植被生长最适温度估算方法和装置与流程

1.本发明涉及生态学领域，特别是指一种植被生长最适温度估算方法和装置。


背景技术：

2.植被生长发育及完成其整个生命周期都需要温度的调节作用，对陆地植被生长最适温度的估算在植物生理学以及全球变化科学研究中都具有重要意义。最适温度作为模拟碳循环的一个重要参数，其值对模拟精度和最终结果都会产生较大影响。当前大部分生态过程模型都简化了植被最适温度参数的获取机理，但不同模型所用的最适温度数据集也因此存在时间序列和空间上的差异，使得模型间的可比性变差。
3.当前关于植被生长最适温度的研究相对较少。一方面，少量的一些研究也通常是在实验室水平上对单一物种开展的控制性试验研究；但单一物种的研究结果与整个植被群落、生态系统水平的规律存在尺度转换上的差异。另一方面，已有科研人员研究得到了中国各生态地理区植被生长的最适温度及其变化区间；但应用于气候变化对陆地生态系统影响研究的模型多是依据土地覆被分类定义各植被类型生态学参数，难以直接应用到大尺度的生态过程模型模拟中。除此之外，已有科研人员估算了不同土地覆盖类型上植被生长的最适温度；但植被最适温度的空间异质性很大，相同植被类型在不用生态地理区域的生长最适温度存在较大差异，单一的最适温度并不能反映大尺度宏观区域上植被生长的科学规律。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种植被生长最适温度估算方法和装置，既保留了大尺度生态地理区划的区域性，又保留了生态系统类型数据的精准性，提高了生态系统类型最适温度估算的可靠性、科学性。
5.本发明提供技术方案如下：
6.一种植被生长最适温度估算方法，所述方法包括：
7.s1：获取待研究区域的生态系统类型栅格数据、待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据和各个生态地理区划的参考最适温度数值，并获取各种生态系统类型上植被生长的最适温度数值；
8.s2：将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；
9.s3：根据待研究区域的生态系统类型栅格数据和参考最适温度栅格数据，统计待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值；
10.s4：将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，判断所述参考最适温度平均值与所述最适温度数值是否满足耦合性要求；
11.s5：若满足耦合性要求，则联合利用所述参考最适温度平均值和所述最适温度数值对生态过程模型进行参数调优，获得最终的植被生长最适温度。
12.进一步的，所述s2包括：
13.s21：针对待研究区域的生态系统类型栅格数据，将其栅格值设为生态系统类型代码值；
14.s22：针对待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据，将各个生态地理区划的参考最适温度数值添加至对应的生态地理区划的矢量数据的数据属性表中；
15.s23：将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值；
16.s24：将转换后的栅格数据的参考最适温度数值乘以尺度因子10m，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；其中，m为温度值的小数位数。
17.进一步的，所述s3包括：
18.s31：利用待研究区域的生态系统类型栅格数据的生态系统类型代码值和待研究区域的参考最适温度栅格数据进行空间统计分析，得到待研究区域内各种生态系统类型的平均栅格值；
[0019][0020]
其中，meank为第k种生态系统类型的平均栅格值，k＝1,2,
…
,n，n为生态系统类型的种类数量，countk为待研究区域内第k种生态系统类型的栅格的个数，i为待研究区域内属于第k种生态系统类型的第i个栅格，i＝1，
…
,countk，tempi为第i个栅格的栅格值；
[0021]
s32：将各种生态系统类型的平均栅格值除以尺度因子10m，得到参考最适温度平均值。
[0022]
进一步的，所述s4包括：
[0023]
s41：将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，得到相关系数r；
[0024][0025]
其中，x为参考最适温度平均值，y为最适温度数值，cov(x,y)为x、y的协方差，d(x)、分别为x、y的方差；
[0026]
s42：将所述相关系数r的绝对值|r|与设定的阈值t进行比较，若|r|＞t，则满足耦合性要求。
[0027]
进一步的，所述s5包括：
[0028]
s51：根据各种生态系统类型的参考最适温度平均值和最适温度数值，确定各种生态系统类型的多个温度取值组合；
[0029]
s52：针对生态过程模型，测试各个温度取值组合对计算结果的影响；
[0030]
s53：选择计算结果最优的温度取值组合作为最终的植被生长最适温度。
[0031]
一种植被生长最适温度估算装置，所述装置包括：
[0032]
数据准备模块，用于获取待研究区域的生态系统类型栅格数据、待研究区域内的
各个生态地理区划的矢量数据和各个生态地理区划的参考最适温度数值，并获取各种生态系统类型上植被生长的最适温度数值；
[0033]
