CN104568145A - 一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法，所述系统包括距离植被冠层顶部第一设定距离，且位于植被冠层上方的第一光合有效辐射采集单元；距离地面第二设定距离的第二光合有效辐射采集单元；接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集数据的数据采集器。本发明可实现自动观测和记录，这样能够减少人工测量的成本，以及人工测量中的误差和人为干扰，并能够获取实时、长时间序列的数据，在保证通用性强，使用简便，精度高的前提下，实时、自动、连续观测植被冠层光合有效辐射吸收比例。

Description

一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法
技术领域
本发明涉及植物遥感技术领域，更具体涉及一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法。
背景技术
植被吸收光合有效辐射占到达植被冠层顶部的光合有效辐射的比例称之为光合有效辐射吸收比例(Fraction of AbsorbedPhotosynthetically Active Radiation,FPAR)。FPAR是光能利用率模型反演总第一性生产力(Gross Primary Productivity,GPP)的重要输入参数，FPAR也可作为植被覆盖及变化的指标。常见的FPAR反演方法是利用归一化植被指数NDVI和MODIS增强植被指数(Enhanced VegetationIndex,EVI)获取。在一定范围内，FPAR与NDVI之间存在线性关系。如CASA模型中FPAR采用了对NDVI线性拉伸模型，然而FPAR与各类植被指数相关关系成立的条件十分苛刻，不具有普遍适用性，再加上NDVI的饱和现象，也会降低FPAR反演的精度。除了通过建立各类植被指数与FPAR间关系来计算FPAR，学者们也在探讨从辐射传输机理出发给出FPAR的表达式。其中NASA的FPAR产品算法中的主要算法是基于三维辐射传输模型描述冠层的光谱和方向特性，考虑到植被冠层内辐射传输的特殊性，把三维辐射传输模型分解为两个子模型：考虑冠层内辐射场为黑体背景时的辐射以及单独考虑冠层底各向异性发射源的辐射，冠层反射率和吸收率认为是两者的加权平均，这种计算方法的精确度不高。Chen等也基于辐射传输理论建立了FPAR与地表反照率、冠层孔隙率以及LAI的方程，模型中考虑了土壤背景反射的光合有效辐射被冠层吸收的部分，并将该方法用于反演NPP的模型之中，但此种方法并为考虑到植被冠层对光合有效辐射的反射，是的计算结构也存在一定的不准确性。陶欣结合辐射传输模型以及几何光学模型给出了FPAR的表达式，此种方法的参数获取难度大，并且计算过程复杂。另外现有的光合有效辐射吸收比例的观测方法均通过手持设备实现，不能实时、自动以及连续观测，因此不能得到FPAR的日变化、季变化的数据等，为FPAR的验证和精度评价带来一定的局限性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在保证通用性强，使用简便，精度高的前提下，实时、自动、连续观测植被冠层光合有效辐射吸收比例。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统，包括距离植被冠层顶部第一设定距离，且位于植被冠层上方的第一光合有效辐射采集单元；距离地面第二设定距离的第二光合有效辐射采集单元；接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集数据的数据采集器；
所述第一光合有效辐射采集单元用于采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射；所述第二光合有效辐射采集单元用于采集土壤背景反射的第三光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；所述数据采集器根据接收的数据计算得到光合有效辐射吸收比例。
优选地，所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
优选地，所述第一光合有效辐射采集单元的数量为一个。
优选地，所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
5优选地，所述第二光合有效辐射采集单元的数量为一个或一个以上。
优选地，所述数据采集器设置网络传输模块，用于与外部终端通过有线或无限的方式进行通讯。
优选地，所述第一设定距离为40cm～50cm；所述第二设定距离为5～10cm。
一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测方法，所述方法包括以下步骤：
S1、在植被冠层上方，距离植被冠层顶部第一设定距离处架设第一光合有效辐射采集单元，在距离地面第二设定距离处架设第二光合有效辐射采集单元；
S2、所述第一光合有效辐射采集单元采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射，并传递给所述数据采集器；
S3、所述第二光合有效辐射采集单元采集土壤背景反射的第三光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；并传递给所述数据采集器；
S4、所述数据采集器用于实时接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集到的数据，并计算得到光合有效辐射吸收比例。
优选地，所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置；
