一种基于modis数据的大范围森林质量动态监测方法
技术领域
1.本发明涉及森林生态领域，具体的说，一种基于modis遥感数据实现大范围森林质量的快速、动态、实时、高效的监测方法。
背景技术：
2.森林生态系统是陆地生态系统的主体和联系环境与发展的重要纽带,在改善生态环境、维护生态平衡、实现可持续发展中具有不可替代的作用，我国林业发展已从数量增长进入数量和质量并重的新阶段，对森林质量的快速、动态监测是森林管理、经营具有重要意义；目前对森林资源的数量指标认识比较一致，但对于森林质量或森林资源质量并没有统一的定义。
3.构建科学的森林质量评价指标是衡量森林质量精准提升效果的基础，2015 年全球森林资源评估报告涉及的指标包括：不同用途的森林面积（如用材林、水土保持林、生物多样性保护林、多功能林等）、生产能力（蓄积量、碳贮量）等；我国第八次森林资源清查报告把森林每公顷蓄积量、每公顷年均生长量、每公顷株数、平均胸径、年涵养水源量等作为森林质量指标；周洁敏以省、区、市为评价单位，立足于全国森林资源连续清查等已有的调查成果，建立了森林资源质量评价指标体系，包括生物学质量、经济学质量和生态学质量 3 个方面的 18 个指标；基于构建的评价指标，利用物元模型、层次分析法、神经网络等方法，对森林质量进行评价。这类评价方法很难实现满足当然满足快速、动态、实时的大范围（大区域）森林质量监测的需要。
4.热力学在物理系统中的成功应用及生态系统表现出的热力学特征促使评价生态系统质量的热力学指标的诞生。根据jorgensen提出的生态热力学第四定律，即如果一组生态系统所处的太阳辐射环境相同，最成熟（质量最好）的那个系统留存的太阳辐射能量应该最多，即辐射出去的能量最低，根据黑体辐射原理，这个系统的表面温度最低，据此kay等提出了一套简单、综合的评价生态系统质量的热力学指标——热响应数trn（ thermal response number）,其中，rn为单位时间的太阳净辐射，δt为单位时间系统的温升，即森林质量越好，δt越低，其热响应数越大。
5.遥感技术、地理信息系统技术等的飞速发展为实现大范围森林质量的快速、动态、实时监测提供了可能，尤其是搭载在 搭载在terra和aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪（modis）传感器，可实现对地球表面每天4次的观测，且免费提供成熟的各类遥感产品，为大范围、快速、经济、动态、实时的森林质量监测提供了数据支撑。
技术实现要素：
6.本发明提供一种快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法，具体的说，利用遥
感数据（土地覆盖产品、温度产品、大气产品等）和热响应指数trn，实现大范围的、快速、动态、实时、经济、高效的森林质量监测。
7.本发明的有益效果：本发明针对目前森林质量评价中，指标体系复杂，难以实现大范围森林质量的动态、快速、实时监测的问题利用遥感的土地覆盖产品、温度产品、辐射产品等数据，即可实现大范围森林质量同步观察，又可以实现动态、快速、实时的监测，且简单、经济、高效，为森林管理、经营提供支撑。
8.具体实施方法1、获取数据：在网站注册下载modis的产品，并下载各产品，本专利使用的modis产品见表1。
9.表1 使用的modis产品modis产品内容空间分辨率mod/myd03地理定位1km
×
1kmmod/myd04气溶胶光学厚度3km
×
3kmmod/myd05水汽含量1km
×
1kmmod/myd07大气廓线5km
×
5kmmod/myd11地表温度/辐射率1km
×
1kmmod12土地覆盖产品1km
×
1kmmcd43地表反照率1km
×
1km2、数据欲处理：
①ꢀ
利用研究区的mod12土地覆盖产品，选择分类中属于森林的类别，并将其转化成矢量图；
②ꢀ
利用转出的森林区域剪裁其他产品，并将产品采样成统一的空间分辨率1km
×
1km。3、净辐射计算：地表净辐射是指地面太阳短波净辐射通量和长波净辐射通量之和，净辐射rn算法公式为： 其中，为地表反照率， 是下行到达地表的太阳短波辐射,是下行的长波辐射,是上行的长波辐射。
