一種提高光合有效輻射(par)計算精度的方法和系統的製作方法

2023-05-01 09:04:51 1

專利名稱：一種提高光合有效輻射(par)計算精度的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生態系統的監測技術領域，特別是涉及一種提高光合有效輻射(PAR) 計算精度的方法和系統。
背景技術：
全球碳循環是發生在地球生物圈與大氣圈之間最大的物質和能量循環過程。在這 個過程中，陸地植被起著關鍵作用。通過植被的作用，將大氣中的二氧化碳(CO2)固定成有 機物質，將太陽能固定成化學能，成為今天人類生產和生活的基本的物質和能量來源。光合 有效輻射(photo syntheticallyactive radiation, PAR)是指進行光合作用的那部分太 陽輻射(400nm-700nm)，它是形成植物乾物質的能量來源，光合有效輻射是陸地生態系統和 海洋生態CO2循環的核心因素，光合有效輻射的精確測量有助於提高淨第一性生產力(NPP) 模型的準確率以及促進CO2源/匯研究。因此，光合有效輻射研究在生態學、農學以及氣候 研究中都具有重要的意義和價值。近幾十年來，現代遙感技術日益應用於區域至全球尺度水平的生態系統碳通量模 型中，並取得了相當大的進展，中外許多科學家利用遙感技術進行全球及區域尺度的PAR 的反演已經取得了眾多的成果。從國內外相關文獻來看，估算PAR的方法可以分為兩大類 一是用地面站點的觀測數據進行空間上的插值來獲取區域上連續的PAR ；二是在衛星觀測 數據的基礎上，以輻射傳輸模型為理論基礎，提出適應各種傳感器的PAR估算方法。儘管很早就有大量的研究嘗試利用衛星遙感數據估算太陽輻射，但是基於衛星遙 感估算PAR的方法並不多。自20世紀60年代以來，人類開始有能力獲得對地觀測的遙感 數據，使得估算高時空解析度的光合有效輻射成為可能。Frouin et al. (1989)和Gautier et al(1980)提出的方法是在Gautier等(1980)估算太陽輻射算法的基礎上做了一點修 改在有雲覆蓋時不考慮雲的吸收作用，在晴空無雲時，模型的參數按照Frouin等(1989) 的設置，將總太陽輻射波段替換成PAR的波段。Eck和Dye (1991)於1991年提出使用TOMS 的紫外波段的觀測數據來估算PAR。Eck和Dye通過設定閾值判識影像上的雲，他們認為 用紫外波段的反射率可以很容易地將雲和高反照率的地表區分開，除了冰和雪覆蓋區。 Pinker和Laszlo (1992)估算全球尺度PAR的方法來源於Pinker和Ewing (1985)估算寬波 段(0. 2 μ m-4. O μ m)太陽輻射通量的方法。Pinker等利用ERBE與ISCCP遙感數據估算出 全球有效光合輻射。美國國家航天航空局(NASA)針對地觀測計劃(EOS)而發射Terra和Aqua兩顆衛 星為獲取高解析度的PAR提供了新的途徑。MODIS海洋科研組(MODISOcean Scienee Team) 的 Kendall L. Carder 等(2003)在 Leckne et al. (1978)、Bird et al. (1986)、Justus 和 Paris (1985) ,Gregg和Carder (1990)模型的基礎上提出估算高解析度的海洋PAR的方法， 他們把海洋PAR產品作為MODIS的標準產品(M0D20)發布。Van Laake et al. (2004,2005) 基於簡化的大氣輻射傳輸模型，利用MODIS大氣產品(M0D04、M0D05、M0D06、M0D07)反演 2002年哥斯大黎加地區1公裡解析度的光合有效輻射。
雖然，光合有效輻射(PAR)幾乎是所有陸地生態模型的一個關鍵輸入參數，但是 目前可用於模型輸入的PAR數據空間解析度太低而不能滿足在區域尺度生態模型的需要。 同時分析現有算法的缺陷如下1)常規氣象觀測PAR算法及數據的缺陷通常PAR由地面氣象站點觀測到的太陽輻射乘以PAR與太陽輻射的比率得到，大 範圍的PAR則由站點的數據插值得到。然而由於可以常規觀測太陽輻射的氣象站點分布稀 疏，因此插值會導致PAR精度較低。有時對於沒有常規觀測太陽輻射的氣象站點，太陽輻射 也可以根據站點觀測到的降水和氣溫來推算。這種間接估算PAR的方法難以獲取準確的 PAR。因此，利用遙感數據估算PAR成為最佳途徑。2)現有利用遙感方法估算PAR算法的缺陷如下(I)Frouin 和 Gautier (1989)的方法Frouin和Gautier (1989)提出的方法是在Gautier等(1980)估算太陽輻射算法 的基礎上做了一點修改，該方法考慮了晴空時大氣各向異性，但云和地表對太陽輻射的反 射被假定為各向同性的。由於靜止衛星的通道大多在可見光波段(除了 METE0SAT)，因此對 於計算雲反照率可以直接使用衛星觀測數據而不需要將窄波段轉化為寬波段。這種方法利 用數據空間解析度較低，沒有考慮地形環境影響，精度不高。(2) Eck 和 Dye (1991)的方法Eck和Dye於1991年提出使用TOMS的紫外波段的觀測數據來估算PAR。Eck和 Dye通過設定閾值判識影像上的雲，他們認為用紫外波段的反射率可以很容易地將雲和高 反照率的地表區分開，除了冰和雪覆蓋區。該方法沒有考慮地形對太陽輻射的影響，並存 在較大缺陷TOMS數據的時空解析度低(時間解析度月，空間解析度Γ Χ2.5°，平均 500kmX 500km)，也沒有考慮地形影響。(3) Pinker 和 Laszlo (1992)的方法Pinker和Laszlo[31]估算全球尺度PAR的方法來源於Pinker和Ewing估算寬波 段(0. 2 μ m-4. 0 μ m)太陽輻射通量的方法。Pinker 等利用 ERBE (EarthRadiation Budget Experiment)與ISCCP遙感數據估算出全球有效光合輻射。其空間解析度不高，利用部分地 面同化數據，沒有考慮地形影響，精度不高。(4) Kendal 1 L. Carder 的方法美國國家航天航空局(NASA)針對對地觀測計劃(EOS)而發射Terra和Aqua兩顆 衛星為獲取高解析度的PAR提供了新的途徑。MODIS海洋科研組的Kendall L. Carder等] 在Leckner、Bird和Riordan、Justus和Paris、Gregg和Carder模型的基礎上估算出高分 辨率的海洋PAR，他們把海洋PAR產品作為MODIS的標準產品(M0D20)發布，但模型中海水 反照率恆定的假設在陸地PAR估算中是無法成立。由於地表反射的複雜性，其算法中沒有 考慮地面大氣的多次反射影響。(5)光能利用率模型中的PAR計算方法CASA模型中的PAR是將0. 5作為太陽總輻射與光合有效輻射之間的比例，即將太 陽總輻射乘以0. 5作為光合有效輻射。GLO-PEM模型採用的是上面提到的Eck和Dye於 1991年提出使用TOMS的紫外波段的觀測數據來估算PAR。但由於TOMS數據的時空解析度 低(時間解析度月，空間解析度1° X2. 5°，平均500kmX500km)，因此導致PAR的時空解析度低。而在實際情況中，PAR隨時間、空間變化明顯。從CASA和GLO-PEM模型可以看 出，現有光能利用率模型中PAR的計算方法簡單粗糙，不符合實際情況，由此可能極大地錯 誤估計植被初級生產力和淨初級生產力。