所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
优选地，所述数据采集器计算所述光合有效辐射吸收比例的方法具体包括以下步骤：
S41、计算土壤背景吸收的光合有效辐射Ls，具体为：
Ls＝Lsoil1-Lsoin2
其中，Lsoil1表示所述土壤背景接收到的第四光合有效辐射，Lsoin2表示所述土壤背景反射的第三光合有效辐射；
S42、计算植被冠层吸收的光合有效辐射Lv，具体为：
Lv＝Lcan1-Lcan2-Ls
其中，Lcan1表示所述植被冠层接收到的第二光合有效辐射，Lcan2表示植被冠层反射的第一光合有效辐射；
S43、计算所述光合有效辐射吸收比例FPAR，具体为：
FPAR＝Lv/Lcan1
。
(三)有益效果
本发明提供了一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统及方法；本发明通过测量冠层顶部以及冠层底部光合有效辐射的方法来计算光合有效辐射吸收比例，可以根据具体实际情况将第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元设在植被冠层的不同位置，本发明可实现自动观测和记录，这样能够减少人工测量的成本，以及人工测量中的误差和人为干扰，并能够获取实时、长时间序列的数据，在保证通用性强，使用简便，精度高的前提下，实时、自动、连续观测植被冠层光合有效辐射吸收比例。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明的一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统的观测示意图；
图2为本发明的一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统中第二光合有效辐射采集单元中的光量子通量传感器安装示意图；
图3为本发明的一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统，包括位于植被冠层上方，距离植被冠层顶部第一设定距离的第一光合有效辐射采集单元；距离地面第二设定距离的第二光合有效辐射采集单元；接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集数据的数据采集器；所述第一光合有效辐射采集单元用于采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射；所述第二光合有效辐射采集单元用于采集土壤背景反射的第三光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；所述数据采集器用于实时接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集到的光合有效辐射数据，并计算得到光合有效辐射比例。
所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。优选地，所述第一光合有效辐射采集单元的数量为一个，也可以根据实际需求设置多个。
所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。优选地，所述第二光合有效辐射采集单元的数量为一个或一个以上。
上述光量子通量传感器为能够探测可见光波段范围的传感器；上述数据采集器需具有较高灵敏度，能够采集到极微弱的电压值。
所述数据采集器设置网络传输模块，用于与外部终端通过有线或无限的方式进行数据通信，以方便数据能够通过无线网络实时传输至数据处理的计算机。
所述第一光合有效辐射采集单元架设高度3.5米，探头距离植被冠层顶部50cm左右为宜。
由于玉米植株为等行距等株距种植，那么最小的测量单元为四株玉米组成的方形区域，为获得玉米植株根部及根部各个方向以及两株玉米之间透射和反射的光合有效辐射的情况，可以如图2所示设计底部第二光合有效辐射采集单元的架设，其中1-9的第二光合有效辐射采集单元均分别架设朝下及朝上的光量子通量传感器各一个，架设的高度不要高于地面10cm。架设采集单元的支架尽量细小坚固，尽可能减少支架反射的影响进入光量子通量传感器的观测视角内。冠层底部的采集单元测量数据的平均值，作为植被冠层底部的透过和土壤背景反射的光合有效辐射的值。
优选地，所述第一设定距离为40cm～50cm；所述第二设定距离为5～10cm。
本发明还公开了一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤：
S1、在植被冠层上方，距离植被冠层顶部第一设定距离处架设第一光合有效辐射采集单元，在距离地面第二设定距离处架设第二光合有效辐射采集单元；
S2、所述第一光合有效辐射采集单元采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射，并传递给所述数据采集器；
S3、所述第二光合有效辐射采集单元采集土壤背景反射第三的光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；并传递给所述数据采集器；
S4、所述数据采集器用于实时接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集到的光合有效辐射数据，并计算得到光合有效辐射比例。
所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。优选地，所述第一光合有效辐射采集单元的数量为一个，也可以根据实际需求设置多个。
所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。优选地，所述第二光合有效辐射采集单元的数量为一个或一个以上。
