基于CASA模型的祁連山地區(qū)草地凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空動(dòng)態(tài)遙感模擬

張建平

（甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局天水礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741000）

本研究用到的MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品為：MOD11A2MOD13A2，為搭載在Terra星（上午星）上的傳感器獲得的數(shù)據(jù)。行列號(hào)為h25v05、h25v06，時(shí)間分辨率分別為每8天和每16天，空間分辨率均為1000m，數(shù)據(jù)格式為HDF格式，投影為geographic。

1 數(shù)據(jù)的處理方法與步驟

1.1 MODIS數(shù)據(jù)的處理方法

①采用f i lezilla軟件首先下載MOD11A2和MOD13A2，為搭載（上午星）上的傳感器獲得的數(shù)據(jù)。行列號(hào)為h25v05、h25v06。②采用數(shù)據(jù)處理工具M(jìn)ODIStool，將MOD11A2和MOD13A2數(shù)據(jù)h25v05和h25v06合成為一個(gè)數(shù)據(jù)，投影轉(zhuǎn)為geogranphic投影，坐標(biāo)系為WGS84坐標(biāo)系，并將數(shù)據(jù)格式hdf轉(zhuǎn)換為tiff的文件格式。③打開ArcGIS10.2.2-spatial Analyst Tools-Extraction-Extractionby Mask的裁切工具界面，用疏勒河流域邊界去裁切LST（MOD11A2）數(shù)據(jù)和NDVI(MOD13A2)數(shù)據(jù)。④通過柵格計(jì)算器采用最大值合成方法將8日MOD11A2數(shù)據(jù)合成16日LST數(shù)據(jù)層。⑤通過Times工具條進(jìn)行MODIS數(shù)據(jù)批量處理，其中將地表溫度數(shù)據(jù)（LST）乘以0.002，歸一化植被指數(shù)（NDVI）乘以0.0001。⑥合成13年的平均地表溫度數(shù)據(jù)（LST）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）。⑦裁切數(shù)據(jù)層；用疏勒河植被類型圖去裁切地表溫度數(shù)據(jù)（LST）和歸一化植被指數(shù)（NDVI）數(shù)據(jù)層[1，2]。

1.2 NPP的處理方法與步驟

1.2.1 計(jì)算草所吸收的光合有效輻射比例FPAR

光合有效輻射比例(FPAR)與比值植被指數(shù)(VI)密切相關(guān),二者的關(guān)系可表示為：

找出每16天的最大最小值代入公式

其 中：FPARmax=0.950,FPARmin=0.001;VImax和VImin分別表示草地的最大和最小比值植被指數(shù)VI為比值植被指數(shù)（用疏勒河植被類型圖去裁切的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)層）。

1.2.2 計(jì)算溫度對(duì)光能利用率影響系數(shù)

其中：Ts為近地層氣溫或地表溫度(用疏勒河植被類型圖去裁切的LST數(shù)據(jù)層);σT為溫度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響系數(shù)。

1.2.3 計(jì)算大氣水汽壓差對(duì)光能利用率的影響

大氣水汽壓差反映了空氣的濕潤(rùn)程度,直接影響草的蒸騰作用,進(jìn)而影響草的光能利用率。大氣水汽壓差對(duì)草光能利用率的影響可由下式求得

其中：Ts為近地層氣溫或地表溫度(K);Td為近地層露點(diǎn)溫度(K),Td可根據(jù)整層大氣水汽含量w(g·cm2)來計(jì)算

其中：w是大氣水汽含量

其中：e是絕對(duì)水汽壓(KPa),可表示為；

其中：RH為相對(duì)濕度,取72%；T0為近地層(一般為2 m處)大氣溫度,文中取91.16 K。

1.2.4 確定草地最大光能利用率

由于最大光能利用率的確定對(duì)NPP的估算結(jié)果影響很大,人們對(duì)它的大小一直存在爭(zhēng)議。CASA模型中采用的最大光能利用率0.389 g/MJ,并不適用于中國(guó)的植被[3]。

1.2.5 計(jì)算太陽輻射量Q

點(diǎn)擊spatial Analyst Tools下的solar Radiation的工具條，選擇Area solar Radiation通過DEM計(jì)算出各時(shí)間段的太陽輻射量Q。

