一種基于樣點時空代表性的npp監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法，該方法根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小和監(jiān)測目標(biāo)，利用相應(yīng)的時間序列NPP遙感產(chǎn)品，在對其時空重建的基礎(chǔ)上，逐像元計算平均相對偏差及其標(biāo)準(zhǔn)差，分析各像元的時空代表性，根據(jù)可接受的平均相對偏差和可投入建立的監(jiān)測點規(guī)模最終確定監(jiān)測網(wǎng)的樣點分布。本發(fā)明簡單實用、考慮空間關(guān)系、不需要任何假設(shè)且能充分利用現(xiàn)有多種遙感數(shù)據(jù)的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣，實現(xiàn)了充分利用了容易獲取的NPP遙感產(chǎn)品，可快速、低成本的設(shè)計NPP長期監(jiān)測網(wǎng)，并可用于已有觀測網(wǎng)的冗余檢查與優(yōu)化。
【專利說明】—種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及地理學(xué)與生態(tài)科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是一種通過分析樣點的時空代表性來確定NPP監(jiān)測點位置和數(shù)量的方法，該方法也可用于優(yōu)化已有監(jiān)測網(wǎng)，以減少觀測冗余。
【背景技術(shù)】
[0003]植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)是指綠色植物在單位面積、單位時間內(nèi)所累積的有機物數(shù)量，是由光合作用所產(chǎn)生的有機質(zhì)總量(GPP)中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分，它直接反映植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力。NPP在全球碳循環(huán)研究中扮演著重要的角色，是評價生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)性、人類承載力的重要指標(biāo)，是進行生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動研究的重要基礎(chǔ)。
[0004]在全球變化和人類活動加劇的背景下，認(rèn)識和了解某一區(qū)域NPP的實際變化，需要建立長期NPP監(jiān)測網(wǎng)，如何科學(xué)合理的設(shè)計監(jiān)測網(wǎng)，使其觀測值能長期的反映該區(qū)域的NPP變化，即確定監(jiān)測網(wǎng)中觀測點的位置和數(shù)量，是這一問題的關(guān)鍵。
[0005]目前，常用的采樣設(shè)計方法包括經(jīng)典采樣方法和基于空間統(tǒng)計的采樣方法兩大類。經(jīng)典采樣方法如隨機采樣、系統(tǒng)采樣和分層隨機采樣等，執(zhí)行簡單、需要的數(shù)據(jù)少，但其不考慮采樣要素的空間關(guān)系，用其設(shè)計的觀測網(wǎng)一般需要較多的觀測點。基于空間統(tǒng)計是目前應(yīng)用和研究較多的一類方法，該方法考慮采樣要素的空間自相關(guān)性，設(shè)計的監(jiān)測網(wǎng)可得到最優(yōu)無偏的NPP估計結(jié)果，但該方法一般需要較多的先驗數(shù)據(jù)，且需要滿足二階平穩(wěn)假設(shè)，而這個假設(shè)在實際中很難滿足。
[0006]隨著地球觀測系統(tǒng)的建立，NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計中可用的數(shù)據(jù)已經(jīng)越來越多，多種分辨率的時間序列NPP遙感產(chǎn)品可以容易低廉的獲取，雖然這些遙感數(shù)據(jù)的精度還有待進一步驗證，但其空間覆蓋能力是空前的，且能很好反映NPP的空間結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)可為地面監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)計提供豐富的先驗知識。因此，設(shè)計一種簡單實用、不需要任何假設(shè)、且能充分利用豐富的先驗知識的NPP監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計方法。(Vachaud G, Silans APD, Balabanis P，et al.Temporal stability of spatially measured soil water probability densityfunction.Soil Science Society of America, 1985,49: 822-28)等提出的空穩(wěn)定性的概念為發(fā)展這樣的方法提供了可能。
