一种适用于矿区的NPP计算方法

技术领域

本发明属于地理学和生态学技术领域，具体涉及一种适用于矿区的NPP计算方法。

背景技术

生态系统净初级生产力(Net primary productivity,NPP)是指绿色植物经过光合作用在单位时间、单位面积所获取的有机物质总量与维持自养呼吸所消耗量的差值。NPP，不仅是表征生态系统质量和生产能力的重要变量，而且是判定生态系统碳源/汇功能和调节生态过程的主要因子和重要指标。矿区是我国能源开发的主体之一，矿区开采需要消除所有地表植被，开采过程中对土地资源的挖损、塌陷、压占改变了原始地貌和景观，破坏土壤结构和水文条件，进而导致区域生态系统固碳能力衰退。加强矿区NPP的监测与科学评价不仅能提高人们对矿区生态环境变化的认识，还能指导与优化矿区生产和修复活动，进而协调煤炭生产与环境保护共同发展。

目前对区域NPP进行评估的方法包括气候模型、过程模型和遥感模型。气候模型通过建立实测NPP数据和气象数据的回归关系来对整个研究区NPP进行模拟，该方法计算简单，但其模拟结果依赖于区域实测NPP数据且无法应用于其他区域。过程模型可以详细的描述植物的物质循环，但需要大量的辅助数据且很难获取，此外该方法多应用于站点尺度，无法满足大尺度观测的需求。遥感模型是基于光能利用模型进行NPP估算，其理论清晰，模型简单，可应用于不同时空尺度的NPP模拟，因此得到广泛应用。目前遥感模型多应用于草地、林地等生态系统NPP估算中，在矿区应用较少。如何充分考虑矿区NPP估算时需要充分考虑矿区开采对土壤结构、水文条件、植被原始生长环境和地形地貌的破坏及其对区域NPP的影响，目前还未得到有效解决。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种适用于矿区的NPP计算方法。

首先，利用熵权法确定不同像元FPAR

此外，考虑矿区开采对土壤、植被生长环境的扰动和植被光合作用的水热需求，构建了地表温度胁迫系数并同时将大气温度胁迫系数(低温胁迫系数T

最后，考虑到矿区开采导致的地形变化，对太阳辐射量、气温和地表温度进行地形校正得到真实起伏地形下的太阳辐射量、气温和地表温度，用于NPP计算。

具体技术方案为：

一种适用于矿区的NPP计算方法，具体包括以下步骤：

步骤一：获取矿区遥感影像，气象数据和再分析数据。

步骤二：进行预处理和空间化提取。

步骤三：计算植被指数(归一化植被指数NDVI、差值植被指数SR)。

步骤四：计算各子模型分量，分别计算植被对入射光合有效辐射的吸收比例FPAR

步骤五：耦合步骤三中各指标得到矿区NPP。

步骤六：精度对比和验证。

进一步的，步骤一的具体步骤包括：

步骤1.1：根据矿区范围下载对应条带的影像数据，包括Landsat系列遥感影像，光合有效辐射分量和叶面积指数数据MOD15A2，年度GPP产品MOD17A2，年度NPP产品MOD17A3，MOD16A3蒸散发数据，MOD11A2地表温度数据，土地利用类型数据和数字高程模型数据。

步骤1.2：下载矿区及周边气象数据，包括月总降水量，月平均气温，月总太阳辐射。

步骤1.3：下载矿区ERA5气象再分析数据。

进一步的，步骤二的具体步骤包括：

步骤2.1：对影像数据进行镶嵌、格式转换，重投影，重采样和最大值合成等操作，再利用ArcGIS软件对矿区范围进行裁剪。

步骤2.2：将日气象数据信息合成月数据，利用ANUSPLIN，以经纬度为自变量，高程作为协变量，对矿区气象数据进行空间插值，获取气象栅格数据。

步骤2.3：对气象再分析数据进行重采样、重投影、裁剪和均值合成。

进一步的，步骤三的具体步骤包括：

步骤3.1：计算NDVI；

步骤3.2：计算SR。

进一步的，步骤四的具体步骤包括：

步骤4.1：利用FPAR

步骤4.2：计算第t月像元x处的光合有效辐射APAR

步骤4.3：计算各胁迫因子对光能利用率的胁迫系数，包括低温胁迫系数T

步骤4.4：计算第t月像元x处的实际光能利用率ε

步骤4.5：计算第t月像元x处植物的维持性呼吸分量R

步骤4.6：计算第t月像元x处的自养呼吸R

进一步的，步骤五的具体步骤包括：

步骤5.1：耦合步骤三中各分量计算NPP

NPP

APAR

ε

R

其中，APAR

进一步的，步骤六的具体步骤包括：

利用MOD17A3 NPP数据产品对计算得到的NPP估算结果进行精度对比和验证

本发明的优势之处在于：

(1)利用熵权法确定不同像元FPAR

(2)考虑矿区开采对土壤、植被生长环境的影响，利用斜率函数构建了地表温度胁迫系数，同时将大气温度胁迫系数、地表温度胁迫系数、大气水分胁迫系数、土壤和植被水分胁迫系数纳入光能利用模型中，可更可靠地反映矿区水热因子对光能利用率的胁迫特征。

