本发明涉及生态指标计算领域，尤指一种基于遥感反演技术的草地地上生物量指标计算方法。
背景技术：
植物群落的生物量是体现生态系统结构与功能的综合性数量特征，群落生物量的变化，会影响到生态系统的其他过程如陆地的碳循环以及到全球的气候变化。中国天然草地面积占国土陆地面积的40％以上，是陆地生态系统的重要组成部分。因此，全面了解草地的生物量，对草地生态系统的碳循环长期监测、草地退化评价和天然草场的合理利用与管理具有重要的科学与应用价值。
草地地上生物量的计算方法大致可以分为两类：一是野外测量法，二是模型模拟法。野外测量法一般等草地地上现存量达到最大时用样方收获的方式获取。这种方法较为费时、费力，并且受到交通可达性影响。模型模拟法又可以细分为经验-半经验统计回归法、机理模型法等。经验-半经验统计归回法通常利用野外测量法得到的样点数据与一些植被指标，如NDVI(Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数)建立线性、非线性回归拟合公式，进而得到整个区域的模拟结果。这种方法缺乏理论支撑，结果的优劣与所采用的数据源质量、区域位置高度相关，很难推广到其他区域。机理模型法从机理上对植物的生理生态过程及其影响因子、反馈机制等进行模拟，大多是将土壤-植物-大气连续体作为一个整体来考虑，包括光合作用、呼吸作用、蒸发蒸腾、气孔导度等多个子模块。机理模型有完备的理论体系，但是涉及到众多输入量，如土壤温度、湿度等，因此只能在设有相关设备的观测站附近进行演算，在实际应用过程中很难推广到整个区域。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种利用高时间分辨率和空间分辨率的遥感数据(例如高分1号卫星的多光谱数据，其空间分辨率为16米，时间分辨率为2-4天)，结合气象观测数据，基于草地光能利用率机理模型，实现大范围草地地上生物量的反演计算。
为实现上述目的，本发明的基于高时间分辨率和空间分辨率多光谱遥感数据的草地地上生物量反演方法，具体步骤为：1)选取覆盖草地生长季(如5-9月)的多光谱遥感数据，计算NDVI，并合成覆盖研究区的每月最大NDVI；2)根据气象站点的月均温、月总降水量、月总太阳辐射数据，插值生成覆盖研究区的月均温、月总降水量、月总太阳辐射数据；3)基于光能利用率(Light Use Efficiency，LUE)理论，利用CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型计算草地的净第一生产力(Net Primary Productivity，NPP)；4)根据NPP和地上生物量和地下生物量之比，计算出草地地上生物量。
进一步，步骤1)中多光谱遥感数据要进行大气辐射纠正，用ENVI的6S或FLASSH模块进行纠正。
进一步，计算完每一景遥感数据的NDVI之后，对同一月份的NDVI进行最大值合成，用ArcGIS的Mosaic模块进行计算。
进一步，步骤2)中插值方法采用薄盘样条插值法，用ANUSPLIN工具实现。
进一步，插值结果为栅格格式，其空间分辨率与多光谱数据保持一致。
进一步，步骤3)中草地NPP计算具体步骤为：根据NDVI和草地类型，计算草地对光合有效辐射的吸收比例(FPAR)；根据一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温计算草地生长的最适宜温度指数；根据一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温和各个月的平均气温计算草地在偏离最适宜温度条件下的对光能利用率减少的系数；根据各个月的降水量，计算草地生长的水分胁迫影响因素；将每个月的太阳辐射数据、FPAR、草地生长的最适宜温度指数、草地在偏离最适宜温度条件下的对光能利用率减少的系数、草地生长的水分胁迫影响因素和草地有效辐射转换率系数，得到草地的月度NPP结果；最后将生长季各个月的NPP结果相加，得到草地年度NPP结果。
进一步，步骤3)中参与计算的草地类型数据为栅格格式，可以从草地类型图等矢量数据通过矢栅转换得到，其空间分辨率与多光谱数据保持一致。
进一步，步骤3)中草地有效辐射转换率系数与草地类型相对应，每一种草地类型都有对应的草地有效辐射转换率系数值，可以通过文献查阅或实测获得。
进一步，步骤4)中草地地上生物量计算具体步骤为：把草地年度NPP结果与草地类型的根冠比、根系周转率、地下部分含碳量、地上部分含碳量按公式计算得到结果。
进一步，步骤4)中不同草地类型的根冠比、根系周转率、地下部分含碳量、地上部分含碳量等系数，可以通过文献查阅或实测获得。
本发明针对草地地上生物量，提出了一种基于多光谱遥感影像的反演模型算法。本发明的算法综合了遥感影像获取大范围监测数据的特点和机理模型的理论优势，能够较为精确的模拟草地地上生物量，可用于天然草地的生态状况监测、放牧管理等。
附图说明
图1为本发明基于高时间分辨率和空间分辨率多光谱遥感数据的草地地上生物量反演方法的流程图
具体实施方式
本发明基于高时间分辨率和空间分辨率多光谱遥感数据的草地地上生物量反演方法计算流程如图1所示。对本方法算法原理的具体介绍如下：
1.基于光能利用率计算NPP原理
NPP代表了绿色植物在单位时间、单位面积内所能固定的有机物总量。光能利用率模型通过草地吸收的光合有效辐射(absorbed photosyn-thetically active radiation，APAR)和有效辐射转换率(ε)来计算草地的NPP：
NPP＝APAR(x，t)×ε(x，t)
式中：x为空间位置，t为时间
