一种葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统及检测方法

本技术涉及葡萄园生态系统碳汇监测系统及其检测方法，尤其涉及一种葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统及其检测方法，特别是干旱区葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统及其检测方法。

背景技术：

1、葡萄园是农业生态系统的重要组成部分，特别是对于干旱地区，因为葡萄耐旱、耐瘠薄、经济效益高的特性而在一些无法种植其他作物的山荒地上广泛种植；葡萄的种植使得昔日的山荒地资源变成了“绿洲”；与荒漠草原生态系统相比，葡萄园生态系统具有更强的光合生产力和更大的生物量，其年碳汇量也更高，在生态系统碳循环方面具有显著贡献；葡萄园生态系统能够固定大气中的co2，将其封存在葡萄的果实、茎干等生物体中，或经根际微生物残体和枯落物等腐殖质转化储存在土壤碳库中，形成葡萄园生态系统碳储体；但葡萄通过叶片吸收大气中co2的速率并非恒定，其随着季节变化、昼夜交替和白昼内的太阳辐射与气象环境要素会产生较大幅度的变化，因此开展高频率、高精度的葡萄园生态系统碳汇速率监测，估算实时碳汇过程对评估葡萄园碳汇功能至关重要。针对葡萄园生态系统开发碳汇监测系统及其检测方法，为葡萄园生态系统碳汇量核算提供依据，使葡萄园碳汇交易具备可操作性，有效服务国家“双碳”目标。

技术实现思路

1、针对葡萄园生态系统碳汇高效、高频、高精度和大范围的监测需求，和葡萄吸收大气co2的速率随季节、昼夜和环境变化而变化的特点，本技术提供一种葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统及其检测方法，为核算葡萄园生态系统碳汇量提供依据。

2、通过跨尺度集成地基站点尺度的涡度相关碳汇监测系统、空基葡萄园尺度的无人机碳汇监测系统、天基区域尺度的卫星遥感碳汇反演系统，形成葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统及检测方法；基于涡度相关技术，在标准下垫面上求解葡萄园地-气间的高频co2交换过程，计算站点尺度的高精度、实时碳汇速率；基于无人机激光雷达技术，在葡萄园尺度上开展葡萄生物量监测，计算植物碳汇量；在区域尺度上利用卫星遥感数据和碳汇反演模型，开展区域性碳汇量核算与评估。

3、利用地基站点涡度相关技术观测的高频率、高精度碳汇速率数据，计算葡萄园植被与大气间不同时间尺度的碳通量和碳汇量，验证空基葡萄园尺度的无人机碳汇监测结果和天基区域尺度的卫星遥感碳汇反演模型，形成葡萄园碳汇核算的时间尺度匹配和空间升尺度扩展；空基无人机碳汇监测能够灵活获取葡萄不同生长阶段生物量，计算园区尺度的葡萄园生态系统植物碳汇量，无人机不受时间和地点限制，能根据葡萄生长和葡萄园监测需求开展低空飞行监测任务；而区域尺度的碳汇遥感反演，不仅可以掌握不同产区或区域的碳汇空间差异特征，还可重建葡萄园垦殖背景下的区域碳汇演变，估算葡萄园垦殖带来的碳汇价值增量。

4、本技术请求保护的一种葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统，包括地基站点尺度的涡度相关碳汇监测系统、空基葡萄园尺度的无人机碳汇监测系统、天基区域尺度的卫星遥感碳汇反演系统和天-空-地一体化碳汇监测系统的跨尺度集成；

5、所述地基站点尺度的涡度相关碳汇监测系统包括：针对葡萄生长特性的葡萄园碳通量检测塔选址，建立涡度相关的碳通量检测塔，在碳通量检测塔上配置满足葡萄生态系统地-气co2交换速率检测的红外气体分析仪和三维超声风速仪，同时配置长短波辐射、空气温湿度、降水和土壤温湿度传感器，实时检测葡萄各阶段地-气间co2交换和环境要素数据，并通过数据采集器采集、处理和存储，数据采集器连接工业路由器，通过设置vpn链路和网络连接，将检测到的数据远程无线传输至服务器上，通过异常数据诊断、剔除和插补算法处理，得到涡度相关碳通量观测数据集，实现地基站点尺度基于涡度相关的高频、高精度连续检测葡萄园碳汇速率监测，计算站点尺度的碳通量和碳汇量；

6、所述空基葡萄园尺度的无人机碳汇监测系统包括：低空无人机平台、激光雷达系统，所述激光雷达系统包括全球定位系统gps、惯性导航系统ins以及激光距离测量仪；所述激光雷达系统搭载在低空无人机平台上，在开展空基葡萄园尺度的无人机碳汇监测时，将激光雷达系统通过接口搭载于无人机底部；所述无人机碳汇监测组装搭建完成后，考虑被监测葡萄园的地形特点和田块形态，设置无人机飞行航线，开展无人机激光雷达数据飞行采集，原始激光雷达扫描数据实时存储于高速sd存储卡中；所述激光雷达系统获取地面反射的激光信号，无人机碳汇监测获得的数据，利用数字地形模型dtm和营养生长结束后的数字地表模型dsm，得到数字冠层高度dchm模型，监测葡萄园植物碳汇量；

