CN110135767A - 基于植被npp和覆盖度的植被生态质量指数构建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,根据植被生长的气候适应性原理和生态服务功能的重要性,在计算植被NPP和覆盖度的基础上,权重加权计算当地或关注区域年植被综合生态质量指数,计算当年植被NPP相对历史最高值的比值,确定植被NPP和覆盖度在综合生态质量指数中的权重,将当年植被NPP从“克碳/平方米*年”转换为相对历史最高值的比值,其值在0~1之间,与数值在0~1之间的植被覆盖度相匹配,解决综合定量计算植被生态质量的问题,比单独用植被NPP或覆盖度定量表达植被生态状况更客观全面,适合整个陆地生态系统植被生态质量的估算,为监测评价植被生态质量、开展生态气象服务提供了重要技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种植被生态质量指数模型,具体涉及一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法。
背景技术
植被净初级生产力(NPP)和植被覆盖度是陆地生态系统的两个最基本的服务功能,国内外进行了广泛研究。但是,目前国内外基本都是针对其单独估算方法的研究和应用,很少看到基于二者估测植被整体生态质量的模型和方法。实际上,一地植被生态质量的高低不能只用植被NPP或植被覆盖度中的一个来表示,还需要综合反映其植被生态质量的高低。
目前,现有技术的研究重点都是如何估算植被NPP或植被覆盖度,如何通过遥感、地面观测等不同手段和方法提升其估算精度。《绿色发展指标体系》中考核的是森林覆盖率和蓄积量、草原综合植被覆盖度;没有考核植被生产力,也没有综合考核植被生态质量。GB/T34814-2017中的草地生态质量指数只适用草地,不适用全国陆地植被。GB/T 34815-2017植被生态质量气象评价指数只有植被NPP指数,没有考虑植被覆盖度,更没有估算植被生态质量的模型。国际上目前也仅是单独基于植被NPP或植被覆盖度,分别评价陆地生态系统的服务功能。
因此,长期以来,如何把植被NPP和植被覆盖度有机地组合成一个反映植被综合生态质量的指数一直是个难题。
发明内容
本发明提供了一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,目的是将两个反映生态系统最基本服务功能的特征量-植被NPP和植被覆盖度,构建成一个合理的综合生态质量指数模型,实现由点到面、由乡到县到省到全国或全球区域尺度植被生态质量的综合评价,而不是现在的分别用植被NPP和植被覆盖度的单独评价,解决时空对比上存在的植被NPP相同但植被覆盖度不同或植被覆盖度相同而植被NPP不同的问题,实现植被生态质量的定量计算和时空监测评价。
本发明具体方案如下:
一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、确定关注地域和关注年限:标记需要进行植被生态质量指数构建的地域为关注地域,需要进行植被生态质量指数构建的年限为关注年限;
步骤二、收集关注地域内与植被生态质量有关的基础数据并进行数据预处理;
步骤三、根据关注地域的地域特点和植被类型,评估全年植被净初级生产力和全年平均植被覆盖度在关注地域陆地生态系统中的重要性,依据重要性确定两者的权重系数f1和f2,,其中f1和f2之和为1;
步骤四、依据收集的数据,计算关注地域关注年限内第i年逐月植被净初级生产力和逐月植被覆盖度,计算全年植被净初级生产力NPPi和全年平均植被覆盖度FVCi;
步骤五、依据步骤四的计算结果,获取关注地域关注年限内的全年植被净初级生产力的历史最高值NPPmax;
步骤六、计算第i年全年植被综合生态质量指数Qi,Qi的取值范围为0~100,值越大表示植被生态质量越高,其计算公式为:
式中,Qi为关注地域第i年的全年植被综合生态质量指数;
NPPi为关注地域第i年的全年植被净初级生产力;
NPPmax为关注地域的全年植被净初级生产力的历史最高值;
FVCi为关注地域第i年的全年平均植被覆盖度;
f1为关注地域的全年植被净初级生产力的权重系数;
f2为关注地域的全年平均植被覆盖度的权重系数。
其中,所述步骤二中,基础数据包括遥感得到的归一化差值植被指数(NDVI)数据、地面生态观测数据和地面气象数据,以及土地利用、植被类型、土壤质地、海拔高度和行政区域数据。
进一步的,所述地域为确定的地点或区域。
进一步的,所述步骤六中,所述关注地域为县级及其以上的范围,植被净初级生产力的权重系数f1为0.5,相应的,覆盖度的权重系数f2为0.5。
进一步的,所述步骤六中,所述关注地域为县级以下植被的覆盖度在地表生态环境中起60%及以上作用的地区,植被净初级生产力的权重系数f1为0.4,相应的,覆盖度的权重系数f2为0.6。
