CN103971011A - 全球陆地植被生物量变化监测方法 - Google Patents

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Hong Kong Asia Cosmeceutical Research Institute
National Meteorological Information Center
Tianjin University
Institute of Agricultural Resources and Regional Planning of CAAS
University of Hong Kong HKU
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Beijing Qicai Weiye Digital Technology Co ltd
Core Technology Center For Exit And Entry Certificates Of Ministry Of Public Security
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Abstract

本发明涉及一种全球陆地植被生物量变化监测方法，能够应用在气候变化研究、环境监测、土地管理、农情监测、以及灾害监测等遥感应用部门。该方法包含三个步骤：第一步骤是对原始数据进行处理和空间插值处理，然后用等式1对Terra卫星上MODIS的GPP/NPP产品计算空间平均值。第二个步骤是计算全球或者区域植被平均生物量状况。第三步骤是利用第二步计算的全球或者区域植被平均生物量值进一步计算全球或者区域植被生物量变化趋势，对全球或者区域植被生物量变化进行时空变化分析。全球分析表明，全球生物量整体下降趋势。

Description

全球陆地植被生物量变化监测方法
技术领域
本发明涉及一种利用对地观测卫星上MODIS Gross/Net Primary Production (GPP/NPP)产品监测全球生物量变化的方法，从而有利于人类了解全球陆地不同区域的生物量变化情况，从而采取相应措施，该方法突破了传统方法利用站点对局部观测的局限，直观地展示全球陆地不同区域生物量变化情况。能够应用在气象、农业、环境监测等部门。
背景技术
陆地植被生产力是人类主要食物，纤维和燃料的最原始材料。定量计算全球植被的生物量变化，对预测气候变化、减缓和适应气候变化，研究全球碳循环与气候变化具有非常重要的意义。传统方法是通过直接或间接测定全球植被的生产力与生物现存量，再乘以不同植被生物量中碳元素的含量推算而得。由于全球植被观测受时间和空间，以及地表情况的影响，全球地面观测站点数量有限，而且不是均匀分布，特别是在山区和极低地区，地面观测和分类插值得到的结果不是非常好，精度不是很高[Aber, J.D., Melillo, J.M., Nadelhoffer, K.J., Pastor, J. and Boone, R.D., 1991. Factors controlling nitrogen cycling and nitrogen saturation in northern temperate forest ecosystems. Ecological Applications, 1(3): 303-315. Baldocchi, D., Hicks, B.B. and Meyers, T.P., 1988. Measuring biosphere-atmosphere exchanges of biologically related gases with micrometeorological methods. Ecology, 69: 1331-1340. Baldocchi, D., Valentini, R., Running, S., Oechel, W. and Dahlman, R., 1996. Strategies for measuring and modeling carbon dioxide and water vapour fluxes over terrestrial ecosystems. Global Change Biology, 2: 159-168.]。这种传统估算方法是基于植被（森林、草地和农作物等）调查数据,相关报道比较多，优点是直接、明确、技术简单，但其耗时耗力,且只能应用于小尺度的研究,难以及时反映全球陆地生态系统碳储量的动态变化[Asrar, G., Fuchs, M., Kanemasu, E.T. and Hatfield, J.H., 1984. Estimating absorbed photosynthetic radiation and leaf area index from spectral reflectance in wheat.Agronomy Journal, 76: 300-306.]。
