CN113011003A - 生态系统呼吸遥感模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生态系统呼吸遥感模型构建方法，其中，所述生态系统呼吸遥感模型构建方法包括步骤：构建参考呼吸，并对参考呼吸进行空间化处理；根据空间化处理后的参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型，实现了生态系统呼吸遥感模型中参考呼吸的空间化表达，克服了生态系统呼吸空间模拟带来的不确定性。

Description

生态系统呼吸遥感模型构建方法

技术领域

本发明涉及遥感算法领域，尤其涉及一种生态系统呼吸遥感模型构建方法、装置、设备及计算机可读存储介质。

背景技术

生态系统呼吸(ecosystem respiration,R_e)是指生态系统所有生物体(包括消费者和初级生产者)在单位时间内将有机碳转化为二氧化碳的总量，是陆地生态系统碳循环研究的第二大分量。因此，准确估算区域和全球尺度的R_e对于理解陆地生态系统碳循环具有重要作用。由于R_e的组分非常复杂，决定各组分呼吸速率的生态过程机理又有所不同，特别是应用遥感方法难以直接获取制约生态系统地下呼吸组分的生态信息，而当前的生态系统呼吸方程中参考呼吸是重要参数，但是其为固定值，或基于土地利用覆被类型赋值，给生态系统呼吸空间模拟带来了很大的不确定性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种生态系统呼吸遥感模型构建方法、装置、设备及计算机可读存储介质，旨在克服生态系统空间模拟带来的不确定性问题，所述方法包括以下步骤：

构建参考呼吸，并对所述参考呼吸进行空间化处理；

根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

在一种实施方式中，所述构建参考呼吸的步骤包括：

根据年总初级生产力的呼吸R_GPP和生态系统有机质现存量的呼吸R_COM确定参考呼吸R_ref。

在一种实施方式中，所述R_GPP＝R_g+R_rhi，其中，所述R_g表示植物的生长呼吸，所述R_rhi表示植物的根际微生物呼吸，两者与总初级生产力紧密相关；所述R_COM＝R_m+R_res+R_som，其中，所述R_m表示植物维持呼吸，所述R_res表示植物残体分解的微生物呼吸，所述R_som表示土壤有机质分解的微生物呼吸，上述三种呼吸与温度紧密相关。

在一种实施方式中，所述对所述参考呼吸进行空间化处理，得到的空间化处理后的参考呼吸对应的方程为：

R_ref’＝e^{0.942·GPP-0.077·LSTDmean+1.062}，其中，所述GPP为初级生产力年总量，所述LSTDmean为陆地表面温度日温年均值。

在一种实施方式中，所述根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型的步骤包括：

构造表征时间过程动态的标准呼吸；

基于所述标准呼吸和空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

在一种实施方式中，计算所述标准呼吸对应的方程为：

其中，所述R_std为所述标准呼吸，所述E₀为活化能参数，所述T_ref为参考温度，所述T₀为呼吸作用的最低温度，所述LSTDmean为陆地表面温度日温年均值。

在一种实施方式中，所述生态系统呼吸遥感模型为R_e＝R_ref’×R_std。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种生态系统呼吸遥感模型构建装置，所述生态系统呼吸遥感模型构建装置包括：

第一构建模块，用于构建参考呼吸；

空间化处理模块，用于对所述参考呼吸进行空间化处理；

第二构建模块，用于根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种生态系统呼吸遥感模型构建设备，所述生态系统呼吸遥感模型构建设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的生态系统呼吸遥感模型构建程序，所述生态系统呼吸遥感模型构建程序被所述处理器执行时实现如上所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法的步骤。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有所述生态系统呼吸遥感模型构建程序，所述生态系统呼吸遥感模型构建程序被处理器执行时实现如上所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法的步骤。

本发明通过构建参考呼吸，并对参考呼吸进行空间化处理，根据空间化处理后的参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型，实现了生态系统呼吸遥感模型中参考呼吸的空间化表达，克服了生态系统呼吸空间模拟带来的不确定性。

附图说明

图1为实现本发明实施例一种生态系统呼吸遥感模型构建设备的硬件结构示意图；

图2为本发明生态系统呼吸遥感模型构建方法实施例的流程示意图；

图3为本发明参考呼吸与GPP、LSTDmean的关系示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做说明。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种生态系统呼吸遥感模型构建设备，参照图1，图1是本发明实施例方案涉及的硬件运行环境的结构示意图。

需要说明的是，图1即可为生态系统呼吸遥感模型构建设备的硬件运行环境的结构示意图。本发明实施例生态系统呼吸遥感模型构建设备可以是PC(Personal Computer，个人电脑)，便携计算机，服务器等设备。

如图1所示，该生态系统呼吸遥感模型构建设备可以包括：处理器1001，例如CPU，存储器1005，用户接口1003，网络接口1004，通信总线1002。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。