进一步的,所述步骤四中,全年植被净初级生产力NPPi取第i年全年各月净初级生产力的总和得到,其值在0~2000克碳/每平方米之间;全年平均植被覆盖度FVCi通过取第i年全年各月植被覆盖度的平均值得到,其值在0~1之间。
进一步的,所述步骤五中,关注地域的全年植被净初级生产力的历史最高值NPPmax是关注地域关注年限内最优气候条件下的全年植被净初级生产力,由步骤四中关注年限内的逐年植被净初级生产力取其最大值得到。
进一步的,所述步骤一中,关注年限至少为连续的10年。
作为本发明的优化技术方案,还包括以下步骤:
步骤七、重复步骤六,逐年计算关注年限中每一年的植被综合生态质量指数;
步骤八、进行植被综合生态质量指数的年际对比,分析年际变化;
步骤九、开展结果统计或出版制图,进行植被生态质量监测评价产品的生产或开展交叉技术研究。
最后,所述步骤四中,逐月植被净初级生产力NPPi的计算模型为利用卫星归一化差值植被指数(NDVI)数据和气象数据的依据植被光能利用率理论计算的NPP模型。
本发明根据植被生长的气候适应性原理和生态服务功能的重要性,把植被NPP从单位为“克碳/平方米*年”变为0~1之间无量纲的数值,然后与数值在0~1之间无量纲植被覆盖度采用权重加权平均,来构建植被综合生态质量指数模型。
与现有技术相比,本发明的技术优势在于:
(1)解决了以往不能通过植被NPP和植被覆盖度综合定量计算植被生态质量的问题,其解决的方法主要是把植被NPP和植被覆盖度有机地构建成一个植被综合生态质量指数模型,计算的生态质量指数在0~100之间变化,比单独用植被NPP或植被覆盖度定量表达植被生态状况更为客观、全面。
(2)植被NPP和植被覆盖度的综合,采用的是权重加权综合,体现了二者在生态服务功能方面的重要性;根据植被生长的气候适应性原理,得到了一地最好气候条件下的最大植被NPP,解决了该地当年植被NPP占其当地历史最大植被NPP的比值问题,该比值可以作为当地该年植被NPP的相对高低,其值在0~1之间变化,实现了一地植被NPP由其单位为克碳/平方米*年的表达到用0~1的表达,也实现了与植被覆盖度的匹配表达。
综上,本发明提供了一个适合整个陆地生态系统的植被生态质量估算的综合模型,即基于陆地植被NPP和植被覆盖度的加权模型,给出0~100的植被生态质量数值,以定量表达植被生态质量的高低或优劣。该模型在全国生态气象业务服务中进行了试验,应用效果良好。利用本技术,可以逐年开展全国甚至全球范围的植被生态质量定量计算、时空变化综合监测评价。
附图说明
通过结合以下附图所作的详细描述,本发明的上述和/或其他方面和优点将变得更清楚和更容易理解,这些附图只是示意性的,并不限制本发明,其中:
图1为本发明涉及的模型构建方法的整体流程图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图描述本发明的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法的实施例。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式,用于说明本发明的构思,均是解释性和示例性的,不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外,本领域技术人员还能够基于本发明权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案,这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。本说明书的附图为示意图,辅助说明本发明的构思,示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意,为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构,各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。长期以来,如何把植被NPP和植被覆盖度有机地组合成一个反映植被综合生态质量的指数模型一直是个难题。本发明的技术方案是根据植被生长的气候适应性原理和生态服务功能的重要性,把植被NPP从单位为“克碳/平方米*年”转换为0~1之间无量纲数值,与数值在0~1之间无量纲植被覆盖度采用权重加权平均,来构建植被综合生态质量指数模型。具体如下:
一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、确定关注地域和关注年限:标记需要进行植被生态质量指数构建的地域为关注地域,需要进行植被生态质量模型构建的年限为关注年限;