(3)考虑到矿区开采导致的地形变化，对太阳辐射量、大气温度和地表温度进行地形校正得到真实起伏地形下的太阳辐射量、大气温度和地表温度，用于NPP计算。

附图说明

图1是本发明整体流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施方式，对本发明进行清晰完整的描述。

附图1为本发明的整体流程图，具体实施方式如下：

步骤一：获取矿区遥感影像与气象数据，具体步骤包括：

步骤1.1：根据矿区范围下载对应条带的影像数据，包括Landsat系列遥感影像，光合有效辐射分量和叶面积指数数据MOD15A2，年度GPP产品MOD17A2，年度NPP产品MOD17A3，MOD16A3蒸散发数据，MOD11A2地表温度数据，土地利用类型数据和数字高程模型数据。

步骤1.2：下载矿区及周边气象数据，包括月总降水量，月平均气温，月总太阳辐射。

步骤1.3：下载矿区ERA5气象再分析数据

步骤二：进行预处理和空间化提取，具体步骤包括：

步骤2.1：对步骤一获取的Landsat系列影像数据进行辐射校正、大气校正、影像拼接，影响裁剪得到矿区范围影像；对MODIS产品数据(MOD15A2、MOD17A2、MOD17A3、MOD16A3、MOD11A2)进行镶嵌、格式转换，重投影，重采样和最大值合成和裁剪；对土地利用类型数据进行重投影、重分类、裁剪等操作得到矿区土地利用类型数据；对数字高程模型数据进行重投影、重分类、裁剪。

步骤2.2：将日均值气象观测数据信息合成月均值数据，利用ANUSPLIN，以经纬度为自变量，高程作为协变量，对矿区及其周边气象数据进行空间插值，获取气象栅格数据。

步骤2.3：对ERA5气象再分析数据进行重采样、重投影、裁剪和均值合成，提取露点温度和相对湿度数据集。

步骤三：计算植被指数，包括归一化差异植被指数NDVI、比值植被指数SR，具体步骤包括：

步骤3.1：计算NDVI；

步骤3.2：计算SR；

步骤四：计算各子模型分量，分别计算第t月像元x处植被对入射光合有效辐射的吸收比例FPAR

步骤4.1：

①计算FPAR

其中，NDVI

②统计研究区所有像元数据，利用熵权法确定FPAR

FPAR

③SOL

SOL

步骤4.2：计算第t月像元x处的光合有效辐射APAR

APAR＝SOL

步骤4.3：计算低温对光能利用率的胁迫作用T

①对气温进行地形校正。根据气象站海拔高度和观测值拟合气温垂直递减率，由垂直递减率和气象站点海拔高度把观测气温换算到海拔高度为“0”处的气温，利用ANUSPLIN进行插值模拟起伏地形下的真实温度。

②利用校正后的温度计算T

T

其中T

③对地表温度进行地形校正。主要从坡度分区、高程校正和坡度校正来抑制LST的地形效应。首先按照坡向将矿区范围划分为阳坡(坡向范围为90°-210°)、过渡坡(坡向范围为210°-270°、30°-90°)和阴坡(坡向范围为270°-30°)；其次，对阳坡、过渡坡和阴坡分别建立LST与DEM和坡度的二元回归模型；最后根据建立的二元回归模型将各像元位置处的LST校正到水平面上，得到起伏地形下的LST分布特征。

④利用校正后的地表温度计算L

其中，L

⑤计算FVPD

其中，VPD

⑥参考相关文献选取不同地类的ε

步骤4.4：计算第t月像元x处的实际光能利用率ε

ε

步骤4.5：计算第t月像元x处植物的维持性呼吸分量R

①R

R

②R

步骤4.6：计算第t月像元x处的自养呼吸R

R

步骤五：耦合步骤三中各指标得到矿区NPP，具体步骤包括：

步骤5.1：耦合步骤三中各分量计算NPP

NPP

APAR

ε

R

其中，APAR

步骤六：精度对比和验证，具体步骤包括：

利用MOD17A3 NPP数据产品对NPP估算结果进行验证，用R

综上，本发明提供了一种适用于矿区的NPP计算方法。利用熵权法确定不同像元FPAR

上述方法可以实时反映矿区NPP时空分布特征，可为矿区生态环境治理提供有力支撑。