APAR(x，t)表示像元在t月内吸收的光合有效辐射，单位为MJ.m-2.month-1。ε(x，，t)表示像元在t月的实际有效辐射转换率，单位为gC.MJ-1。草地吸收的光合有效辐射(APAR)由太阳总辐射中的光合有效辐射(photosynthetically active radiation，PAR)和草地对光合有效辐射的吸收比例(FPAR)决定，FPAR利用归一化植被指数(NDVI)和草地类型表示，ε是草地把吸收的光合有效辐射(FPAR)转换为有机炭的效率，主要受温度和水分的影响。
APAR(x，t)＝SOL(x，t)×FPAR(x，t)×0.5
SOL(x，t)表示t月内像元(位置)x处的太阳辐射总量，单位为MJ.m-2；FPAR为草地层对入射光合有效辐射的吸收比例(无单位)；常数0.5表示草地所能利用的太阳有效辐射(波长为0.38-0.71μm)占太阳总辐射的比例。
在理想条件下草地具有最大光利用率，而在现实条件下的最大光利用率主要受温度和水分的影响：
ε(x，t)＝Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax
前两个因子表示低温和高温对光能利用率的胁迫作用。第三个因子表示水分胁迫影响系数，反映水分条件的影响。第四项是理想条件下的最大光能利用率，即有效辐射转换率(gC.MJ-1)。
综合上式，计算NPP变成了：
NPP＝SOL(x，t)×FPAR(x，t)×0.5×Tε1(x，t)×Tε2(x，t)×Wε(x，t)×εmax
其中：(1)SOL(x，t)为太阳辐射总量，通过气象站点观测数据插值得到：
(2)FPAR(x，t)计算方法
FPAR(x，t)与NDVI存在线性关系，可以根据某一草地类型NDVI的最大值和最小值以及所对应的FPAR最大值和最小值来确定：
式中FPARmax、FPARmix的取值与草地类型无关，分别为0.95、0.001。NDVIi，max，NDVIi，min分别为对应的第i种草地类型的NDVI最大值和最小值。
进一步研究表明，FPAR(x，t)与比值草地指数SR也存在较好的线性关系：
SRi，max，SRi，min分别为对应的第i种草地类型的NDVIi，max，NDVIi，min：
NDVI所估算的FPAR比实测值高，而由SR所估算的FPAR则低于实测值，但其误差小于直接由NDVI所估算的结果，因此取两者的均值作为FPAR估计值：
FPAR(x，t)＝α×FPARNDVI+(1-α)×FPARsR
α为调整系数。
(3)Tε1(x，t)计算方法
Tε1(x，t)反映在低温和高温时植物内在的生化作用对光合的限制而降低净第一生产力，可以用下面公式表示：
Tε1(x，t)＝0.8+0.02Topt(x)-0.0005[Topt(x)]2
Topt(x)为某一区域一年内NDVI值达到最高时的当月平均气温，NDVI的大小及其变化可以反映植物的生长状况，NDVI达到最高时，植物生长最快，此时的气温可以在一定程度上代表植物生长的最适温度。
(4)Tε2(x，t)计算方法
Tε2(x，t)表示环境温度从最适温度(Topt)向高温和低温变化时植物光利用率逐渐变小的趋势，这是因为低温和高温时，高的呼吸消耗必将降低光利用率，生长在偏离最适温度的条件下，其光利用率也一定会降低：
T(x，t)表示t月份像元x处的平均温度。当某月的平均温度比最适温度(Topt)高10°或低13°时，Tε2(x，t)等于月平均温度(T(x，t))为最适温度(Topt)时Tε2(x，t)的一半。
(5)Wε(x，t)计算方法
水分胁迫影响系数Wε(x，t)，反映了植物所能利用的有效水分条件对光利用率的影响。随着环境中有效水分的增加，Wε(x，t)逐渐增大，它的取值范围为0.5(在极端干旱条件下)到1(非常湿润条件下)，公式为：
EET(x，t)为区域实际蒸散量(mm/月)，PET(x，t)为区域潜在蒸散量(mm/月)。EET(x，t)根据区域实际蒸散模型求取：
式中，r为降水量(mm)，Rn为净辐射量(mm)。由于一般的气象观测站均不进行地表净辐射观测，Rn计算方法如下：
Rn＝(Ep×r)1/2·[0.369+0.598·(Ep/r)1/2]
Ep为局地潜在蒸散量，即当地气候条件下小块充分湿润地面的蒸散量。Ep与月均温度T(℃)之间的关系如下，单位为mm/月：
Ep＝16×(10T/I)α
其中：
α＝(0.675×I3-77.1×I2+17920×I+492390)×10-6
I是12个月总和的热量指标，a则是因地而异的常数，是I的函数。这一关系仅在气温0°到26.5°之间有效。气温低于0°时潜在蒸散定为0，在高于26.5°时，潜在蒸散仅随温度增加而增加，与I无关。
区域实际蒸散、局地潜在蒸散、区域潜在蒸散的互补关系：
EET(x，t)+Ep＝2×PET(x，t)
至此，Wε(x，t)可以根据月降雨量与温度求得。
2.基于NPP与地上地下生物量之比计算地上生物量原理
根据NPP结果与地下地上生物量比，可以计算出草地地上生物量，即产草量，单位为g/m2，
NPP＝ANPP+BNPP
ANPP为草地地上部分生物量，BNPP为草地地下部分生物量。因此可以通过各类草地地上部分和地下部分生产力比值估算草地产草量：
GY为草地产草量。其中BNPP计算方式如下：
BNPP＝BGB×(live BGB/BGB)×turover
turover＝0.0009×ANPP+0.25
其中BGB为草地地下部分(根系)生物量，live BGB/BGB为活根系生物量占总根系生物量的比例，BGB×(liveBGB/BGB)等同于地下活生物量与地上生物量之比(R/S)，turnover为草地植物根系周转值。
需要指出的是根据本发明的具体实施方式所做出的任何变形，均不脱离本发明的精神以及权利要求记载的范围。