步骤二、收集关注地域内有关植被生态质量的各种数据并进行数据预处理;如遥感得到的NDVI数据、地面观测的生态数据和地面气象数据,以及植被类型、土壤质地、、海拔高度和行政区域数据等基础背景数据;
步骤三、根据关注地域的地域特点和植被类型,评估植被净初级生产力和植被覆盖度在陆地生态系统的重要性,依据重要性确定两者的权重系数f1和f2,,其中f1和f2之和为1;
步骤四、依据收集的数据,计算关注地域关注年限内第i年全年植被净初级生产力NPPi和全年平均植被覆盖度FVCi。全年植被净初级生产力NPPi通过取第i年全年各月净初级生产力的求和得到,其值一般在0~2000克碳/每平方米之间;植被覆盖度用全年12个月的植被覆盖度算术平均作为年植被覆盖度。
步骤五、由步骤四中关注年限内的逐年植被净初级生产力取其最大值得到全年植被净初级生产力的历史最高值NPPmax;
步骤六、计算第i年全年植被综合生态质量指数Qi,Qi的取值范围为0~100,值越大表示植被生态质量越高,计算公式为:
其中,FVCi为关注地域第i年12个月植被覆盖度的平均值;
NPPi为关注地域第i年全年植被净初级生产力;
NPPmax为关注地域的全年植被净初级生产力的历史最高值;
f1为关注地域的全年植被净初级生产力的权重系数;
f2为关注地域的全年平均植被覆盖度的权重系数。
式(1)中,Qi为第i年全年的植被综合生态质量指数,其值在0~100之间;f1为年植被NPP的权重系数(根据区域及其植被类型进行调整,全国取0.5);f2为全年平均植被覆盖度的权重系数(根据区域及其植被类型进行调整,全国取0.5);FVCi为第i年全年各月植被覆盖度的平均值,反映年植被覆盖的平均状况,其值在0~1之间;NPPi为第i年全年植被NPP;NPPmax为全年植被NPP的历史最高值,即当地最好气候条件下的年植被NPP;进行植被综合生态质量空间对比时,NPPmax为该空间区域范围内最好气候条件下的年植被NPP。此处,f1和f2之和为1。
考虑到植被覆盖度是某一时刻植被覆盖地表的面积百分比,其值在0~1之间变化;而植被NPP是某一时段植被在单位面积生产的干物质大小,其值变化一般在0~2000克碳/平方米*年之间。根据植被生长的气候适应性原理,一地最好气候条件下的植被NPP可以作为该地能达到的最大NPP,因此该地当年植被NPP占其当地历史最大年植被NPP的比值就可以作为当地该年植被NPP的相对高低,其值变化也在0~1之间,这样就可以通过相加实现基于植被覆盖度和植被NPP的综合。本发明的植被综合生态质量指数计算公式中,植被覆盖度在0~1之间变化,当年植被NPP相对历史最高值的比值也在0~1之间变化。
植被NPP和植被覆盖度的相加不是简单的相加,本方案根据植被NPP和植被覆盖度在陆地生态系统两个最基本生态服务功能方面的重要性,采用权重相加,权重根据区域和植被类型进行调整,全国各取0.5。
进一步的,依据上述方法,逐年计算关注年限内的每一年的植被综合生态质量指数,进行当年植被综合生态质量指数与常年、上一年的对比分析。按照行政区域或关注区域,开展结果统计、出版制图等。最后,利用植被综合生态质量指数模型的计算结果,制作当地或关注区域的植被生态质量监测评价产品或与其它方面结合开展交叉技术研究。
本发明的工作原理为:(1)根据植被生长的气候适应性原理,把一地最好气候条件下的植被NPP作为该地能达到的最大NPP,这样该地当年植被NPP占其当地历史最大植被NPP的比值,就可以作为当地该年植被NPP的相对高低,其值变化在0~1之间。
(2)根据植被NPP和植被覆盖度在植被综合生态质量方面的重要性,进行的是加权平均,而不是相乘,这样可以更为直观地反映植被NPP和植被覆盖度的重要性。再者,植被NPP和植被覆盖度相乘之后,取了其对数后仍是相加的关系,且其实际意义没有直接相加的意义更为明确、直接。因此,本技术工作原理之一,就是采用权重相加的方法,把植被NPP和植被覆盖度有机地组合成一个综合指数模型。
(3)生态变化是一个长期累积的过程,本技术方案采用的是年尺度的植被NPP和年尺度的植被覆盖度,以反映全年的状况。其中,考虑到全年不同季节植被覆盖度差异悬殊,为了能反映全年整体情况,年尺度植被覆盖度采用反映全年平均状况的各月植被覆盖度的算术平均。
本发明涉及的全年植被净初级生产力NPPi的计算模型可以为利用卫星归一化差值植被指数(NDVI)和气象要素依据植被光能利用率理论估算NPP的模型,也可以是根据植被NPP观测资料与气候相关性建立的统计模型以及描述植被生理生态过程的机理模型,植被NPP和植被覆盖度的获取方法研究已经非常广泛,所有行之有效的方法包括提高精度的方法均可应用在此,此处不再赘述。
本发明是一个包含了植被NPP和植被覆盖度的权重加权指数模型,用于定量计算植被的综合生态质量;而不是一个以植被NPP或植被覆盖度评价植被生态质量的单一模型;本技术适合整个陆地生态系统植被生态质量的综合监测评价。