数据处理模块，用于将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；
[0034]
数据融合模块，用于根据待研究区域的生态系统类型栅格数据和参考最适温度栅格数据，统计待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值；
[0035]
耦合性判断模块，用于将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，判断所述参考最适温度平均值与所述最适温度数值是否满足耦合性要求；
[0036]
确定模块，用于若满足耦合性要求，则联合利用所述参考最适温度平均值和所述最适温度数值对生态过程模型进行参数调优，获得最终的植被生长最适温度。
[0037]
进一步的，所述数据处理模块包括：
[0038]
第一处理单元，用于针对待研究区域的生态系统类型栅格数据，将其栅格值设为生态系统类型代码值；
[0039]
第二处理单元，用于针对待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据，将各个生态地理区划的参考最适温度数值添加至对应的生态地理区划的矢量数据的数据属性表中；
[0040]
第三处理单元，用于将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值；
[0041]
第四处理单元，用于将转换后的栅格数据的参考最适温度数值乘以尺度因子10m，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；其中，m为温度值的小数位数。
[0042]
进一步的，所述数据融合模块包括：
[0043]
第一计算单元，用于利用待研究区域的生态系统类型栅格数据的生态系统类型代码值和待研究区域的参考最适温度栅格数据进行空间统计分析，得到待研究区域内各种生态系统类型的平均栅格值；
[0044][0045]
其中，meank为第k种生态系统类型的平均栅格值，k＝1,2,
…
,n，n为生态系统类型的种类数量，countk为待研究区域内第k种生态系统类型的栅格的个数，i为待研究区域内属于第k种生态系统类型的第i个栅格，i＝1，
…
,countk，tempi为第i个栅格的栅格值；
[0046]
第二计算单元，用于将各种生态系统类型的平均栅格值除以尺度因子10m，得到参考最适温度平均值。
[0047]
进一步的，所述耦合性判断模块包括：
[0048]
相关系数计算单元，用于将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，得到相关系数r；
[0049][0050]
其中，x为参考最适温度平均值，y为最适温度数值，cov(x,y)为x、y的协方差，d(x)、分别为x、y的方差；
[0051]
判断单元，用于将所述相关系数r的绝对值|r|与设定的阈值t进行比较，若|r|＞t，则满足耦合性要求。
[0052]
进一步的，所述确定模块包括：
[0053]
温度取值组合确定单元，用于根据各种生态系统类型的参考最适温度平均值和最适温度数值，确定各种生态系统类型的多个温度取值组合；
[0054]
测试单元，用于针对生态过程模型，测试各个温度取值组合对计算结果的影响；
[0055]
确定单元，用于选择计算结果最优的温度取值组合作为最终的植被生长最适温度。
[0056]
本发明具有以下有益效果：
[0057]
本发明结合地理信息、卫星遥感技术对植被生长最适温度进行估算、并刻画其空间分异，是本学科的学术前沿之一。本发明将生态地理区划的参考最适温度数值与生态系统类型数据进行数据融合，既保留了大尺度生态地理区划的区域性，又保留了生态系统类型数据的精准性，对大尺度的生态过程模型模拟参数本地化的计算提供了方法参考。本发明结合已有科研成果的生态地理区划的参考最适温度数值和各类生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行最适温度估算，提高了生态系统类型最适温度估算的可靠性、科学性，同时也简化了数据融合工作流程，节约了工作成本。本发明采用生态系统类型进行植被生长最适温度估算，能够直接应用于区域生态状况调查评估、生态过程模拟等科学研究和业务应用，且进一步提升生态产品的精准性。
附图说明
[0058]
图1为本发明的植被生长最适温度估算方法的流程图；
[0059]
图2为待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据及其参考最适温度数值的示意图；
[0060]
图3为最终的植被生长最适温度的示意图；
[0061]
图4为本发明的植被生长最适温度估算装置的示意图。
具体实施方式
[0062]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0063]
实施例1：
[0064]
本发明实施例提供一种植被生长最适温度估算方法，如图1所示，该方法包括：
[0065]
s1：获取待研究区域的生态系统类型栅格数据、待研究区域内的各个生态地理区划(也称生态地理单元)的矢量数据和各个生态地理区划的参考最适温度数值，并获取各种生态系统类型上植被生长的最适温度数值。
[0066]
