(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010976999.9
(22)申请日 2020.09.17
(71)申请人 中国科学院空天信息创新研究院
地址 100094 北京市海淀区邓庄南路9号
(72)发明人 吴文瑾 李新武
(74)专利代理机构 北京得信知识产权代理有限
公司 11511
代理人 孟海娟 阿苏娜
(51)Int.Cl.
G06F 30/20(2020.01)
(54)发明名称
估算方法
(57)摘要
本发明公开一种全球通用植被总初级生产
力遥感指数估算方法。该方法基于全球通用植被
采用遥感数据对陆地植被GPP实现大范围的快速估算。拟合效果显
著优于目前的NIRv指数获取的结果，而且该指数
模型表现在不同植被类型和纬度之间有较好的
一致性，可以准确追踪不同植被类型的物候变
化，
同时不易受雪的影响。权利要求书2页 说明书5页 附图4页CN 112149295 A 2020.12.29
C N 112149295
A
1.一种全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法，其特征在于，
包括以下步骤：
提出全球通用植被总初级生产力遥感指数模型，模型的计算公式为：
GPP＝A×CC×PAR×Ev+B，
其中，A＝0.15，B＝1.3，为回归模型的经验系数，该系数全球统一，不必随不同的植被类型和地理位置进行调整；CC代表植被覆盖度；PAR是总体下行短波辐射；Ev是植被对光合有效辐射的总体转化效率，为吸收效率和利用效率的乘积；
将CC通过归一化植被指数NDVI进行近似；吸收效率通过近红外波段反射率-NIR进行表征，利用效率通过叶绿素含量占总素含量的比例-Rchl进行表征， 则该模型可以进一步推导为：
GPP＝A×NDVI×PAR×NIR×Rchl+B；
利用MODIS反射率数据分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，并通过相应产品获取PAR；
基于所述全球通用植被总初级生产力遥感指数模型求得最终的植被总初级生产力值。
2.根据权利要求1所述的全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法，其特征在于，
所述Rchl可以根据以下两个波段的反射率Ref531和Ref667进行近似：
已知531nm为类胡萝卜素和花青素的共同吸收波段，叶绿素无吸收；667nm波段为叶绿素的吸收峰值波段，类胡萝卜素和花青素无吸收，
基于比值植被指数概念，某一素含量与该素的无吸收波段反射率和该素显著吸收波段反射率的比值显著线性相关，则叶绿素含量C chl可近似为
C chl＝a×Ref858/Ref531
类胡萝卜素和花青素含量C caro+anth可近似为
C caro+anth＝b×Ref858/Ref667
其中a,b为该反射率比值和素含量真值之间的线性拟合斜率，由于类胡萝卜素和花青素在531nm附近的吸收率与叶绿素在667nm附近的吸收率近似相等，可以近似认为a≈b，则
Rchl＝C chl/(C chl+C caro+anth)＝Ref531/(Ref531+Ref667)，
Ref531采用MODIS的第11波段获取，Ref667采用MODIS的第13波段获取。
3.根据权利要求2所述的全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法，其特征在于，
利用MODIS反射率数据分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，并通过相应产品获取PAR，具体包括以下步骤：
获取MODIS数据陆地反射率产品MOD09GA和MYD09GA，海洋反射率产品MODOCGA和MYDOCGA，以及光合有效辐射产品MCD18；
在产品中分别获取模型所需的波段参数bx和PAR，bx代表经过辐射和大气校正的MODIS 第x波段的反射率；
结合产品的质量控制波段对质量不好的数据进行剔除；
基于上述所得结果分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，
其中，
NDVI＝(b1-b2)/(b1+b2)；
NIR＝b2；
Rchl＝b11/(b11+b13)，
其中，b1和b2来自陆地反射率产品MOD09GA和MYD09GA产品，b11和b13来自海洋反射率产品MODOCGA和MYDOCGA，PAR来自MCD18产品。
一种全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法
技术领域
[0001]本发明涉及全球植被生产力估算技术领域，具体涉及一种全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法。
背景技术
[0002]目前对植被总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的估算主要采用光能利用率模型(light-use efficiency,LUE)和太阳诱导叶绿素荧光模型(sun-induced chlorophyll fluorescence,SIF)两种方式。其中LUE模型将GPP建模为植被对光合有效辐射的吸收部分，光合有效辐射总量和，以及光能转化效率的乘积(即GPP＝fPAR×PAR×ε)。而ε与植被类型和空气温湿度等参数存在复杂的关系，需要针对不同植被类型建立查表来获取，导致计算过程十分复杂。同时由于空气温湿度等气象参数通常采用再分析模型获得，空间分辨率较低，且气象站点在全球的不均匀分布导致不同区域精度也存在差异，给GPP的计算带来复杂的不确定性。而基于SIF的GPP估算需要对植被的荧光信号进行测量，这种星载传感器目前还无法实现大范围空间的连续覆盖，并且SIF与GPP的关系在不同区域和不同植被类型中存在一定差异。