1.2.6 計(jì)算光合有效輻射PAR

光合有效輻射是植物生命活動(dòng)和有機(jī)物質(zhì)合成的能量來源,是指綠色植物吸收的太陽輻射中使葉綠素分子呈激發(fā)狀態(tài)的那部分光譜能量,其波長(zhǎng)約為400 um～700 um。因此,它可由太陽總輻射求得

其中：PAR為光合有效輻射(MJ m-2month-1)；Q為太陽總輻射值

2 計(jì)算草地凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)

光能利用率模型通過由衛(wèi)星遙感的大范圍光合有效輻射，光能利用率等數(shù)據(jù)來估算這一地區(qū)的NPP,能夠反映出大范圍氣候變化對(duì)NPP的影響。由于光能利用率受到氣溫、水分、土壤等各種因素的影響,考慮了溫度和大氣水汽的影響,構(gòu)建的光能利用率模型NPP為

其中：NPP為草地凈初級(jí)生產(chǎn)力;FPAR表示草所吸收的光合有效輻射比例;PAR表示到達(dá)地表的光合有效輻射;ε*為草的最大光能利用率;△T為溫度對(duì)草生長(zhǎng)的影響系數(shù);△E為大氣水分含量對(duì)草生長(zhǎng)的影響系數(shù)。

由公式（8）計(jì)算出的2005年～2017年各月NPP結(jié)果。

3 統(tǒng)計(jì)計(jì)算年NPP

通過zonal statistics統(tǒng)計(jì)各月NPP，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)層計(jì)算年NPP，并將各月NPP用折線圖的形式表示.。由此可得到2005年～2017年各月NPP的變化趨勢(shì)（見下圖1所示）。

圖1 2005年~2017年各月NPP的變化趨勢(shì)

通過上述的數(shù)據(jù)，將各月的NPP全部求和得到年NPP；年NPP=565.52g c/(m2·a)；

4 結(jié)果分析

4.1 祁連山地區(qū)凈初級(jí)生產(chǎn)力隨月份的變化

在ArcGIS10.2.2環(huán)境下通過以上各式的操作，統(tǒng)計(jì)各月NPP的值得到2005年～2017年各月NPP,然后把各月NPP累加得到祁連山地區(qū)13年草地平均NPP分布圖。從圖1可以看出祁連山地區(qū)2005年～2017年各個(gè)月份（4月～9月）草地平均NPP的變化情況。

4.2 祁連山地區(qū)草地NPP的空間變化

2005年～2017年4月和5月的植被NPP的空間分布較為相似,分布特征為東南區(qū)域植被NPP明顯高,西北地區(qū)次之，而中部地區(qū)相對(duì)較少。從4月到5月中部地區(qū)的植被NPP明顯減少，而西北地區(qū)卻在增加，東南地區(qū)變化不是較大;5月～6月西北和中部地區(qū)減少，東南地區(qū)變化不大;6月～7月整體沒有大的變化，東南地區(qū)在這段時(shí)間NPP增加，從6月份開始，西北地區(qū)和中部地區(qū)的NPP較4 5月份下降明顯，7月份～9月份基本趨于緩慢下降，導(dǎo)致這種分布格局的主要原因是降水,溫度，季節(jié)以及地理位置。

5 主要結(jié)論

本文以祁連山為研究區(qū)域，利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域NPP估算的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域NPP空間分布特征以及不同時(shí)間NPP之間的差異性進(jìn)行了分析，得到了以下主要結(jié)論：①采用基于CASA模型對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過所得結(jié)果證明CASA模型能較好的模擬植被凈初級(jí)生產(chǎn)力以及時(shí)空動(dòng)態(tài)分布。②通過對(duì)研究區(qū)NPP空間分布分析發(fā)現(xiàn)：NPP在整體區(qū)域內(nèi)高值出現(xiàn)的概率相對(duì)較低，除了東南地區(qū)高值出現(xiàn)的概率相對(duì)較高外，其他地區(qū)的概率很小,這與該地區(qū)的地理位置和水熱條件的影響還是比較吻合的。③植被凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP與影響因子之間的關(guān)系研究表明：NPP與地表溫度和植被指數(shù)是密切相關(guān)的，總體上呈現(xiàn)出隨影響因子的降低，NPP逐漸降低的趨勢(shì)。