發明內容
本發明的目的在於提供一種提高光合有效輻射(PAR)計算精度的方法和系統。其 極大的提高了 PAR的反演精度，同時極大的簡化了 PAR的參數過程和難度，提高了 PAR反演 模型的可操作性和實用化程度。為實現本發明的目的而提供的一種提高光合有效輻射計算精度的方法，包括下列 步驟步驟100.引進數字地形模型地形影響因子，計算複雜地形下太陽下行單色光輻 射Ιλ = Idir+Idif+Iadj, λ為真空中的波長；步驟200.根據所述複雜地形下太陽下行單色光輻射I」計算複雜地形下瞬時光
合有效輻射
權利要求
1.一種提高光合有效輻射計算精度的方法，其特徵在於，所述方法，包括下列步驟 步驟100.引進數字地形模型地形影響因子，計算複雜地形下太陽下行單色光輻射強度
2.根據權利要求1所述的提高光合有效輻射計算精度的方法，其特徵在於，所述步驟 100，包括下列步驟步驟110.計算直射光通量Id入
3.根據權利要求2所述的提高光合有效輻射計算精度的方法，其特徵在於，所述步驟 150，包括如下步驟.步驟151.計算所述數字地形模型中任意兩點A(iA，jA，Ha)和B(iB，jB，Hb)之 間的距離P，其中i和j分別表示該點在數組中的行列序號，H表示該點海拔高度 P=M^iA-iB)2+(jA-jB)2 ；步驟152.計算所述兩點A(iA，jA，Ha)和B(iB，jB，Hb)之間的高度角0，計算公式為步驟153.計算天空視角Asky，公式為
4.根據權利要求1所述的提高光合有效輻射計算精度的方法，其特徵在於，所述步驟 300，包括下列步驟步驟310.計算太陽輻射瞬時值
5.一種提高光合有效輻射計算精度的系統，其特徵在於，所述系統，包括複雜地形下太陽單色光輻射強度計算模塊，用於引進數字地形模型地形影響因子，計 算複雜地形下太陽下行單色光輻射強度
6.根據權利要求5所述的提高光合有效輻射計算精度的系統，其特徵在於，所述複雜 地形下太陽單色光輻射強度計算模塊，包括直射光通量計算模塊，用於計算直射光通量IdA
7.根據權利要求6所述的提高光合有效輻射計算精度的系統，其特徵在於，所述散射 輻射計算模塊，包括距離計算模塊，用於計算所述數字地形模型中任意兩點A(iA，jA，HA)和B(iB，jB， Hb)之間的距離P，其中i和j分別表示該點在數組中的行列序號，H表示該點海拔高度
8.根據權利要求4所述的提高光合有效輻射計算精度的系統，其特徵在於，所述光和 有效輻射日值統計模塊，包括太陽輻射瞬時值計算模塊，用於計算太陽輻射瞬時值
全文摘要
本發明公開了一種提高光合有效輻射(PAR)計算精度的方法和系統。所述方法，包括下列步驟引進數字地形模型地形影響因子，計算複雜地形下太陽下行單色光輻射強度Iλ＝Idir+Idif+Iadj，λ為真空中的波長；根據所述複雜地形下太陽下行單色光輻射強度Iλ，計算複雜地形下瞬時光合有效輻射根據所述瞬時光合有效輻射PAR，擴展成為光和有效輻射日值PARd。
文檔編號G06F19/00GK102004848SQ20101053950
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者高志強 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所