[发明专利]一种预测陆地生态系统植物群落覆被的技术与装置

说明书

本发明针对陆地生态系统植物群落覆被观测时间较短、观测误差较高、长期连续人工观测工作量大、效率低的缺点，发明了一种能生成长时间序列、以两周为时间精度的植物覆被技术，可以用于定量描述在气候变化和人类扰动条件下植物群落覆被的变化。该技术首先运用土壤分析仪和植物监测设备获取土壤粒径和植物参数，结合土壤数据库获取土壤水文参数。然后运用动态植被模型模拟植物群落覆被，同时用数码照相机成像获取实测植物覆被，验证模拟结果并修正数据库中的土壤水文和植被参数。该技术和装置具有成本低、预测准确性高、适用范围广的特点，对陆地生态系统植物动态研究和生物多样性保护具有重要的指示意义。

技术领域

本发明属于陆地生态系统生物监测领域，涉及一种利用土壤分析仪和植物监测装置获取土壤水文和植被参数，依靠数学建模模拟产生长时间序列植物覆被数据，并运用数码成像校正模型参数的技术和装置。

背景技术

随着社会经济的持续发展，由气候变化和人类活动导致的环境和生态问题日益突出。气候变化和人类活动显著改变了陆地生态系统植物群落的组成和多样性。植物作为初级生产者是塑造陆地生态系统的关键组分，对环境变化的响应相对其它生态系统组分更加敏感。植物覆被(覆盖度)相对其它植物生理生态特征可以更直观的反映植物的生长状况。植物覆被受很多环境因子的驱动，如降水、温度、光照、土壤水分和养分等。当某地区植物分布较稀疏时，人为观测的误差较小；反之当地区植物生长旺盛，植物密集的分布会导致部分植物叶片重叠，增加人为观测的误差。此外，一些地区自然地理条件较差或经济发展较落后，不便于植物覆被长时间的人工观测，耗时且成本较高。然而这些地区的生态系统通常受人类扰动的影响较大或生态系统具有较高的脆弱性，因此开发适用于这些地区的植物监测技术和设备，可以有效减缓和预防自然灾害和人类社会经济活动对生态系统的影响，对保护关键生物物种和生物多样性起着重要的作用。

近年来国内外学者对植物覆被及其影响因素进行了较深入的研究。国内，人类活动如旅游、过度放牧和开垦导致草地生态系统严重退化，草地生物量和盖度显著减少，同时优势种发生演替(马旭晨栗忠飞，2017)。同时草地退化程度的加剧导致禾草类和莎草类的盖度减少而杂草类的盖度增加，相关分析表明植物覆被与土壤含水量之间呈显著的正相关关系(王文颖等，2004)，然而这些研究结果基于的观测时间相对较短，仅为一年，不同年际间的降水和温度通常差异很大，会导致植物覆被响应的变化。有学者通过NDI法对数码照片的处理，实现了植被覆盖度的快速提取，同时用监督分类法提取相同数码照片的植被覆盖。结果表明两种方法估算的植被覆盖度均能达到较高的准确性(任杰等，2010)。有学者提出了一种利用过绿特征植被指数和半自动阈值设定算法从数码照片中快速计算草地植被覆盖度的方法，计算结果准确客观，适用性强，然而对绿色特征不明显的植物群落效果不佳(胡健波等，2011)。有学者利用植被判定流程图法对数码照片进行处理并计算植被盖度，结果表明该方法优于NDI法，是一种准确、高效、提取信息全面的方法。这些研究表明数码照相法是一种成熟可靠的获取实测植物覆被的方法，而预测植物覆被的技术目前还处于空白地带。国外，Wanda et al.(2015)发现温度异常事件对植物覆被的影响在高纬度地区和低纬度地区之间是有差异的。Bunting et al.(2016)模拟了不同温度和降水场景下木本植物和草本植物覆被的空间格局。

检索发现测量植物盖度的发明专利，申请号为CN89203277.4，名称为植被盖度计，公开号为CN2048574，该装置是一种测量草地植被盖度的电子仪器，该仪器利用被测面积上植被所反射的光强因盖度的不同而变化，通过光电转换元件经放大电路处理后，根据电流的大小由显示仪表量度被测面积的实际盖度，既可测量多种植被盖度又可以对草场产量实施监测，具有测量精度高，适用范围广，便于拆装携带等优点。

检索发现用数码相机估算植被盖度的发明专利，申请号为CN200910079454.1，名称为由数码照片估计植被盖度的方法，公开号为CN101493894，该发明是一种由数码照片估计植被盖度的方法，其特征在于，包括：首先对需估算的测区拍摄数码照片；然后利用仿射变换模型对所述数码照片进行几何校正；之后根据校正后的数码照片像素的颜色信息识别植被像素和非植被像素，并根据识别的信息估算所述测区的植被盖度。