[0003]为了更方便对GPP进行估算，也有一些研究通过建立新型植被指数直接对GPP进行拟合，如叶绿素/胡萝卜素指数(chlorophyll/carotenoid index,CCI)通过中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS)波段11和波段1的归一化比值(b11-b1)/(b11+b1)进行计算，并认为
与常绿针叶林的光合作用物候具有很好的一致性；植被近红外指数(near-infrared reflectance of vegetation,NIRv)采用近红外反射率和归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的乘积获得，被认为可以更好反映GPP的动态。这些指数虽然在特定区域应用中效果可观，但与GPP的回归关系在不同地理位置和植被类型中存在差异，在研究中更多仅用于对GPP的动态进行反映，而非计算GPP的实际数值。估算GPP时需要针对具体区域和树种采用不同的计算公式，目前未见有全球通用回归模型的相关报道。
发明内容
[0004]为了解决上述问题，本发明公开一种全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法，包括以下步骤：
[0005]首先，提出全球通用植被总初级生产力遥感指数模型，模型的计算公式为：[0006]GPP＝A×CC×PAR×Ev+B，
[0007]其中，A＝0.15，B＝1.3，为回归模型的经验系数，该系数全球统一，不必随不同的植被类型和地理位置进行调整；CC代表植被覆盖度；PAR是总体下行短波辐射；Ev是植被对光合有效辐射的总体转化效率，为吸收效率和利用效率的乘积；
[0008]将CC通过归一化植被指数NDVI进行近似；吸收效率通过近红外波段反射率-NIR进行表征，利用效率通过叶绿素含量占总素含量的比例-Rchl进行表征，
[0009]则该模型可以进一步推导为：
[0010]GPP＝A×NDVI×PAR×NIR×Rchl+B；
[0011]利用MODIS反射率数据分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，并通过相应产品获取PAR；
[0012]基于所述全球通用植被总初级生产力遥感指数模型求得最终的植被总初级生产力值。
[0013]本发明的全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法中，优选为，所述Rchl可以根据以下两个波段的反射率Ref531和Ref667进行近似：
[0014]已知531nm为类胡萝卜素和花青素的共同吸收波段，叶绿素无吸收；667nm波段为叶绿素的吸收峰值波段，类胡萝卜素和花青素无吸收，
[0015]基于比值植被指数概念，某一素含量与该素的无吸收波段反射率和该素显著吸收波段反射率的比值显著线性相关，则叶绿素含量C chl可近似为
[0016]C chl＝a×Ref858/Ref531
[0017]类胡萝卜素和花青素含量C caro+anth可近似为
[0018]C caro+anth＝b×Ref858/Ref667
[0019]其中a,b为该反射率比值和素含量真值之间的线性拟合斜率，由于类胡萝卜素和花青素在531nm附近的吸收率与叶绿素在667nm附近的吸收率近似相等，可以近似认为a ≈b，则
[0020]Rchl＝C chl/(C chl+C caro+anth)＝Ref531/(Ref531+Ref667)，
[0021]Ref531采用MODIS的第11波段获取，Ref667采用MODIS的第13波段获取。
[0022]本发明的全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法中，优选为，利用MODIS反射率数据分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，并通过相应产品获取PAR，具体包括以下步骤：
[0023]获取MODIS数据陆地反射率产品MOD09GA和MYD09GA，海洋反射率产品MODOCGA和MYDOCGA，以及光合有效辐射产品MCD18；
[0024]在产品中分别获取模型所需的波段参数bx和PAR，bx代表经过辐射和大气校正的MODIS第x波段的反射率；
[0025]结合产品的质量控制波段对质量不好的数据进行剔除；
[0026]基于上述所得结果分别计算每日的NDVI，NIR和Rchl均值，
[0027]其中，
[0028]NDVI＝(b1-b2)/(b1+b2)；
[0029]NIR＝b2；
[0030]Rchl＝b11/(b11+b13)，
[0031]其中，b1和b2来自陆地反射率产品MOD09GA和MYD09GA产品，b11和b13来自海洋反射率产品MODOCGA和MYDOCGA，PAR来自MCD18产品。
[0032]本发明的全球通用植被总初级生产力遥感指数估算方法所采用的模型源自光能利用率模型，具有切实物理解析意义。而且，所使用的参数全球统一，无需查表和气温、湿度等气象参数。此外，全部输入均可通过遥感观测数据获取，计算简单快速，结合遥感数据可快速生成每日全球陆地GPP空间分布图。
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