卫星遥感技术已经被用来监测全球陆地表面，对利用卫星遥感技术监测地表生物量的变化已经有很多研究[Asrar, G., Myneni, R.B. and Choudhury, B.J., 1992. Spatial heterogeneity in vegetation canopies and remote sensing of absorbed photosynthetically active radiation: a modeling study. Remote Sensing of Environment, 41: 85-103.]，已经提出了很多估算算法，美国对地观测卫星提供了GPP/NPP产品[Reeves MR, Zhao M, Heinsch FA and Running SW. (in prep). Characterizing moisture driven rangeland biomass fluctuations using MODIS primary productivity estimates.]。MODIS 遥感器于1999和2002年搭载对地观测卫星发射成功，为全球和区域资源环境动态监测开辟了又一新的途径。MODIS 是一个拥有36个波段的中分辨率遥感系统，每天可获得4次全球观测数据（1:30，10：30，13：30, 22:3），其飞行与太阳同步，并且是免费接收，因此非常适合全球生物量监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种从遥感数据MODIS GPP/NPP产品对全球生物量时空变化进行的方法，以克服现有大区域生物量时空变化监测的实际困难，直观地向人们展示全球不同区域生物量的变化，为气候变化研究提供植被相应的高精度数据，以便人类更好地适用气候变化和应对粮食安全。
为实现上述目的，本发明提供的从遥感数据MODIS GPP/NPP产品估算全球和区域生物量时空变化方法为：
第一步：对原始数据进行处理和空间插值处理，然后用等式1对Terra卫星上MODIS的GPP/NPP产品计算空间平均值
(1)
式中GPP mj 是像元j植被覆盖的平均状况，i是一年中的天数。
第二步：等式2计算全球或者区域植被平均生物量状况
(2)
式中是植被的平均状况，i是每天天数，j是像元数，S(j)像元j面积权重函数，是第i天j象元的植被状态。
第三步:利用第二步计算的全球或者区域植被平均生物量值和式3进一步计算全球或者区域植被生物量变化趋势，对全球或者区域植被生物量变化进行时空变化分析。
（3）
式中GPP_Rate表示植被生物量变化率，k表示第几年，GPPmk 是第k年的植被生物量，n表示这个年份。在MODIS产品中，GPP是以8天为单位进行输出，NPP是以年为单位进行输出。我们在区域估算中，对生物量的估算可以采用以天为计算单位，也可以直接利用8天产品进行计算。NPP直接采用公式3进行变化率计算。
本发明的有益效果是，利用MODIS GPP/NPP产品对全球陆地植被生物量变化进行变化监测分析，有效地克服了以往传统方法站点观测数量不足，分布不均，且校正不一致的缺点。为气候变化研究，粮食安全等监测等提供了有效手段和技术支撑。其操作实用性比传统的利用地面观察站点插值得要简单，面上精度要高。事实上，地面气象观测站也是本方法进一步提高精度的数据重要补充来源，二者结合将大大提高全球植被生物量的变化监测精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是2003-2010年(a)全球陆地植生物量平均分布图,(b)全球陆地植被生物量变化率图
图2是2003至2011年全球陆地植被生物量时间变化率图
图3是2003至2011年世界主要大洲植被生物量变化图（a）北美洲，(b) 南美洲，(c) 亚洲，(d) 非洲
图4是2003至2011年世界主要国家植被生物量变化图（a）中国，(b)俄罗斯，(c)美国，(d)加拿大
具体实施方式
这里提供一个计算2001年至2011年全球平均水汽计算的一个实例：
本实例实现（方法）主要包括三个步骤：
第一步：对原始数据进行处理和空间插值处理，然后用等式1对Terra卫星上MODIS上午(10:30)的GPP/NPP产品计算空间平均值
第二步：等式2计算全球或者区域植被生物量平均生物量状况
第三步:利用第二步计算的全球或者区域植被生物量平均值和式3进一步计算和分析全球或者区域植被生物量变化趋势，对全球或者区域生物量变化进行时空变化分析。
图1是2003-2010年(a)全球陆地植生物量平均分布图,(b)全球陆地植被生物量变化率图，从图1a可以看出，全球生物量最高的地区分布在南美洲北部；从图1b看出，生物增加最明显的地方在南美洲和北高纬度地区，减少最明显的地方是非洲中部。
图2是2003至2011年全球陆地植被生物量时间变化率图，图中可以看出，全球生物量整体呈下降趋势。
图3是2003至2011年世界主要大洲植被生物量变化图（a）北美洲，(b) 南美洲，(c) 亚洲，(d) 非洲，非洲呈明显下降趋势。
图4是2003至2011年世界主要国家植被生物量变化图（a）中国，(b)俄罗斯，(c)美国，(d)加拿大，俄罗斯和加拿大植被生物量呈平稳增加，中国和美国植被生物量波动比较大。

Claims (1)

1. 全球陆地植被生物量变化监测方法，其步骤为：
第一步：对原始数据进行处理和空间插值处理，然后用等式1对Terra卫星上MODIS上午(10:30)的GPP/NPP产品计算空间平均值
(1)
式中GPP mj 是像元j植被覆盖的平均状况，i是一年中的天数；
第二步：等式2计算全球或者区域植被平均生物量状况
(2)
式中是植被的平均状况，i是每天天数，j是像元数，S(j)像元j面积权重函数，是第i天j象元的植被状态；
第三步: 利用第二步计算的全球或者区域植被平均生物量值和式3进一步计算全球或者区域植被生物量变化趋势，对全球或者区域植被生物量变化进行时空变化分析
（3）
式中GPP_Rate表示植被覆盖变化率，k表示第几年，GPPmk 是第k年的植被覆盖状态，n表示这个年份，在MODIS产品中，GPP是以8天为单位进行输出，NPP是以年为单位进行输出， 在区域估算中，对生物量的估算可以采用以天为计算单位，也可以直接利用8天产品进行计算，NPP直接采用公式3进行变化率计算，分析表明，全球生物量整体呈下降趋势。
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