本發(fā)明實施例涉及植被葉面積指數(shù)模擬技術(shù)，尤其涉及一種植被葉面積指數(shù)的估計方法及裝置。

背景技術(shù)：

水文模擬中需要考慮陸面植被覆蓋對降雨截流、蒸散發(fā)和產(chǎn)匯流的影響，特別是當研究未來時期無觀測資料的降雨徑流過程時。而植被葉面積指數(shù)作為陸地植被覆蓋的重要參數(shù)，對模擬的表層土壤蒸發(fā)和植被葉面蒸發(fā)有重要影響。表層土壤蒸發(fā)模擬對表層土壤濕度、下滲和產(chǎn)流具有重要影響；植被葉面蒸發(fā)水分來自于植被根系從土壤根系區(qū)吸收的水分，因此植被葉面蒸發(fā)模擬對土壤根系區(qū)的含水量模擬有影響；由于虹吸作用，根系區(qū)土壤濕度模擬又對地下飽和含水層的動態(tài)模擬有影響。綜上所述，研究植被葉面積指數(shù)估計方法，對研究水文模擬和水資源評估等有重要意義。

現(xiàn)有技術(shù)中，普遍使用的植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)是基于衛(wèi)星遙感的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，例如MODIS(Moderate resolution Imaging Spectroradiometer，中分辨率成像光譜儀)葉面積指數(shù)(Leaf Area Index，LAI)。另外，政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)也發(fā)布植被葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)是利用已有觀測資料得到的數(shù)據(jù)，局限在于不能預(yù)測未來時期的數(shù)據(jù)；而IPCC發(fā)布的數(shù)據(jù)是利用固定的已有氣象數(shù)據(jù)，且是以平方公里為單位得到的數(shù)據(jù)，局限在于數(shù)據(jù)時空精度差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種植被葉面積指數(shù)的估計方法及裝置，以能夠使用預(yù)測的未來時期氣象數(shù)據(jù)，在較好的時空尺度上模擬植被葉面積指數(shù)的變化。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種植被葉面積指數(shù)的估計方法，所述方法包括：

建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系中包括待確定參數(shù)；

根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)；

根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，確定葉面積指數(shù)。

進一步地，所述氣象數(shù)據(jù)包括：近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射；

建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系包括：

基于近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，按照如下公式估計所述葉面積指數(shù)：

其中，LAI是葉面積指數(shù)，LAI_max是同種植被的最大葉面積指數(shù)，rad_lw是長波輻射，Rh是相對濕度，T_air是近地表空氣溫度，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆是待確定參數(shù)。

進一步地，根據(jù)葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)包括：

S1、接收用戶設(shè)置的待確定參數(shù)的范圍；

S2、根據(jù)所述范圍，確定待確定參數(shù)的值；

S3、將所述待確定參數(shù)的值、所述葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)輸入所述對應(yīng)關(guān)系中，得到葉面積指數(shù)的模擬值，其中，所述模擬值的數(shù)量與所述葉面積指數(shù)樣本的數(shù)量相同；

S4、計算所述模擬值和所述葉面積指數(shù)樣本的相關(guān)系數(shù)；

S5、如果所述相關(guān)系數(shù)小于預(yù)設(shè)值，則返回執(zhí)行S2；如果所述相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值，則執(zhí)行步驟S6；

S6、將相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值時的待確定參數(shù)的值作為率定的待確定參數(shù)。

進一步地，所述葉面積指數(shù)樣本為MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種植被葉面積指數(shù)的估計裝置，所述裝置包括：

對應(yīng)關(guān)系建立模塊，用于建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系中包括待確定參數(shù)；

待確定參數(shù)率定模塊，用于根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)；

葉面積指數(shù)估計模塊，用于根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，確定葉面積指數(shù)。

進一步地，所述氣象數(shù)據(jù)包括：近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射；

所述對應(yīng)關(guān)系建立模塊具體用于：

基于近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，按照如下公式估計所述葉面積指數(shù)：

其中，LAI是葉面積指數(shù)，LAI_max是同種植被的最大葉面積指數(shù)，rad_lw是長波輻射，Rh是相對濕度，T_air是近地表空氣溫度，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆是待確定參數(shù)。