10.其中，s 为太阳常数，引入订正因子以考虑太阳常数随日地距离的变化，τr为瑞利散射透过率，τg为混合气体透过率( 二氧化碳，氧气) ，τw为水汽透过率，τa为气溶胶透过率， τo为臭氧透过率。参数来源：太阳天顶角(mod /myd 03 )、地面反照率(mod /myd 43 )、水汽含量(mod /myd 05 _ l2 )、地面气压( mod /myd 07 _l2)、臭氧总量( mod /myd 07 _ l2 ) 和光学厚度(mod /myd 04_l2)。
11.其中σ 为常数( 5. 67
ꢀ×ꢀ
10
－8
w/ (m2k
4 ) ) ，εa为空气比辐射率，ta为空气温
度。度。其中m 取prata给出的全球最优化值46. 5，ta为水平面处的气温，用mod /myd 07 _l2 大气廓线产品中最低层的气温ta来替代; e0根据最低层的露点温度td计算，采用世界气象组织建议的goff-gratch公式计算；其中εs为地表比辐射率，ts为地表温度，选择mod/myd11b1 产品，计算地表比辐射率，如公式 εs = 0. 2122ε
29 0. 3859ε
31 0. 4029ε
32
， mod/myd11_ l2 产品提供了地表温度ts，mod/myd11b1 产品提供29，31 和32 通道比辐射率。
12.4、 热响应指数计算：其中t1、t2分别为modis传感器2次过境时刻的时间，δt为2次过境时刻之间的温升，用分别用mod 11/myd11温度产品计算。
13.5、森林质量评价：将计算的热响应数进行归一化处理，采用标准差分级方法，对森林质量进行分级评价。
技术特征：
1.一种快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法，其技术特征是利用modis遥感数据（土地覆盖产品、温度产品、大气产品等）和热响应数trn，实现大范围的、快速、动态、实时、经济、高效的森林质量监测。2.根据权利要求1所述的森林质量动态监测方法，其特征是利用modis遥感数据获取相应参数，计算地表净辐射rn，进而获取热响应数trn以表征生态系统质量，对结果进行归一化处理，采用标准差分级方法，对大范围森林区森林质量进行分级评价。3.根据权利要求2中所述的参数获取方法计算下行到达地表的太阳短波辐射，其特征为参数来源：太阳天顶角参数利用mod /myd 03数据获取，确定太阳常数s；利用mod /myd 43数据获取地面反照率、mod /myd 05 _ l2数据获取水汽含量、mod /myd 07 _l2数据获取地面气压、mod /myd 07 _ l2数据获取臭氧总量、mod /myd 04_l2数据获取光学厚度以确定瑞利散射透过率τr、混合气体透过率τg、水汽透过率τw、气溶胶透过率τa、臭氧透过率 τo。4. 根据权利要求2中所述的参数获取方法计算下行的长波辐射，其特征为用mod /myd07 _l2 大气廓线产品中最低层的气温替代水平面处气温ta；采用世界气象组织建议的goff-gratch公式， 根据最低层的露点温度td计算空气比辐射率。5.根据权利要求2中所述的参数获取方法计算上行的长波辐射，其特征为利用mod /myd11b1 产品计算地表比辐射率εs，如εs = 0. 2122ε
29 0. 3859ε
31 0. 4029ε
32
， mod /myd11_ l2 产品提供了地表温度ts，mod /myd11b1 产品提供29，31 和32 通道比辐射率。6.根据权利要求2中所述的热响应指数trn，其特征为modis传感器2次过境时刻的时刻表征t1、t2，
△
t为2次过境时刻之间的温升，用分别用mod 11/myd11温度产品计算。
技术总结
本发明提供了一种简单、快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法。针对目前森林质量评价中存在的指标体系复杂、难以实现大范围森林质量的动态、快速、实时监测的问题，使用综合评价生态系统质量的热力学指标TRN（热响应指数），利用获取成品低、单日过境4次的MODIS传感器系列遥感产品（包括土地覆盖产品、温度产品、辐射产品等），获取相关参数，进行参数转换，即可实现大范围森林质量同步观察，又可以实现动态、快速、实时的监测，且简单、经济、高效，为森林管理、经营提供支撑。经营提供支撑。
技术研发人员：冯海英 冯海霞
受保护的技术使用者：北京工商大学
技术研发日：2020.12.30