上述光量子通量传感器为能够探测可见光波段范围的传感器；上述数据采集器需具有较高灵敏度，能够采集到极微弱的电压值。
所述数据采集器设置网络传输模块，用于与外部终端通过有线或无限的方式进行数据通信，以方便数据能够通过无线网络实时传输至数据处理的计算机。
所述第一光合有效辐射采集单元架设高度3.5米，探头距离植被冠层顶部50cm左右为宜。
由于玉米植株为等行距等株距种植，那么最小的测量单元为四株玉米组成的方形区域，为获得玉米植株根部及根部各个方向以及两株玉米之间透射和反射的光合有效辐射的情况，可以如图2所示设计底部第二光合有效辐射采集单元的架设，其中1-9的第二光合有效辐射采集单元均分别架设朝下及朝上的光量子通量传感器各一个，架设的高度不要高于地面10cm。架设采集单元的支架尽量细小坚固，尽可能减少支架反射的影响进入光量子通量传感器的观测视角内。冠层底部的采集单元测量数据的平均值，作为植被冠层底部的透过和土壤背景反射的光合有效辐射的值。
优选地，所述第一设定距离为40cm～50cm；所述第二设定距离为5～10cm。
所述数据采集器计算所述有效辐射比例的方法具体包括以下步骤，如图1所示：
S41、计算土壤背景吸收的光合有效辐射Ls，具体为：
Ls＝Lsoil1-Lsoin2
其中，Lsoil1表示所述土壤背景接收到的第四光合有效辐射，Lsoin2表示所述土壤背景反射的第三光合有效辐射；
S42、计算植被冠层吸收的光合有效辐射Lv，具体为：
Lv＝Lcan1-Lcan2-Ls
其中，Lcan1表示所述植被冠层接收到的第二光合有效辐射，Lcan2表示植被冠层反射的第一光合有效辐射；
S43、计算所述有效辐射比例FPAR，具体为：
FPAR＝Lv/Lcan1
。
本发明是根据光合有效辐射吸收比例的定义，通过测量冠层底部(地面)以及冠层顶部光合有效辐射的方法来计算光合有效辐射吸收比例。本发明可以根据具体实际情况将第一光合有效辐射采集单元以及第二光合有效辐射采集单元设在植被冠层的不同位置，同时根据光合有效辐射的特点，植被冠层顶部只需架设一个第一光合有效辐射采集单元即可。数据通过数据采集器的方式进行采集和记录，通过无线网络传输，本发明的装置一经安装和调试完成后，可实现自动观测和记录，这样能够减少人工测量的成本，以及人工测量中的误差和人为干扰，并能够获取实时、长时间序列的数据。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测系统，其特征在于，包括距离植被冠层顶部第一设定距离，且位于植被冠层上方的第一光合有效辐射采集单元；距离地面第二设定距离的第二光合有效辐射采集单元；接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集数据的数据采集器；
所述第一光合有效辐射采集单元用于采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射；所述第二光合有效辐射采集单元用于采集土壤背景反射的第三光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；所述数据采集器根据接收的数据计算得到光合有效辐射吸收比例。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一光合有效辐射采集单元的数量为一个。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二光合有效辐射采集单元的数量为一个或一个以上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，所述数据采集器设置网络传输模块，用于与外部终端通过有线或无限的方式进行通讯。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一设定距离为40cm～50cm；所述第二设定距离为5～10cm。
8.一种植被冠层光合有效辐射吸收比例的观测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在植被冠层上方，距离植被冠层顶部第一设定距离处架设第一光合有效辐射采集单元，在距离地面第二设定距离处架设第二光合有效辐射采集单元；
S2、所述第一光合有效辐射采集单元采集植被冠层反射的第一光合有效辐射以及植被冠层接收到的第二光合有效辐射，并传递给所述数据采集器；
S3、所述第二光合有效辐射采集单元采集土壤背景反射的第三光合有效辐射以及土壤背景接收到的第四光合有效辐射；并传递给所述数据采集器；
S4、所述数据采集器用于实时接收所述第一光合有效辐射采集单元、第二光合有效辐射采集单元采集到的数据，并计算得到光合有效辐射吸收比例。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置；
所述第二光合有效辐射采集单元包括两个光量子通量传感器，其中一个所述光量子通量传感器的探头朝上设置，另一个所述光量子通量传感器的探头朝下设置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述数据采集器计算所述光合有效辐射吸收比例的方法具体包括以下步骤：
S41、计算土壤背景吸收的光合有效辐射Ls，具体为：
Ls＝Lsoil1-Lsoin2
其中，Lsoil1表示所述土壤背景接收到的第四光合有效辐射，Lsoin2表示所述土壤背景反射的第三光合有效辐射；
S42、计算植被冠层吸收的光合有效辐射Lv，具体为：
Lv＝Lcan1-Lcan2-Ls
其中，Lcan1表示所述植被冠层接收到的第二光合有效辐射，Lcan2表示植被冠层反射的第一光合有效辐射；
S43、计算所述光合有效辐射吸收比例FPAR，具体为：
FPAR＝Lv/Lcan1。
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