進一步地，所述待確定參數(shù)率定模塊包括：

范圍接收單元，用于接收用戶設(shè)置的待確定參數(shù)的范圍；

參數(shù)值確定單元，用于根據(jù)所述范圍，確定待確定參數(shù)的值；

模擬值確定單元，用于將所述待確定參數(shù)的值、所述葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)輸入所述對應(yīng)關(guān)系中，得到葉面積指數(shù)的模擬值，其中，所述模擬值的數(shù)量與所述葉面積指數(shù)樣本的數(shù)量相同；

相關(guān)系數(shù)計算單元，用于計算所述模擬值和所述葉面積指數(shù)樣本的相關(guān)系數(shù)；

判斷單元，用于如果所述相關(guān)系數(shù)小于預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)參數(shù)值確定單元；如果所述相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)參數(shù)率定單元；

參數(shù)率定單元，用于將相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值時的待確定參數(shù)的值作為率定的待確定參數(shù)。

進一步地，所述葉面積指數(shù)樣本為MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，通過建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述對應(yīng)關(guān)系中的待確定參數(shù)，從而可以根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，來估計葉面積指數(shù)，實現(xiàn)了能夠使用預(yù)測的未來時期氣象數(shù)據(jù)來估計葉面積指數(shù)，并且預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)時空精度高時可以在較好的時空尺度上模擬植被葉面積指數(shù)的變化，對研究未來無葉面積指數(shù)無觀測資料的降雨徑流過程提供了方法依據(jù)，具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法中的率定待確定參數(shù)的流程圖；

圖3是本發(fā)明實施例二提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明實施例二提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法中的樹林區(qū)域公式模擬和MODIS觀測的LAI值散點圖；

圖5是本發(fā)明實施例二提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法中的C4草原植物公式模擬和MODIS觀測的LAI值散點圖；

圖6是本發(fā)明實施例二提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法中的C3草原植物公式模擬和MODIS觀測的LAI值散點圖；

圖7是本發(fā)明實施例三提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部內(nèi)容。

實施例一

圖1是本發(fā)明實施例一提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計方法的流程圖，本實施例可適用于根據(jù)預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)來估計植被葉面積指數(shù)的情況，該方法可以由植被葉面積指數(shù)的估計裝置來執(zhí)行，具體包括如下步驟：

步驟110，建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系中包括待確定參數(shù)。

其中，葉面積指數(shù)又叫葉面積系數(shù)，是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)。

本發(fā)明實施例根據(jù)氣象數(shù)據(jù)來估計葉面積指數(shù)，首先建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系中包括待確定參數(shù)，待確定參數(shù)可以通過以往實測的葉面積指數(shù)和對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)來率定得到。其中，氣象數(shù)據(jù)是與植被聯(lián)系緊密的數(shù)據(jù)，如近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射等。

可選的，所述氣象數(shù)據(jù)包括：近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射；

建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系包括：

基于近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，按照如下公式估計所述葉面積指數(shù)：

其中，LAI是葉面積指數(shù)，LAI_max是同種植被的最大葉面積指數(shù)，rad_lw是長波輻射，Rh是相對濕度，T_air是近地表空氣溫度，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆是待確定參數(shù)。在同種植被中，LAI_max是一定值。

步驟120，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)。

將以往實測得到的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)作為葉面積指數(shù)樣本，并獲取對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)代入所述對應(yīng)關(guān)系中，率定所述待確定參數(shù)。

示例性的，葉面積指數(shù)樣本為4年的同種植被的葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)，對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)為這4年的氣象數(shù)據(jù)，并且以天為單位，因為MODIS每8天觀測一次葉面積指數(shù)，則數(shù)據(jù)的總數(shù)量為4×365/8＝182，將這182對葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)代入所述對應(yīng)關(guān)系中，對所述待確定參數(shù)進行率定。

其中，圖2是本發(fā)明實施例提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法中的率定待確定參數(shù)的流程圖，如圖2所示，根據(jù)葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)包括：