技术公布日：2022/6/30
技术领域
1.本发明涉及森林生态领域，具体的说，一种基于modis遥感数据实现大范围森林质量的快速、动态、实时、高效的监测方法。
背景技术：
2.森林生态系统是陆地生态系统的主体和联系环境与发展的重要纽带,在改善生态环境、维护生态平衡、实现可持续发展中具有不可替代的作用，我国林业发展已从数量增长进入数量和质量并重的新阶段，对森林质量的快速、动态监测是森林管理、经营具有重要意义；目前对森林资源的数量指标认识比较一致，但对于森林质量或森林资源质量并没有统一的定义。
3.构建科学的森林质量评价指标是衡量森林质量精准提升效果的基础，2015 年全球森林资源评估报告涉及的指标包括：不同用途的森林面积（如用材林、水土保持林、生物多样性保护林、多功能林等）、生产能力（蓄积量、碳贮量）等；我国第八次森林资源清查报告把森林每公顷蓄积量、每公顷年均生长量、每公顷株数、平均胸径、年涵养水源量等作为森林质量指标；周洁敏以省、区、市为评价单位，立足于全国森林资源连续清查等已有的调查成果，建立了森林资源质量评价指标体系，包括生物学质量、经济学质量和生态学质量 3 个方面的 18 个指标；基于构建的评价指标，利用物元模型、层次分析法、神经网络等方法，对森林质量进行评价。这类评价方法很难实现满足当然满足快速、动态、实时的大范围（大区域）森林质量监测的需要。
4.热力学在物理系统中的成功应用及生态系统表现出的热力学特征促使评价生态系统质量的热力学指标的诞生。根据jorgensen提出的生态热力学第四定律，即如果一组生态系统所处的太阳辐射环境相同，最成熟（质量最好）的那个系统留存的太阳辐射能量应该最多，即辐射出去的能量最低，根据黑体辐射原理，这个系统的表面温度最低，据此kay等提出了一套简单、综合的评价生态系统质量的热力学指标——热响应数trn（ thermal response number）,其中，rn为单位时间的太阳净辐射，δt为单位时间系统的温升，即森林质量越好，δt越低，其热响应数越大。
5.遥感技术、地理信息系统技术等的飞速发展为实现大范围森林质量的快速、动态、实时监测提供了可能，尤其是搭载在 搭载在terra和aqua两颗卫星上的中分辨率成像光谱仪（modis）传感器，可实现对地球表面每天4次的观测，且免费提供成熟的各类遥感产品，为大范围、快速、经济、动态、实时的森林质量监测提供了数据支撑。
技术实现要素：
6.本发明提供一种快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法，具体的说，利用遥
感数据（土地覆盖产品、温度产品、大气产品等）和热响应指数trn，实现大范围的、快速、动态、实时、经济、高效的森林质量监测。
7.本发明的有益效果：本发明针对目前森林质量评价中，指标体系复杂，难以实现大范围森林质量的动态、快速、实时监测的问题利用遥感的土地覆盖产品、温度产品、辐射产品等数据，即可实现大范围森林质量同步观察，又可以实现动态、快速、实时的监测，且简单、经济、高效，为森林管理、经营提供支撑。
8.具体实施方法1、获取数据：在网站注册下载modis的产品，并下载各产品，本专利使用的modis产品见表1。
9.表1 使用的modis产品modis产品内容空间分辨率mod/myd03地理定位1km
×
1kmmod/myd04气溶胶光学厚度3km
×
3kmmod/myd05水汽含量1km
×
1kmmod/myd07大气廓线5km
×
5kmmod/myd11地表温度/辐射率1km
×
1kmmod12土地覆盖产品1km
×
1kmmcd43地表反照率1km
×
1km2、数据欲处理：
①ꢀ
利用研究区的mod12土地覆盖产品，选择分类中属于森林的类别，并将其转化成矢量图；
②ꢀ
利用转出的森林区域剪裁其他产品，并将产品采样成统一的空间分辨率1km
×
1km。3、净辐射计算：地表净辐射是指地面太阳短波净辐射通量和长波净辐射通量之和，净辐射rn算法公式为： 其中，为地表反照率， 是下行到达地表的太阳短波辐射,是下行的长波辐射,是上行的长波辐射。
