專利名稱：一種提高光合有效輻射(par)計(jì)算精度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種提高光合有效輻射(PAR) 計(jì)算精度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
全球碳循環(huán)是發(fā)生在地球生物圈與大氣圈之間最大的物質(zhì)和能量循環(huán)過程。在這 個(gè)過程中，陸地植被起著關(guān)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(jī)物質(zhì)，將太陽能固定成化學(xué)能，成為今天人類生產(chǎn)和生活的基本的物質(zhì)和能量來源。光合 有效輻射(photo syntheticallyactive radiation, PAR)是指進(jìn)行光合作用的那部分太 陽輻射(400nm-700nm)，它是形成植物干物質(zhì)的能量來源，光合有效輻射是陸地生態(tài)系統(tǒng)和 海洋生態(tài)CO2循環(huán)的核心因素，光合有效輻射的精確測(cè)量有助于提高凈第一性生產(chǎn)力(NPP) 模型的準(zhǔn)確率以及促進(jìn)CO2源/匯研究。因此，光合有效輻射研究在生態(tài)學(xué)、農(nóng)學(xué)以及氣候 研究中都具有重要的意義和價(jià)值。近幾十年來，現(xiàn)代遙感技術(shù)日益應(yīng)用于區(qū)域至全球尺度水平的生態(tài)系統(tǒng)碳通量模 型中，并取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，中外許多科學(xué)家利用遙感技術(shù)進(jìn)行全球及區(qū)域尺度的PAR 的反演已經(jīng)取得了眾多的成果。從國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)來看，估算PAR的方法可以分為兩大類 一是用地面站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間上的插值來獲取區(qū)域上連續(xù)的PAR ；二是在衛(wèi)星觀測(cè) 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以輻射傳輸模型為理論基礎(chǔ)，提出適應(yīng)各種傳感器的PAR估算方法。盡管很早就有大量的研究嘗試?yán)眯l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算太陽輻射，但是基于衛(wèi)星遙 感估算PAR的方法并不多。自20世紀(jì)60年代以來，人類開始有能力獲得對(duì)地觀測(cè)的遙感 數(shù)據(jù)，使得估算高時(shí)空分辨率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(chǔ)上做了一點(diǎn)修 改在有云覆蓋時(shí)不考慮云的吸收作用，在晴空無云時(shí)，模型的參數(shù)按照Frouin等(1989) 的設(shè)置，將總太陽輻射波段替換成PAR的波段。Eck和Dye (1991)于1991年提出使用TOMS 的紫外波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算PAR。Eck和Dye通過設(shè)定閾值判識(shí)影像上的云，他們認(rèn)為 用紫外波段的反射率可以很容易地將云和高反照率的地表區(qū)分開，除了冰和雪覆蓋區(qū)。 Pinker和Laszlo (1992)估算全球尺度PAR的方法來源于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(shù)據(jù)估算出 全球有效光合輻射。美國(guó)國(guó)家航天航空局(NASA)針對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃(EOS)而發(fā)射Terra和Aqua兩顆衛(wèi) 星為獲取高分辨率的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(chǔ)上提出估算高分辨率的海洋PAR的方法， 他們把海洋PAR產(chǎn)品作為MODIS的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(M0D20)發(fā)布。Van Laake et al. (2004,2005) 基于簡(jiǎn)化的大氣輻射傳輸模型，利用MODIS大氣產(chǎn)品(M0D04、M0D05、M0D06、M0D07)反演 2002年哥斯達(dá)黎加地區(qū)1公里分辨率的光合有效輻射。
雖然，光合有效輻射(PAR)幾乎是所有陸地生態(tài)模型的一個(gè)關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，但是 目前可用于模型輸入的PAR數(shù)據(jù)空間分辨率太低而不能滿足在區(qū)域尺度生態(tài)模型的需要。 同時(shí)分析現(xiàn)有算法的缺陷如下1)常規(guī)氣象觀測(cè)PAR算法及數(shù)據(jù)的缺陷通常PAR由地面氣象站點(diǎn)觀測(cè)到的太陽輻射乘以PAR與太陽輻射的比率得到，大 范圍的PAR則由站點(diǎn)的數(shù)據(jù)插值得到。然而由于可以常規(guī)觀測(cè)太陽輻射的氣象站點(diǎn)分布稀 疏，因此插值會(huì)導(dǎo)致PAR精度較低。有時(shí)對(duì)于沒有常規(guī)觀測(cè)太陽輻射的氣象站點(diǎn)，太陽輻射 也可以根據(jù)站點(diǎn)觀測(cè)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(zhǔn)確的 PAR。因此，利用遙感數(shù)據(jù)估算PAR成為最佳途徑。2)現(xiàn)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(chǔ)上做了一點(diǎn)修改，該方法考慮了晴空時(shí)大氣各向異性，但云和地表對(duì)太陽輻射的反 射被假定為各向同性的。由于靜止衛(wèi)星的通道大多在可見光波段(除了 METE0SAT)，因此對(duì) 于計(jì)算云反照率可以直接使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)而不需要將窄波段轉(zhuǎn)化為寬波段。這種方法利 用數(shù)據(jù)空間分辨率較低，沒有考慮地形環(huán)境影響，精度不高。(2) Eck 和 Dye (1991)的方法Eck和Dye于1991年提出使用TOMS的紫外波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算PAR。Eck和 Dye通過設(shè)定閾值判識(shí)影像上的云，他們認(rèn)為用紫外波段的反射率可以很容易地將云和高 反照率的地表區(qū)分開，除了冰和雪覆蓋區(qū)。