本步骤进行文献资料查询与数据收集，其中的待研究区域可以是全中国范围，也可以是某省、市、县等范围。各个生态地理区划的参考最适温度数值可以通过查阅资料获得，例如查阅文献：崔耀平,刘纪远,胡云锋,邴龙飞,陶福禄,王军邦.中国植被生长的最适温度估算与分析[j].自然资源学报,2012,27(02):281-292。
[0067]
同样的，各种生态系统类型(即土地覆盖类型)上植被生长的最适温度数值也可以通过查阅资料获得，例如查阅文献：刘正佳,刘纪远,邵全琴.不同土地覆盖类型上植被生长的最适温度[j].地球信息科学学报,2014,16(01):1-7。
[0068]
待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据和各个生态地理区划的参考最适温度数值的一个示例如图2所示，不同的生态地理区划内具有不同的参考最适温度数值。
[0069]
s2：将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据。
[0070]
本步骤用于空间数据标准化处理，其中的一个具体实现方式可以为：
[0071]
s21：针对待研究区域的生态系统类型栅格数据，构建栅格属性表，将其栅格值设为生态系统类型代码值。
[0072]
s22：针对待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据，将各个生态地理区划的参考最适温度数值添加至对应的生态地理区划的矢量数据的数据属性表中。
[0073]
s23：将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值。
[0074]
s24：将转换后的栅格数据的参考最适温度数值乘以尺度因子10m，将参考最适温度数值转换为整型值，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；其中，m为温度值的小数位数。
[0075]
本步骤就是将图2的生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并转换后在各个生态地理区划内的栅格赋值为其参考最适温度数值，再转换为整型数据。
[0076]
s3：根据待研究区域的生态系统类型栅格数据和参考最适温度栅格数据，统计待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值。
[0077]
本步骤用于区域数据融合分析，其中的一个具体实现方式可以为：
[0078]
s31：利用待研究区域的生态系统类型栅格数据的生态系统类型代码值和待研究区域的参考最适温度栅格数据进行空间统计分析，得到待研究区域内各种生态系统类型的平均栅格值；
[0079][0080]
其中，meank为第k种生态系统类型的平均栅格值，k为第k种生态系统类型，k＝1,2,
…
,n，n为生态系统类型的种类数量，countk为待研究区域内第k种生态系统类型的栅格的个数，i为待研究区域内属于第k种生态系统类型的第i个栅格，i＝1，
…
,countk，tempi为第i个栅格的栅格值。
[0081]
s32：将各种生态系统类型的平均栅格值除以尺度因子10m，得到参考最适温度平均值。
[0082]
s4：将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生
态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，判断参考最适温度平均值与最适温度数值是否满足耦合性要求。
[0083]
本步骤用于耦合性判断，其中的一个具体实现方式可以为：
[0084]
s41：将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，得到相关系数r；
[0085][0086]
其中，x为参考最适温度平均值，y为最适温度数值，cov(x,y)为x、y的协方差，d(x)、分别为y、y的方差。
[0087]
s42：将相关系数r的绝对值|r|与设定的阈值t进行比较，若|r|＞t，则其耦合性较强，满足耦合性要求，可联合开展后续的生态过程模型参数调优。
[0088]
阈值t的取值可以根据需要设定，例如可以取值0.8。
[0089]
s5：若满足耦合性要求，则联合利用参考最适温度平均值和最适温度数值对生态过程模型进行参数调优，获得最终的植被生长最适温度。
[0090]
本步骤用于确定最终的植被生长最适温度，其中的一个具体实现方式可以为：
[0091]
s51：根据各种生态系统类型的参考最适温度平均值和最适温度数值，确定各种生态系统类型的多个温度取值组合；
[0092]
s52：针对植被净初级生产力等生态过程模型，测试各个温度取值组合对计算结果的影响；
[0093]
s53：选择计算结果最优的温度取值组合作为最终的植被生长最适温度，图3给出了最终的植被生长最适温度的一个示例。
[0094]
本发明结合地理信息、卫星遥感技术对植被生长最适温度进行估算、并刻画其空间分异，是本学科的学术前沿之一。本发明将生态地理区划的参考最适温度数值与生态系统类型数据进行数据融合，既保留了大尺度生态地理区划的区域性，又保留了生态系统类型数据的精准性，对大尺度的生态过程模型模拟参数本地化的计算提供了方法参考。本发明结合已有科研成果的生态地理区划的参考最适温度数值和各类生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行最适温度估算，提高了生态系统类型最适温度估算的可靠性、科学性，同时也简化了数据融合工作流程，节约了工作成本。本发明采用生态系统类型进行植被生长最适温度估算，能够直接应用于区域生态状况调查评估、生态过程模拟等科学研究和业务应用，且进一步提升生态产品的精准性。