10.其中，s 为太阳常数，引入订正因子以考虑太阳常数随日地距离的变化，τr为瑞利散射透过率，τg为混合气体透过率( 二氧化碳，氧气) ，τw为水汽透过率，τa为气溶胶透过率， τo为臭氧透过率。参数来源：太阳天顶角(mod /myd 03 )、地面反照率(mod /myd 43 )、水汽含量(mod /myd 05 _ l2 )、地面气压( mod /myd 07 _l2)、臭氧总量( mod /myd 07 _ l2 ) 和光学厚度(mod /myd 04_l2)。
11.其中σ 为常数( 5. 67
ꢀ×ꢀ
10
－8
w/ (m2k
4 ) ) ，εa为空气比辐射率，ta为空气温
度。度。其中m 取prata给出的全球最优化值46. 5，ta为水平面处的气温，用mod /myd 07 _l2 大气廓线产品中最低层的气温ta来替代; e0根据最低层的露点温度td计算，采用世界气象组织建议的goff-gratch公式计算；其中εs为地表比辐射率，ts为地表温度，选择mod/myd11b1 产品，计算地表比辐射率，如公式 εs = 0. 2122ε
29 0. 3859ε
31 0. 4029ε
32
， mod/myd11_ l2 产品提供了地表温度ts，mod/myd11b1 产品提供29，31 和32 通道比辐射率。
12.4、 热响应指数计算：其中t1、t2分别为modis传感器2次过境时刻的时间，δt为2次过境时刻之间的温升，用分别用mod 11/myd11温度产品计算。
13.5、森林质量评价：将计算的热响应数进行归一化处理，采用标准差分级方法，对森林质量进行分级评价。
技术特征：
1.一种快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法，其技术特征是利用modis遥感数据（土地覆盖产品、温度产品、大气产品等）和热响应数trn，实现大范围的、快速、动态、实时、经济、高效的森林质量监测。2.根据权利要求1所述的森林质量动态监测方法，其特征是利用modis遥感数据获取相应参数，计算地表净辐射rn，进而获取热响应数trn以表征生态系统质量，对结果进行归一化处理，采用标准差分级方法，对大范围森林区森林质量进行分级评价。3.根据权利要求2中所述的参数获取方法计算下行到达地表的太阳短波辐射，其特征为参数来源：太阳天顶角参数利用mod /myd 03数据获取，确定太阳常数s；利用mod /myd 43数据获取地面反照率、mod /myd 05 _ l2数据获取水汽含量、mod /myd 07 _l2数据获取地面气压、mod /myd 07 _ l2数据获取臭氧总量、mod /myd 04_l2数据获取光学厚度以确定瑞利散射透过率τr、混合气体透过率τg、水汽透过率τw、气溶胶透过率τa、臭氧透过率 τo。4. 根据权利要求2中所述的参数获取方法计算下行的长波辐射，其特征为用mod /myd07 _l2 大气廓线产品中最低层的气温替代水平面处气温ta；采用世界气象组织建议的goff-gratch公式， 根据最低层的露点温度td计算空气比辐射率。5.根据权利要求2中所述的参数获取方法计算上行的长波辐射，其特征为利用mod /myd11b1 产品计算地表比辐射率εs，如εs = 0. 2122ε
29 0. 3859ε
31 0. 4029ε
32
， mod /myd11_ l2 产品提供了地表温度ts，mod /myd11b1 产品提供29，31 和32 通道比辐射率。6.根据权利要求2中所述的热响应指数trn，其特征为modis传感器2次过境时刻的时刻表征t1、t2，
△
t为2次过境时刻之间的温升，用分别用mod 11/myd11温度产品计算。
技术总结
本发明提供了一种简单、快速、动态、实时的大范围森林质量监测方法。针对目前森林质量评价中存在的指标体系复杂、难以实现大范围森林质量的动态、快速、实时监测的问题，使用综合评价生态系统质量的热力学指标TRN（热响应指数），利用获取成品低、单日过境4次的MODIS传感器系列遥感产品（包括土地覆盖产品、温度产品、辐射产品等），获取相关参数，进行参数转换，即可实现大范围森林质量同步观察，又可以实现动态、快速、实时的监测，且简单、经济、高效，为森林管理、经营提供支撑。经营提供支撑。
技术研发人员：冯海英 冯海霞
受保护的技术使用者：北京工商大学
技术研发日：2020.12.30
技术公布日：2022/6/30
再多了解一些
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