該方法沒有考慮地形對(duì)太陽輻射的影響，并存 在較大缺陷TOMS數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率低(時(shí)間分辨率月，空間分辨率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的方法來源于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(shù)據(jù)估算出全球有效光合輻射。其空間分辨率不高，利用部分地 面同化數(shù)據(jù)，沒有考慮地形影響，精度不高。(4) Kendal 1 L. Carder 的方法美國(guó)國(guó)家航天航空局(NASA)針對(duì)對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃(EOS)而發(fā)射Terra和Aqua兩顆 衛(wèi)星為獲取高分辨率的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(chǔ)上估算出高分 辨率的海洋PAR，他們把海洋PAR產(chǎn)品作為MODIS的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(M0D20)發(fā)布，但模型中海水 反照率恒定的假設(shè)在陸地PAR估算中是無法成立。由于地表反射的復(fù)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(jì)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模型采用的是上面提到的Eck和Dye于 1991年提出使用TOMS的紫外波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)來估算PAR。但由于TOMS數(shù)據(jù)的時(shí)空分辨率 低(時(shí)間分辨率月，空間分辨率1° X2. 5°，平均500kmX500km)，因此導(dǎo)致PAR的時(shí)空分辨率低。而在實(shí)際情況中，PAR隨時(shí)間、空間變化明顯。從CASA和GLO-PEM模型可以看 出，現(xiàn)有光能利用率模型中PAR的計(jì)算方法簡(jiǎn)單粗糙，不符合實(shí)際情況，由此可能極大地錯(cuò) 誤估計(jì)植被初級(jí)生產(chǎn)力和凈初級(jí)生產(chǎn)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高光合有效輻射(PAR)計(jì)算精度的方法和系統(tǒng)。其 極大的提高了 PAR的反演精度，同時(shí)極大的簡(jiǎn)化了 PAR的參數(shù)過程和難度，提高了 PAR反演 模型的可操作性和實(shí)用化程度。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的而提供的一種提高光合有效輻射計(jì)算精度的方法，包括下列 步驟步驟100.引進(jìn)數(shù)字地形模型地形影響因子，計(jì)算復(fù)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(zhǎng)；步驟200.根據(jù)所述復(fù)雜地形下太陽下行單色光輻射I”計(jì)算復(fù)雜地形下瞬時(shí)光
合有效輻射
權(quán)利要求
1.一種提高光合有效輻射計(jì)算精度的方法，其特征在于，所述方法，包括下列步驟 步驟100.引進(jìn)數(shù)字地形模型地形影響因子，計(jì)算復(fù)雜地形下太陽下行單色光輻射強(qiáng)度
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的方法，其特征在于，所述步驟 100，包括下列步驟步驟110.計(jì)算直射光通量Id入
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的方法，其特征在于，所述步驟 150，包括如下步驟.步驟151.計(jì)算所述數(shù)字地形模型中任意兩點(diǎn)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(diǎn)在數(shù)組中的行列序號(hào)，H表示該點(diǎn)海拔高度 P=M^iA-iB)2+(jA-jB)2 ；步驟152.計(jì)算所述兩點(diǎn)A(iA，jA，Ha)和B(iB，jB，Hb)之間的高度角0，計(jì)算公式為步驟153.計(jì)算天空視角Asky，公式為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的方法，其特征在于，所述步驟 300，包括下列步驟步驟310.計(jì)算太陽輻射瞬時(shí)值
5.一種提高光合有效輻射計(jì)算精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)，包括復(fù)雜地形下太陽單色光輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊，用于引進(jìn)數(shù)字地形模型地形影響因子，計(jì) 算復(fù)雜地形下太陽下行單色光輻射強(qiáng)度
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述復(fù)雜 地形下太陽單色光輻射強(qiáng)度計(jì)算模塊，包括直射光通量計(jì)算模塊，用于計(jì)算直射光通量IdA
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述散射 輻射計(jì)算模塊，包括距離計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述數(shù)字地形模型中任意兩點(diǎn)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(diǎn)在數(shù)組中的行列序號(hào)，H表示該點(diǎn)海拔高度
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高光合有效輻射計(jì)算精度的系統(tǒng)，其特征在于，所述光和 有效輻射日值統(tǒng)計(jì)模塊，包括太陽輻射瞬時(shí)值計(jì)算模塊，用于計(jì)算太陽輻射瞬時(shí)值
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高光合有效輻射(PAR)計(jì)算精度的方法和系統(tǒng)。所述方法，包括下列步驟引進(jìn)數(shù)字地形模型地形影響因子，計(jì)算復(fù)雜地形下太陽下行單色光輻射強(qiáng)度Iλ＝Idir+Idif+Iadj，λ為真空中的波長(zhǎng)；根據(jù)所述復(fù)雜地形下太陽下行單色光輻射強(qiáng)度Iλ，計(jì)算復(fù)雜地形下瞬時(shí)光合有效輻射根據(jù)所述瞬時(shí)光合有效輻射PAR，擴(kuò)展成為光和有效輻射日值PARd。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102004848SQ20101053950
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者高志強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所