[0007]時空穩(wěn)定性的概念是指空間采樣點與環(huán)境屬性統(tǒng)計參數(shù)之間關(guān)系的時間不變性。Kachanoski (Kachanoski, R.G., & De Jong, E.Scale dependence and the temporalpersistence of spatial patterns of soil waters storage.Water ResourcesResearch, 1988，24，85 - 91)等又對這一概念進行了發(fā)展，他們認(rèn)為時空穩(wěn)定性是與空間尺度有關(guān)的空間分布結(jié)構(gòu)或模式在時間上的持續(xù)性?？梢姡瑫r空穩(wěn)定性描述的是環(huán)境屬性空間結(jié)構(gòu)在時間上的持續(xù)性，可用于表達某一采樣點相對于整個區(qū)域平均值的時間穩(wěn)定性，用于評價某一觀測點估計區(qū)域平均的能力。時空穩(wěn)定性概念在土壤水分觀測數(shù)據(jù)的分析中得到了較多的應(yīng)用，研究者認(rèn)為:在點觀測向區(qū)域平均的尺度轉(zhuǎn)換，時空穩(wěn)定性有利于減少尺度轉(zhuǎn)換的偏差。如果換一個應(yīng)用對象和角度，利用時空穩(wěn)定性分析方法分類先驗數(shù)據(jù)的每一像元的時空代表性，則可將其變?yōu)橐环NNPP監(jiān)測網(wǎng)采樣方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]基于對問題的上述思考，本發(fā)明的目的在于提供一種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法。該方法根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小和監(jiān)測目標(biāo)，利用相應(yīng)的時間序列NPP遙感產(chǎn)品，在質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，逐像元分析其時空穩(wěn)定性，根據(jù)時空穩(wěn)定性分析結(jié)果和監(jiān)測網(wǎng)規(guī)模確定監(jiān)測網(wǎng)樣點的數(shù)量和分布。
[0009]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法，其步驟是:
第一步:先驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備
根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小，綜合考慮NPP觀測儀器本身的足跡(Footprint)，選用不同空間分辨率的時間序列NPP遙感產(chǎn)品；
第二步:時空重建
對獲取的時間序列NPP遙感產(chǎn)品進行時空重建，得到時空連續(xù)的NPP遙感產(chǎn)品； 第三步:時空穩(wěn)定性計算
計算時空穩(wěn)定性的兩個指標(biāo)平均相對偏差及其標(biāo)準(zhǔn)差；
第四步:時空穩(wěn)定性分析
根據(jù)平均相對偏差對所有像元進行排序并標(biāo)出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，分析并初步選擇可作為采樣點的像元；
第五步:確定采樣點數(shù)量和位置
根據(jù)擬投入建立的觀測點數(shù)量和精度要求，從平均相對偏差排序中選擇時空代表性最好的像元作為采樣點。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點:
1、本發(fā)明簡單實用、可充分利用已有的先驗知識、考慮了時間和空間關(guān)系，且不需要任何假設(shè)；
2、本發(fā)明可快速、低成本的設(shè)計NPP監(jiān)測網(wǎng)，確定了監(jiān)測點的數(shù)量和位置，并可用于已有觀測網(wǎng)的冗余檢查與優(yōu)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計流程圖。
[0012]圖2樣點時空代表性分析。
【具體實施方式】
[0013]綜合考慮監(jiān)測區(qū)域的大小、地面NPP觀測方式等信息，選用不同時空分辨率的NPP遙感產(chǎn)品，并利用時空濾波的方法對其進行時間序列重建，利用重建后時空完整的NPP遙感產(chǎn)品，逐像元做時空穩(wěn)定性分析，即計算每個像元的平均相對偏差及其標(biāo)準(zhǔn)差，最后根據(jù)擬投入的觀測成本和精度要求，確定觀測點的數(shù)量和位置，即選擇平均相對偏差接近0且其標(biāo)準(zhǔn)差小的像元建立觀測點。
[0014]下面，就具體的方法表述如下:
一種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法，其步驟是:
第一步:獲取時間序列NPP遙感廣品； 根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小，綜合考慮擬采用的NPP地面觀測儀器本身的空間代表性，即足跡(Footprint),選用不同空間分辨率的時間序列NPP遙感產(chǎn)品。如果監(jiān)測區(qū)域較大,且采用渦動相關(guān)儀(EC)觀測，則利用MODIS的250米NPP產(chǎn)品即可。NPP遙感產(chǎn)品的時間分辨率可根據(jù)遙感產(chǎn)品的可獲取性和對時間代表性的要求，一般在1-20天為宜，最大不宜超過30天。可選的時間序列NPP遙感產(chǎn)品可來源于以下幾個方面:
UMODIS遙感產(chǎn)品，空間分辨率從250米到I公里，時間分辨率逐日；
2、基于TM/ETM+估算NPP，空間分辨率為30米，時間分辨率為16天；
3、環(huán)境(HJ)衛(wèi)星估算NPP，空間分辨率為30米，時間分辨率可達到2天。
[0015]第二步:時間序列重建；
獲取所需要的時間序列NPP遙感產(chǎn)品，需要評估產(chǎn)品的時空完整性。對于時空不完整的產(chǎn)品需要做時間序列重建處理。本發(fā)明中，缺失像元的NPP值采用Garcia, (2010)發(fā)展的基于離散余弦變換(Discrete Cosine Transforms, DCT)的懲罰最小二乘回歸算法計算得到，該算法可明確的使用時間序列信息估計缺失值，該算法的matlab函數(shù)(smoothn)可在 http://www.biomecardi0.com/matlab/smoothn.html 下載，下面是該網(wǎng)站提供了一個計算示例:
X = Iinspace(0, 100, 2'8);
y = cos (x/10) + (x/50).'2 + randn(size(x))/5;
y([70 75 80]) = [5.5 5 6];
[z, s] = smoothn(y) ; %如果時間分辨率較粗,則建議使用普通平滑。
[0016]zr = smoothn (y, ’ robust’)； ％如果時間分辨率高,如逐日的時間分辨率,貝U建議使用強烈的平滑，即增加Robust參數(shù)。
[0017]subplot (121), plot (x, y, ' r.' , x, z)
title (’Regular smoothing’)
subplot (122), plot (x, y, ’ r.’，x, zr)
title (’Robust smoothing’)
第三步:時空穩(wěn)定性計算；
時空穩(wěn)定性用平均相對偏差及其標(biāo)準(zhǔn)差來評價，是Vachaud等(1985)提出的，在這里，我們用其評價每個遙感像元NPP的時空代表性。
[0018]平均相對偏差的定義如下:
si=~2^—f—'(3)
1J-1
(3)式中，j表示時間序列NPP產(chǎn)品的具體時間，i表示像元編號，則表示整個監(jiān)測區(qū)內(nèi)第n個像元j時相的NPP值。.?表示j時相監(jiān)測區(qū)內(nèi)所有像元的平均NPP值。平均相對偏差表示某一像元的NPP相對于整個監(jiān)測區(qū)域NPP平均值的狀態(tài)，正值表示該像元NPP相對較高，負(fù)值表示該像元NPP相對較低。
[0019]任意一監(jiān)測點平均相對偏差的標(biāo)準(zhǔn)差定義為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于樣點時空代表性的NPP監(jiān)測網(wǎng)采樣設(shè)計方法，其步驟是: 第一步:先驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的大小，綜合考慮NPP觀測儀器本身的足跡，選用不同空間分辨率的時間序列NPP遙感廣品； 第二步:時空重建 對獲取的時間序列NPP遙感產(chǎn)品進行時空重建，得到時空連續(xù)的NPP遙感產(chǎn)品； 第三步:時空穩(wěn)定性計算 計算時空穩(wěn)定性的兩個指標(biāo)平均相對偏差及其標(biāo)準(zhǔn)差； 第四步:時空穩(wěn)定性分析 根據(jù)平均相對偏差對所有像元進行排序并標(biāo)出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，分析并初步選擇可作為采樣點的像元； 第五步:確定采樣點數(shù)量和位置 根據(jù)擬投入建立的觀測點數(shù)量和精度要求，從平均相對偏差排序中選擇時空代表性最好的像元作為采樣點。
【文檔編號】G06F17/50GK103631999SQ201310612246
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】冉有華 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所