[0095]
实施例2：
[0096]
本发明实施例提供一种植被生长最适温度估算装置，如图4所示，该装置包括：
[0097]
数据准备模块1，用于获取待研究区域的生态系统类型栅格数据、待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据和各个生态地理区划的参考最适温度数值，并获取各种生态系统类型上植被生长的最适温度数值。
[0098]
数据处理模块2，用于将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据。
[0099]
数据融合模块3，用于根据待研究区域的生态系统类型栅格数据和参考最适温度栅格数据，统计待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值。
[0100]
耦合性判断模块4，用于将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，判断参考最适温度平均值与最适温度数值是否满足耦合性要求。
[0101]
确定模块5，用于若满足耦合性要求，则联合利用参考最适温度平均值和最适温度数值对生态过程模型进行参数调优，获得最终的植被生长最适温度。
[0102]
前述的数据处理模块包括：
[0103]
第一处理单元，用于针对待研究区域的生态系统类型栅格数据，将其栅格值设为生态系统类型代码值。
[0104]
第二处理单元，用于针对待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据，将各个生态地理区划的参考最适温度数值添加至对应的生态地理区划的矢量数据的数据属性表中。
[0105]
第三处理单元，用于将待研究区域内的各个生态地理区划的矢量数据转换为栅格数据，并将转换后的栅格数据的栅格值设置为该栅格数据对应的生态地理区划的参考最适温度数值。
[0106]
第四处理单元，用于将转换后的栅格数据的参考最适温度数值乘以尺度因子10m，得到待研究区域的参考最适温度栅格数据；其中，m为温度值的小数位数。
[0107]
数据融合模块包括：
[0108]
第一计算单元，用于利用待研究区域的生态系统类型栅格数据的生态系统类型代码值和待研究区域的参考最适温度栅格数据进行空间统计分析，得到待研究区域内各种生态系统类型的平均栅格值；
[0109][0110]
其中，meank为第k种生态系统类型的平均栅格值，k＝1,2,
…
,n，n为生态系统类型的种类数量，countk为待研究区域内第k种生态系统类型的栅格的个数，i为待研究区域内属于第k种生态系统类型的第i个栅格，i＝1，
…
,countk，tempi为第i个栅格的栅格值。
[0111]
第二计算单元，用于将各种生态系统类型的平均栅格值除以尺度因子10m，得到参考最适温度平均值。
[0112]
耦合性判断模块包括：
[0113]
相关系数计算单元，用于将待研究区域内各种生态系统类型的参考最适温度平均值与获取的相同种生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行相关性分析，得到相关系数r；
[0114][0115]
其中，x为参考最适温度平均值，y为最适温度数值，cov(x,y)为x、y的协方差，d(x)、分别为x、y的方差。
[0116]
判断单元，用于将相关系数r的绝对值|r|与设定的阈值t进行比较，若|r|＞t，则
满足耦合性要求。
[0117]
确定模块包括：
[0118]
温度取值组合确定单元，用于根据各种生态系统类型的参考最适温度平均值和最适温度数值，确定各种生态系统类型的多个温度取值组合。
[0119]
测试单元，用于针对生态过程模型，测试各个温度取值组合对计算结果的影响。
[0120]
确定单元，用于选择计算结果最优的温度取值组合作为最终的植被生长最适温度。
[0121]
本发明结合地理信息、卫星遥感技术对植被生长最适温度进行估算、并刻画其空间分异，是本学科的学术前沿之一。本发明将生态地理区划的参考最适温度数值与生态系统类型数据进行数据融合，既保留了大尺度生态地理区划的区域性，又保留了生态系统类型数据的精准性，对大尺度的生态过程模型模拟参数本地化的计算提供了方法参考。本发明结合已有科研成果的生态地理区划的参考最适温度数值和各类生态系统类型上植被生长的最适温度数值进行最适温度估算，提高了生态系统类型最适温度估算的可靠性、科学性，同时也简化了数据融合工作流程，节约了工作成本。本发明采用生态系统类型进行植被生长最适温度估算，能够直接应用于区域生态状况调查评估、生态过程模拟等科学研究和业务应用，且进一步提升生态产品的精准性。
[0122]
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例1中相应内容。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，前述描述的装置和单元的具体工作过程，均可以参考上述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0123]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。