[发明专利]一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及地理学与生态科学技术领域，具体说是一种通过分析样点的时空代表性来确定NPP监测点位置和数量的方法，该方法也可用于优化已有监测网，以减少观测冗余。

背景技术

植被净第一性生产力（NPP）是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，是由光合作用所产生的有机质总量（GPP）中扣除自养呼吸后的剩余部分，它直接反映植物群落在自然环境条件下的生产能力。NPP在全球碳循环研究中扮演着重要的角色，是评价生态系统结构与功能协调性、人类承载力的重要指标，是进行生态系统物质循环和能量流动研究的重要基础。

在全球变化和人类活动加剧的背景下，认识和了解某一区域NPP的实际变化，需要建立长期NPP监测网，如何科学合理的设计监测网，使其观测值能长期的反映该区域的NPP变化，即确定监测网中观测点的位置和数量，是这一问题的关键。

目前，常用的采样设计方法包括经典采样方法和基于空间统计的采样方法两大类。经典采样方法如随机采样、系统采样和分层随机采样等，执行简单、需要的数据少，但其不考虑采样要素的空间关系，用其设计的观测网一般需要较多的观测点。基于空间统计是目前应用和研究较多的一类方法，该方法考虑采样要素的空间自相关性，设计的监测网可得到最优无偏的NPP估计结果，但该方法一般需要较多的先验数据，且需要满足二阶平稳假设，而这个假设在实际中很难满足。

随着地球观测系统的建立，NPP监测网采样设计中可用的数据已经越来越多，多种分辨率的时间序列NPP遥感产品可以容易低廉的获取，虽然这些遥感数据的精度还有待进一步验证，但其空间覆盖能力是空前的，且能很好反映NPP的空间结构，这些数据可为地面监测网的设计提供丰富的先验知识。因此，设计一种简单实用、不需要任何假设、且能充分利用丰富的先验知识的NPP监测网设计方法。（Vachaud G, Silans A P D, Balabanis P, et al. Temporal stability of spatially measured soil water probability density function. Soil Science Society of America, 1985,49: 822−28）等提出的空稳定性的概念为发展这样的方法提供了可能。

时空稳定性的概念是指空间采样点与环境属性统计参数之间关系的时间不变性。Kachanoski（Kachanoski, R. G., & De Jong, E. Scale dependence and the temporal persistence of spatial patterns of soil waters storage. Water Resources Research, 1988, 24, 85−91）等又对这一概念进行了发展，他们认为时空稳定性是与空间尺度有关的空间分布结构或模式在时间上的持续性。可见，时空稳定性描述的是环境属性空间结构在时间上的持续性，可用于表达某一采样点相对于整个区域平均值的时间稳定性，用于评价某一观测点估计区域平均的能力。时空稳定性概念在土壤水分观测数据的分析中得到了较多的应用，研究者认为：在点观测向区域平均的尺度转换，时空稳定性有利于减少尺度转换的偏差。如果换一个应用对象和角度，利用时空稳定性分析方法分类先验数据的每一像元的时空代表性，则可将其变为一种NPP监测网采样方法。

发明内容

基于对问题的上述思考，本发明的目的在于提供一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法。该方法根据监测区域的大小和监测目标，利用相应的时间序列NPP遥感产品，在质量控制的基础上，逐像元分析其时空稳定性，根据时空稳定性分析结果和监测网规模确定监测网样点的数量和分布。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种基于样点时空代表性的NPP监测网采样设计方法，其步骤是：

第一步：先验数据准备

根据监测区域的大小，综合考虑NPP观测仪器本身的足迹（Footprint），选用不同空间分辨率的时间序列NPP遥感产品；

第二步：时空重建

对获取的时间序列NPP遥感产品进行时空重建，得到时空连续的NPP遥感产品；

第三步：时空稳定性计算

计算时空稳定性的两个指标平均相对偏差及其标准差；

第四步：时空稳定性分析

根据平均相对偏差对所有像元进行排序并标出相应的标准差，分析并初步选择可作为采样点的像元；

第五步：确定采样点数量和位置