步驟121、接收用戶設(shè)置的待確定參數(shù)的范圍；

用戶首先給定一組待確定參數(shù)的范圍，即所述對應(yīng)關(guān)系中每個待確定參數(shù)的范圍。

步驟122、根據(jù)所述范圍，確定待確定參數(shù)的值；

從每個待確定參數(shù)的范圍中，隨機選取一個值作為該待確定參數(shù)的值。

步驟123、將所述待確定參數(shù)的值、所述葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)輸入所述對應(yīng)關(guān)系中，得到葉面積指數(shù)的模擬值，其中，所述模擬值的數(shù)量與所述面積指數(shù)樣本的數(shù)量相同；

確定待確定參數(shù)的值后，將所述葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)輸入所述對應(yīng)關(guān)系中，每個葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)得到一個葉面積指數(shù)的模擬值，總共得到與所述葉面積指數(shù)樣本的數(shù)量相同的模擬值。其中，所述葉面積指數(shù)樣本為MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。

步驟124、計算所述模擬值和所述葉面積指數(shù)樣本的相關(guān)系數(shù)；

所述葉面積指數(shù)樣本的值即為觀測值，計算所述模擬值和所述觀測值的相關(guān)系數(shù)。一組模擬值和觀測值可得到一個相關(guān)系數(shù)。

步驟125、如果所述相關(guān)系數(shù)小于預(yù)設(shè)值，則返回執(zhí)行步驟122；如果所述相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值，則執(zhí)行步驟126；

判斷所述相關(guān)系數(shù)是否小于預(yù)設(shè)值，如果是則返回執(zhí)行步驟122，如果否則執(zhí)行步驟126。

步驟126、將相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值時的待確定參數(shù)的值作為率定的待確定參數(shù)。

相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值時，確定的待確定參數(shù)的值位率定的待確定參數(shù)。

在上述待確定參數(shù)的率定過程中，以模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)作為率定指標，使得率定的待確定參數(shù)更加準確。

步驟130，根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，確定葉面積指數(shù)。

待確定參數(shù)率定后，葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系就已經(jīng)明確，從而可通過預(yù)測得到的氣象數(shù)據(jù)代入所述對應(yīng)關(guān)系中，得到估計的葉面積指數(shù)。

本實施例的技術(shù)方案，通過建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述對應(yīng)關(guān)系中的待確定參數(shù)，從而可以根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，來估計葉面積指數(shù)，實現(xiàn)了能夠使用預(yù)測的未來時期氣象數(shù)據(jù)來估計葉面積指數(shù)，并且預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)時空精度高時可以在較好的時空尺度上模擬植被葉面積指數(shù)的變化，對研究未來無葉面積指數(shù)無觀測資料的降雨徑流過程提供了方法依據(jù)，具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用價值。

實施例二

圖3是本發(fā)明實施例二提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計方法的流程圖，本實施例是在上述實施例的基礎(chǔ)上的一個優(yōu)選實例，本實施例以碧流河流域為例來說明葉面積指數(shù)的估計，具體包括如下步驟：

步驟310，建立葉面積指數(shù)與近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系如下公式：

其中，LAI是葉面積指數(shù)，LAI_max是同種植被的最大葉面積指數(shù)，rad_lw是長波輻射，Rh是相對濕度，T_air是近地表空氣溫度，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆是待確定參數(shù)，exp是以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)。

其中，碧流河流域位于中國東北部，遼寧省南部地區(qū)，南靠黃海，西鄰渤海，地勢由東北向西南傾斜，上游屬低山區(qū)。流域6～9月為汛期，降雨量大、強度大、范圍廣、洪水歷時較短。流域多年平均降水量742.8毫米，多年平均徑流深294.5毫米。碧流河流域面積為2814km²。多年平均溫度為10.6℃。根據(jù)簡單生物圈2號(Simple Biosphere 2)植被分區(qū)方法，碧流河流域主要有三種植被覆蓋：C3草原植物、C4草原植物以及落葉性闊葉林和針葉林組成的樹林。

步驟320，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，率定所述待確定參數(shù)。

使用碧流河流域8年的氣象觀測資料和MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)率定并驗證上述對應(yīng)關(guān)系中的待確定參數(shù)，以模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為率定和驗證指標，可以使用一些年份(如前4年)的MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)和對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)率定所述對應(yīng)關(guān)系中的待確定參數(shù)，然后使用另一些年份(如后4年)的MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)對率定的待確定參數(shù)進行驗證，得到最終率定的待確定參數(shù)。