可选地，生态系统呼吸遥感模型构建设备还可以包括RF(Radio Frequency，射频)电路，传感器、WiFi模块等等。

本领域技术人员可以理解，图1中示出的生态系统呼吸遥感模型构建设备结构并不构成生态系统呼吸遥感模型构建设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

如图1所示，作为一种计算机存储可读存储介质的存储器1005中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及生态系统呼吸遥感模型构建程序。其中，操作系统是管理和控制生态系统呼吸遥感模型构建设备硬件和软件资源的程序，支持生态系统呼吸遥感模型构建程序以及其它软件或程序的运行。

图1所示的生态系统呼吸遥感模型构建设备，可用于克服生态系统呼吸空间模拟带来的不确定性问题，用户接口1003主要用于侦测或者输出各种信息，如输入温度和输出生态系统呼吸的数据等；网络接口1004主要用于与后台服务器交互，进行通信；处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的生态系统呼吸遥感模型构建程序，并执行以下操作：

构建参考呼吸，并对所述参考呼吸进行空间化处理；

根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

本发明移动终端具体实施方式与下述生态系统呼吸遥感模型构建方法实施例基本相同，在此不再赘述。

基于上述结构，提出本发明生态系统呼吸遥感模型构建方法的实施例。

本发明提供一种生态系统呼吸遥感模型构建方法。

参照图2，图2为本发明生态系统呼吸遥感模型构建方法实施例的流程示意图。

在本实施例中，提供了生态系统呼吸遥感模型构建方法的实施例，需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中，生态系统呼吸遥感模型构建方法包括：

步骤S10，构建参考呼吸，并对所述参考呼吸进行空间化处理；

生态系统R_e由一系列呼吸组分组成，包括属于植物自养呼吸(autotrophicrespiration，R_a)的生长呼吸维持呼吸(maintenance respiration，R_m)，属于异养呼吸(heterotrophic respiration，R_h)的根际微生物呼吸(rhizomicrobial respiration，R_rhi)、植物残体分解的微生物呼吸(decomposition of plant residues of microbialrespiration，R_res)和土壤有机(soil organic matter,SOM)分解的微生物(R_SOM)，所以R_e＝R_a+R_h＝R_g+R_m+R_rhi+R_res+R_SOM，现行的遥感方法难以直接获取这些组分的生态信息。基于生态系统地理特征规律，植被适应当地环境以达到最优的生长状态，因此，生态系统呼吸受限于当地自然条件，为准确模拟生态系统呼吸的空间变化，本实施例首先建立生态系统呼吸中的参考呼吸。

参考呼吸为参考温度的呼吸速率，用于表示呼吸的空间异质性。大量研究表明，在非干旱胁迫的自然条件下，生态系统呼吸速率主要受当地植被生产力及温度的影响。植物在进行光合作用的同时，不仅需要消耗一部分光合产物用于生长呼吸(R_g)，而且以很高的速率将部分光合产物以根的渗出液形式排放到根际土壤之中，为根际微生物呼吸(R_rhi)提供呼吸底物，并快速被根际微生物利用。因此，将这两个呼吸组分定义为来源于初级生产力年总量(gross primary productivity,GPP)的呼吸(R_GPP)，即：R_GPP＝R_g+R_rhi＝F(GPP)。

植物维持呼吸(R_m)，植物残体分解的微生物呼吸(R_res)和土壤有机质分解的微生物呼吸(R_SOM)具有相似的特征，其呼吸底物均为生态系统长期蓄积的有机物质，呼吸速率均与各自呼吸底物的数量和性质有关，同时随温度的变化而变化。如果这三个呼吸组分的过程机理、影响因素以及对温度响应方面的微弱差异可以忽略，并且将植被生物量、植被残体和土壤有机质定义为生态系统有机质现存量(COM)。那么，可以将这三个呼吸组分定义为来源于COM的呼吸(R_COM)，并应用年温度(Tmean)的响应函数F(T)来表征，即R_COM＝R_m+R_res+R_SOM＝F(T)。

基于以上理论分析，假设生态系统参考呼吸(R_ref)可以简化为来源于GPP的呼吸和来源于COM的呼吸两个组分。GPP受到当期气候(温度)的限制，同时GPP是生态系统有机质的来源，因此两个组分之间相互影响，根据R_GPP和R_COM确定参考呼吸即：R_ref＝F(GPP)×F(T)。

上述得到的方程R_ref只是一个理论方程，没有考虑到空间异质性，无法用于计算生态系统呼吸中，所以需要对参考呼吸进行空间化处理，建立空间化表达方程，分析发现，参考呼吸(R_ref)与GPP、陆地表面温度(Land surface temperature，LST)日温年均值(LSTDmean)指数相关，其中与GPP正相关(决定系数R²＝0.58，P<0.01，决定系数用来反映回归模式说明因变量变化可靠程度的一个统计指标，P表示显著性检验)，与LSTDmean负相关(R²＝0.61，P<0.01)，参见图3，综合考虑GPP、LSTDmean与参考呼吸的相关关系，构建拟合方程R_ref’＝e^{0.942·GPP-0.077·LSTDmean+1.062}(R²＝0.84，P<0.01)，GPP的单位为g·C·m^-2·y·r^-1，LSTDmean的单位为℃，GPP和LSTDmean均为遥感数据。