本发明的应用方式非常多样,开展点、乡、县、地市、全国甚至全球植被监测评价的人员,可以用此项技术逐年监测评价植被综合生态质量的高低,进行相关服务。关注全国甚至全球环境和全球变化的科研人员可以用此技术,开展从点到区域尺度的多年植被生态质量综合评价以及与其相关的技术方法研究,如可以与气候变化结合,研究气候变化对植被综合生态质量的影响等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一、确定关注地域和关注年限:标记需要进行植被生态质量指数构建的地域为关注地域,需要进行植被生态质量指数构建的年限为关注年限;
步骤二、收集关注地域内与植被生态质量有关的基础数据并进行数据预处理;
步骤三、根据关注地域的地域特点和植被类型,评估全年植被净初级生产力和全年平均植被覆盖度在关注地域陆地生态系统中的重要性,依据重要性确定两者的权重系数f1和f2,,其中f1和f2之和为1;
步骤四、依据收集的数据,计算关注地域关注年限内第i年逐月植被净初级生产力和逐月植被覆盖度,计算全年植被净初级生产力NPPi和全年平均植被覆盖度FVCi;
步骤五、依据步骤四的计算结果,获取关注地域关注年限内的全年植被净初级生产力的历史最高值NPPmax;
步骤六、计算第i年全年植被综合生态质量指数Qi,Qi的取值范围为0~100,值越大表示植被生态质量越高,其计算公式为:
式中,Qi为关注地域第i年的全年植被综合生态质量指数;
NPPi为关注地域第i年的全年植被净初级生产力;
NPPmax为关注地域的全年植被净初级生产力的历史最高值;
FVCi为关注地域第i年的全年平均植被覆盖度;
f1为关注地域的全年植被净初级生产力的权重系数;
f2为关注地域的全年平均植被覆盖度的权重系数。
2.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤二中,基础数据包括遥感得到的归一化差值植被指数(NDVI)数据、地面生态观测数据和地面气象数据,以及土地利用、植被类型、土壤质地、海拔高度和行政区域数据。
3.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述地域为确定的地点或区域。
4.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤六中,所述关注地域为县级及其以上的范围,植被净初级生产力的权重系数f1为0.5,相应的,覆盖度的权重系数f2为0.5。
5.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤六中,所述关注地域为县级以下植被的覆盖度在地表生态环境中起60%及以上作用的地区,植被净初级生产力的权重系数f1为0.4,相应的,覆盖度的权重系数f2为0.6。
6.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤四中,全年植被净初级生产力NPPi取第i年全年各月净初级生产力的总和得到,其值在0~2000克碳/每平方米之间;全年平均植被覆盖度FVCi通过取第i年全年各月植被覆盖度的平均值得到,其值在0~1之间。
7.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤五中,关注地域的全年植被净初级生产力的历史最高值NPPmax是关注地域关注年限内最优气候条件下的全年植被净初级生产力,由步骤四中关注年限内的逐年植被净初级生产力取其最大值得到。
8.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态指数构建方法,其特征在于:所述步骤一中,关注年限至少为连续的10年。
9.根据权利要求1所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于,还包括以下步骤:
步骤七、重复步骤六,逐年计算关注年限中每一年的植被综合生态质量指数;
步骤八、进行植被综合生态质量指数的年际对比,分析年际变化;
步骤九、开展结果统计或出版制图,进行植被生态质量监测评价产品的生产或开展交叉技术研究。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于植被NPP和覆盖度的植被生态质量指数构建方法,其特征在于:所述步骤四中,逐月植被净初级生产力NPPi的计算模型为利用卫星归一化差值植被指数(NDVI)数据和气象数据的依据植被光能利用率理论计算的NPP模型。
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