较好地反映其空间分布特征，可为生态过程模式模拟和碳循环研究提供参数和算法支持，为区域估产平台的建设提供技术。

通过结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其它方面及特征对本领域的技术人员而言是显而易见的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为其只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。

Claims (8)

1.一种提高光合有效辐射计算精度的方法，其特征在于，所述方法，包括下列步骤：

步骤100.引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

步骤200.根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射强度I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

步骤300.根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

2.根据权利要求1所述的提高光合有效辐射计算精度的方法，其特征在于，所述步骤100，包括下列步骤：

步骤110.计算直射光通量I_dλ：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ；

其中，F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)，T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率；

步骤120.计算散射光通量I_sλ(λ)：I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)；

其中，I_r(λ)为瑞利散射，I_a(λ)为气溶胶散射，I_g(λ)为地表和大气间的多次反射；

步骤130.计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应，ρ_mean为邻近地形的平均反射率；

步骤140.计算计算复杂地形下的太阳直接辐射I_dir：

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中，i是太阳直射光线

与地表坡面法线

的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向；

步骤150.计算复杂地形下天空散射辐射I_dif：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角，地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0；

步骤160.根据所述太阳直接辐射I_dir、天空散射辐射I_dif和附加辐射i_adj，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj。

3.根据权利要求2所述的提高光合有效辐射计算精度的方法，其特征在于，所述步骤150，包括如下步骤.

步骤151.计算所述数字地形模型中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的距离P，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度：

步骤152.计算所述两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的高度角θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

步骤153.计算天空视角A_sky，公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L;$ A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

其中，_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，表示方位角，L表示方位半径，_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

4.根据权利要求1所述的提高光合有效辐射计算精度的方法，其特征在于，所述步骤300，包括下列步骤：

步骤310.计算太阳辐射瞬时值：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期，t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m；

步骤320.根据所述太阳辐射瞬时值S_i，计算太阳辐射日总量：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

其中，S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期；

步骤330.根据所述太阳辐射日总量S_d，计算光合有效辐射的日值：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}.$

5.一种提高光合有效辐射计算精度的系统，其特征在于，所述系统，包括：

复杂地形下太阳单色光辐射强度计算模块，用于引进数字地形模型地形影响因子，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj，λ为真空中的波长；

瞬时光合有效辐射计算模块，用于根据所述复杂地形下太阳下行单色光辐射强度I_λ，计算复杂地形下瞬时光合有效辐射：

光和有效辐射日值计算模块，根据所述瞬时光合有效辐射PAR，扩展成为光和有效辐射日值PAR_d。

6.根据权利要求5所述的提高光合有效辐射计算精度的系统，其特征在于，所述复杂地形下太阳单色光辐射强度计算模块，包括：

直射光通量计算模块，用于计算直射光通量I_dλ：

I_dλ＝F_oλcosθT_rλT_aλT_wλT_oλT_uλ；

其中，F_oλ是经过日地距离纠正的瞬时大气层外太阳辐射(Wm^-2μm^-1)，T_rλ是瑞利散射透过率，T_aλ是气溶胶透过率，T_wλ是水汽吸收透过率，T_oλ是氧气吸收透过率，T_uλ是混合气体吸收透过率；

散射光通量计算模块，用于计算散射光通量I_sλ(λ)：I_sλ(λ)＝I_r(λ)+I_a(λ)+I_g(λ)；

其中，I_r(λ)为瑞利散射，I_a(λ)为气溶胶散射，I_g(λ)为地表和大气间的多次反射；

附加辐射计算模块，用于计算邻近地形以反射作用产生的附加辐射I_adj：

I_adj＝C_tρ_mean(I_sλ+I_dλ)

$C_t=\left[\frac{1+\cos S}{2}\right]-{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}$

其中C_t为地形结构参数，包括了该种反射辐射的各向异性特性，也包括了计算坡元与可见的周围坡元之间的几何效应，ρ_mean为邻近地形的平均反射率；

直接辐射计算模块，用于计算复杂地形下的太阳直接辐射I_dir：

$\cos i=\stackrel{\→}{S}\·\stackrel{\→}{N}=\left[\begin{array}{c}{\sin Z}_s{\cos A}_s\\ {\sin Z}_s\sin A_s\\ {\cos Z}_s\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\sin S\cos A\\ \sin S\sin A\\ \cos S\end{array}\right]$

其中，i是太阳直射光线

与地表坡面法线

的夹角，Z_s是太阳天顶角，A_s是太阳方位角，S是地表坡度，A是地表坡向；

散射辐射计算模块，用于计算复杂地形下天空散射辐射I_dif：

I_dif＝I_sλ·Φ_sky

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}=\frac{A_{\mathrm{sky}}}{\frac{\mathrm{\π}}{2}},{\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{sky}}\∈\left[\mathrm{0,1}\right]$

其中，A_sky为天空视角，地面平坦时，A_sky＝π/2，天空视角因子Φ_sky＝1；当地面为下凹时，A_sky＜π/2，Φ_sky＜1；完全遮蔽时，A_sky＝0，Φ_sky＝0；

复杂地形下太阳单色光辐射强度合计模块，用于根据所述太阳直接辐射I_dir、天空散射辐射I_dif和附加辐射I_adj，计算复杂地形下太阳下行单色光辐射强度：I_λ＝I_dir+I_dif+I_adj。

7.根据权利要求6所述的提高光合有效辐射计算精度的系统，其特征在于，所述散射辐射计算模块，包括：

距离计算模块，用于计算所述数字地形模型中任意两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的距离P，其中i和j分别表示该点在数组中的行列序号，H表示该点海拔高度：

高度角计算模块，用于计算所述两点A(i_A，j_A，H_A)和B(i_B，j_B，H_B)之间的高度角θ，计算公式为：

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left\{\frac{(H_B-H_A)}{P}\right\}$

天空视角计算模块，用于计算天空视角A_sky，公式为：

$\mathrm{\φ}_L^D=\frac{\mathrm{\π}}{2}{-}_D{\mathrm{\β}}_L;$ A_sky＝(₀φ_L+₄₅φ_L+...+₃₁₅φ_L)/8

其中，_Dφ_L为D-L坐标系中的天顶角，表示方位角，L表示方位半径，_Dβ_L等于格点在半径L方位内在D方位上的最大高度角θ。

8.根据权利要求4所述的提高光合有效辐射计算精度的系统，其特征在于，所述光和有效辐射日值统计模块，包括：

太阳辐射瞬时值计算模块，用于计算太阳辐射瞬时值：

$S_i=S_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)$

其中，S_i为某一时刻的太阳辐射瞬时值，S_m为中午的太阳辐射最大值，N为太阳升起和落下的周期，t为时间变量，t＝N/2时，S_i＝S_m；

太阳辐射日总量计算模块，用于根据所述太阳辐射瞬时值S_i，计算太阳辐射日总量：

$S_d={\∫}_0^N{S}_m\sin \left(\frac{\mathrm{\πt}}{N}\right)\mathrm{dt}=\frac{2N}{\mathrm{\π}}{S}_m$

其中，S_d为日总量，式中的N值取决于纬度及在一年中的日期；

光合有效辐射的日值计算模块，用于根据所述太阳辐射日总量S_d，计算光合有效辐射的日值：

${\mathrm{PAR}}_d=\frac{S_d}{S_i}\mathrm{PAR}.$

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