參數(shù)率定后的公式如下：

將這8年的氣象觀測資料中的氣象數(shù)據(jù)帶入上述公式得到葉面積指數(shù)的模擬值，并與相應(yīng)的MODIS葉面積指數(shù)進行對比，MODIS葉面積指數(shù)和葉面積指數(shù)的模擬值散點圖對比分別如圖4-6所示。如圖4所示，樹林植被的模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.95；如圖5所示，C4草原植物的模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.94；如圖6所示，C3草原植物的模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)為0.95。

步驟330，根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，確定，葉面積指數(shù)。

本實施例的技術(shù)方案，通過建立葉面積指數(shù)與近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，率定所述待確定參數(shù)，根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，確定葉面積指數(shù)，通過使用碧流河流域的已有數(shù)據(jù)來率定待確定參數(shù)，得到相應(yīng)植被的葉面積指數(shù)的估計公式，從而可以通過預(yù)測的碧流河流域的氣象數(shù)據(jù)對不同植被的葉面積指數(shù)進行估計。

實施例三

圖7是本發(fā)明實施例三提供的一種植被葉面積指數(shù)的估計裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，本實施例所示的植被葉面積的估計裝置包括：對應(yīng)關(guān)系建立模塊710、待確定參數(shù)率定模塊720和葉面積指數(shù)估計模塊730。

其中，對應(yīng)關(guān)系建立模塊710，用于建立葉面積指數(shù)與氣象數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，所述對應(yīng)關(guān)系中包括待確定參數(shù)；

待確定參數(shù)率定模塊720，用于根據(jù)對應(yīng)關(guān)系、葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)，率定所述待確定參數(shù)；

葉面積指數(shù)估計模塊730，用于根據(jù)所述對應(yīng)關(guān)系、率定的待確定參數(shù)和預(yù)測的氣象數(shù)據(jù)，確定葉面積指數(shù)。

可選的，所述氣象數(shù)據(jù)包括：近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射；

所述對應(yīng)關(guān)系建立模塊具體用于：

基于近地表空氣溫度、相對濕度和長波輻射，按照如下公式估計所述葉面積指數(shù)：

其中，LAI是葉面積指數(shù)，LAI_max是同種植被的最大葉面積指數(shù)，rad_lw是長波輻射，Rh是相對濕度，T_air是近地表空氣溫度，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆是待確定參數(shù)。

可選的，所述待確定參數(shù)率定模塊包括：

范圍接收單元，用于接收用戶設(shè)置的待確定參數(shù)的范圍；

參數(shù)值確定單元，用于根據(jù)所述范圍，確定待確定參數(shù)的值；

模擬值確定單元，用于將所述待確定參數(shù)的值、所述葉面積指數(shù)樣本和對應(yīng)的已有氣象數(shù)據(jù)輸入所述對應(yīng)關(guān)系中，得到葉面積指數(shù)的模擬值，其中，所述模擬值的數(shù)量與所述葉面積指數(shù)樣本的數(shù)量相同；

相關(guān)系數(shù)計算單元，用于計算所述模擬值和所述葉面積指數(shù)樣本的相關(guān)系數(shù)；

判斷單元，用于如果所述相關(guān)系數(shù)小于預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)參數(shù)值確定單元；如果所述相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值，則觸發(fā)參數(shù)率定單元；

參數(shù)率定單元，用于將相關(guān)系數(shù)不小于所述預(yù)設(shè)值時的待確定參數(shù)的值作為率定的待確定參數(shù)。

其中，所述葉面積指數(shù)樣本優(yōu)選為MODIS葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)。

上述植被葉面積指數(shù)的估計裝置可執(zhí)行本發(fā)明任意實施例所提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法，具備執(zhí)行方法相應(yīng)的功能模塊和有益效果。未在本實施例中詳盡描述的技術(shù)細節(jié)，可參見本發(fā)明任意實施例提供的植被葉面積指數(shù)的估計方法。

注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。