7、所述天基区域尺度的卫星遥感碳汇反演系统包括：基于净生态系统生产力nep原理的卫星遥感碳汇反演模型及过程算法，本地计算机、在线服务器和envi/idl、python、gee等软件，卫星遥感空间数据集、气象环境空间数据集；所述净生态系统生产力nep模型及其计算过程涉及的casa模型和相关参数计算算法，在本地计算机和envi/idl、python软件下开发完成；利用遥感反演的净初级生产力npp和基于气象数据估算的区域土壤呼吸rh，建立净生态系统生产力模型nep，估算整个产区的区域碳汇量；所述模型算法上传在线服务器，在gee环境下调用google卫星遥感空间数据集和气象环境空间数据集，计算区域尺度的葡萄园生态系统碳汇量，输出年、月时间尺度的空间碳汇量结果。

8、所述天-空-地一体化碳汇监测系统跨尺度集成包括：集成涡度相关、无人机和卫星遥感的跨尺度碳汇量估算，形成天-空-地一体化碳汇监测系统体系；所述涡度相关系统的数据采集器连接工业路由器，通过设置vpn链路和网络连接，远程无线传输至服务器上，生成基于涡度相关的高频、高精度的葡萄园碳汇速率和碳汇量数据；通过累计无人机监测时段和卫星监测时段的涡度相关碳汇量，将涡度相关碳汇监测结果与站点所在经纬度对应的无人和卫星遥感碳汇结果比对，形成跨尺度的监测结果验证；所述卫星遥感碳汇反演模型中的太阳总辐射量sol、植被吸收的光合有效辐射apar、葡萄生长的最适温度topt等参数可通过涡度相关系统观测的实测物理量进行律定和校正；所述无人机碳汇监测系统在园区尺度的葡萄碳汇量结果能够为卫星遥感在对应葡萄园的反演结果提供真实性检验样本，无人机监测的葡萄生物量转换成净生态系统生产力npp，可律定卫星遥感碳汇模型中的计算参数；所述涡度相关、无人机和卫星遥感碳汇监测系统通过时间尺度的碳汇累积、不同空间尺度的结果互验和直接观测对模型参数的律定与修正，形成天-空-地一体化碳汇监测系统。

9、本技术还请求保护一种葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇检测方法，基于本技术请求保护的葡萄园天-空-地一体化碳汇监测系统，包括如下步骤：

10、(1)针对葡萄生长特性的葡萄园碳通量检测塔的选址、建立涡度相关的碳通量检测塔；

11、(2)针对葡萄光合作用特点和环境影响差异的涡度相关碳通量异常数据诊断、剔除，其特点在于使用了最适合葡萄园生态系统的1.5倍标准差剔除法和差分剔除法；

12、(3)依据葡萄生长特性的数据插补，使用平均昼夜插补法进行插补和替换涡度相关实测数据缺失值和异常值，其特点在于取插补时间序列的长短不同，即窗口大小不同，本技术使用了最适合葡萄园生态系统的、以7天为插补时间序列长度的平均窗口；

13、(4)利用无人机激光雷达技术，提取葡萄园春季出土前的数字地形模型dtm和营养生长结束后的数字地表模型dsm，求解数字冠层高度dchm，根据葡萄冠层的碳密度，进行碳汇量估算，其特点在于结合了葡萄园冬季埋土这种特殊生产过程，创新性的利用埋土后激光雷达技术能够完全扫描到没有葡萄冠层覆盖的裸露地表的时机，提取葡萄园春季出土前的数字地形模型dtm；

14、(5)利用遥感反演的净初级生产力和基于气象数据估算的区域土壤呼吸，建立净生态系统生产力模型，估算整个产区的区域碳汇量，其特点在于不仅可以获取不同产区或区域的碳汇空间差异特征，还可重建葡萄园垦殖背景下的区域碳汇演变，估算葡萄园垦殖以带来的碳汇价值增量。

15、本技术请求保护的葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统，从监测尺度上，构成了站点→葡萄园→区域的升尺度监测体系；其中站点尺度的涡度相关监测具有监测精度高、数据采样频率高，不仅可以提供地面站点上高质量的碳汇数据，而且能用这套碳汇数据和环境要素建立模型，解耦出葡萄园生态系统碳汇过程与气温、降水等环境要素之间的模型参数，通过这些参数的律定，为区域碳汇量卫星遥感估算模型算法提供基础参数；同时，地面实测的站点数据又可以对卫星遥感估算的区域碳汇量进行验证，评价碳汇量卫星遥感估算模型算法的效果；同样，站点尺度的涡度相关监测数据也可为无人机碳汇监测体系提供参数修正，无人机葡萄园尺度估算的碳汇量亦可通过涡度相关站点数据来验证其精度。

16、天-空-地三种监测系统，从参数律定和精度验证等层面，通过时间尺度累积匹配和空间升/降尺度转换进行互相支撑，构建出葡萄园生态系统的天-空-地一体化碳汇监测系统。其中，涡度相关站点观测的数据精度和频率高，可以为无人机碳汇监测和区域尺度卫星遥感碳汇监测模型提供实测验证和算法参数的校正与率定；无人机和卫星遥感系统可以获得区域空间面上的碳汇量，弥补涡度相关站点不能高密度布设，建设成本高的缺点；卫星遥感存档有历史数据，可以反演出葡萄园历史年份的碳汇，弥补当前在地面建设涡度相关站点，获取不到葡萄园开发过程中生态系统的碳汇演变历史；无人机碳汇监测具有高度时空灵活性特点，可根据葡萄生长和葡萄园监测需求开展低空飞行监测任务；葡萄园生态系统天-空-地一体化碳汇监测系统通过跨时间尺度和跨空间尺度的系统集成，则能弥补原有各自技术缺陷，实现葡萄园生态系统碳汇高频率、高精度、灵活性、长时间、大范围监测的所有需求。