步骤S20，根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

对参考呼吸进行空间化处理之后，构建生态系统呼吸遥感模型。建立生态系统呼吸中的标准呼吸，标准呼吸表示温度对参考呼吸的影响，具有明显季节变化的中纬度地区，温度是限制年内生态系统呼吸的主要因素，酶的活性及微生物活性主要受到温度的影响，本实施例采用广泛使用的Lloyd-Taylor方程温度限制部分作为标准呼吸：

T_ref为参考温度，一般的T_ref＝288.15K(15℃)，E₀为活化能参数(单位为K),设E₀在各植被类型之间保持不变，并借鉴借鉴Lloyd&Taylor(1994)的结果取值为308.56K，T₀为呼吸作用的最低温度，一般的设T₀＝227.13K(-46.02℃)。再基于标准呼吸和空间化处理后的参考呼吸构建生态系统呼吸的遥感模型，最终形成的生态系统呼吸遥感模型为R_e＝R_ref’×R_std。

本实施例通过构建参考呼吸，并对参考呼吸进行空间化处理，根据空间化处理后的参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型，实现了生态系统呼吸遥感模型中参考呼吸的空间化表达，克服了生态系统呼吸空间模拟带来的不确定性。

此外，本发明实施例还提出一种生态系统呼吸遥感模型构建装置，所述生态系统呼吸遥感模型构建装置包括：

第一构建模块，用于构建参考呼吸；

空间化处理模块，用于对所述参考呼吸进行空间化处理；

第二构建模块，用于根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

本发明所述生态系统呼吸遥感模型构建装置实施方式与上述生态系统呼吸遥感模型构建方法实施例基本相同，在此不再赘述。

此外，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有生态系统呼吸遥感模型构建程序，所述生态系统呼吸遥感模型构建程序被处理器执行时实现如上所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法的各个步骤。

需要说明的是，计算机可读存储介质可设置在生态系统呼吸遥感模型构建设备中。

本发明计算机可读存储介质具体实施方式与上述生态系统呼吸遥感模型构建方法各实施例基本相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者生态系统呼吸遥感模型构建设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者生态系统呼吸遥感模型构建设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者生态系统呼吸遥感模型构建设备中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述生态系统呼吸遥感模型构建方法包括以下步骤：

构建参考呼吸，并对所述参考呼吸进行空间化处理；

根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

2.如权利要求1所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述构建参考呼吸的步骤包括：

根据年总初级生产力的呼吸R_GPP和生态系统有机质现存量的呼吸R_COM确定参考呼吸R_ref。

3.如权利要求2所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述R_GPP＝R_g+R_rhi，其中，所述R_g表示植物的生长呼吸，所述R_rhi表示植物的根际微生物呼吸；所述R_COM＝R_m+R_res+R_som，其中，所述R_m表示植物维持呼吸，所述R_res表示植物残体分解的微生物呼吸，所述R_som表示土壤有机质分解的微生物呼吸。

4.如权利要求3所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述对所述参考呼吸进行空间化处理，得到的空间化处理后的参考呼吸对应的方程为：

R_ref’＝e^{0.942·GPP-0.077·LSTDmean+1.062}，其中，所述GPP为初级生产力年总量，所述LSTDmean为陆地表面温度日温年均值。

5.如权利要求1所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型的步骤包括：

构造表征时间过程动态的标准呼吸；

基于所述标准呼吸和空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

6.如权利要求5所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，计算所述标准呼吸对应的方程为：

其中，所述R_std为所述标准呼吸，所述E₀为活化能，所述T_ref为参考温度，所述T₀为呼吸作用的最低温度，所述LSTDmean为陆地表面温度日温年均值。

7.如权利要求5所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法，其特征在于，所述生态系统呼吸遥感模型为R_e＝R_ref’×R_std。

8.一种生态系统呼吸遥感模型构建装置，其特征在于，所述生态系统呼吸遥感模型构建装置包括：

第一构建模块，用于构建参考呼吸；

空间化处理模块，用于对所述参考呼吸进行空间化处理；

第二构建模块，用于根据空间化处理后的所述参考呼吸构建生态系统呼吸遥感模型。

9.一种生态系统呼吸遥感模型构建设备，其特征在于，所述生态系统呼吸遥感模型构建设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的生态系统呼吸遥感模型构建程序，所述生态系统呼吸遥感模型构建程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有生态系统呼吸遥感模型构建程序，所述生态系统呼吸遥感模型构建程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的生态系统呼吸遥感模型构建方法的步骤。

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