本發(fā)明屬于海洋水色與海洋生態(tài)，具體涉及一種海洋凈初級生產(chǎn)力的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、海洋凈初級生產(chǎn)力npp是指浮游植物光合作用固定的碳與浮游植物呼吸消耗的碳的差值，海洋初級生產(chǎn)過程固定的碳量與陸地植被固定的碳量相當(dāng)，表征了生物泵過程中的固碳基礎(chǔ)，并為海洋生物的生命活動提供能量來源。氣候變化背景下，npp的響應(yīng)特征將直接影響海洋生態(tài)環(huán)境變化、漁業(yè)資源發(fā)展及海洋固碳水平的時空分布格局。

2、自14c示蹤技術(shù)被提出以來，迄今為止，全球海洋已經(jīng)積累了近萬條海洋npp剖面的現(xiàn)場觀測樣本，這提供了對全球海洋凈初級生產(chǎn)力分布特征的基本認(rèn)知；然而，該技術(shù)過程復(fù)雜、人工參與度較高、污染海洋環(huán)境且采樣效率極低，無法實(shí)現(xiàn)高頻、大范圍觀測。目前海洋npp現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)量十分匱乏，空間覆蓋范圍有限，且觀測剖面的分辨率低，難以實(shí)現(xiàn)對npp的大尺度、長時序分析。目前，從遙感角度已發(fā)展了數(shù)十種海洋初級生產(chǎn)力遙感反演模型，如理論過程較完善、應(yīng)用較廣的基于碳生物量的海洋初級生產(chǎn)力估算模型，簡稱cbpm模型，有效實(shí)現(xiàn)了對npp的大尺度、長時序反演，顯著提高了對海洋凈初級生產(chǎn)力的認(rèn)識；但是經(jīng)過比較評估發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有模型無論對海洋npp量值的反演還是對其長期趨勢的反演，均存在較大差異；實(shí)測數(shù)據(jù)對遙感模型的參數(shù)化和評估驗(yàn)證過程具有重要意義，實(shí)測數(shù)據(jù)的匱乏嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)有遙感模型精度的提升。

3、生物地球化學(xué)浮標(biāo)，簡稱bgc-argo浮標(biāo)，可以克服現(xiàn)場觀測不足和衛(wèi)星海洋水色遙感僅可實(shí)現(xiàn)表層觀測帶來的限制，旨在測量六種生物地球化學(xué)和光學(xué)參量，包括溶解氧濃度、硝酸鹽濃度、ph、葉綠素濃度chl-a、700nm波段處的顆粒物后向散射系數(shù)bbp(700)、輻照度或光合有效輻射par。bgc-argo浮標(biāo)提供了通過船測方法無法觀測到的過程和時間尺度，bgc-argo浮標(biāo)積累的通過質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)數(shù)量已經(jīng)超過了在全球海洋中收集的任何其他生物地球化學(xué)實(shí)測數(shù)據(jù)集，迄今為止已經(jīng)以經(jīng)濟(jì)高效的方式獲取了超過120000個chl-a剖面、120000個bbp(700)剖面和50000個輻照度剖面，其中許多樣本是在迄今為止無法進(jìn)行或觀測稀疏的海洋區(qū)域獲得的。bgc-argo觀測的剖面可以進(jìn)一步用于估計npp。由于bgc-argo是通過現(xiàn)場觀測方式獲得數(shù)據(jù)，因此bgc-argo可以提供比衛(wèi)星遙感更準(zhǔn)確的npp估計，進(jìn)而有效地解決了實(shí)測npp樣本不足帶來的挑戰(zhàn)。基于此，如何構(gòu)建高精度的近現(xiàn)場實(shí)測npp數(shù)據(jù)集，可以為遙感模型的發(fā)展提供參數(shù)化和驗(yàn)證評估數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為解決現(xiàn)有npp遙感產(chǎn)品不確定性高等問題提供解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明的目的之一是至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題之一或多個，換言之，本發(fā)明的目的之一是提供滿足前述需求之一或多個的一種海洋凈初級生產(chǎn)力的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法及系統(tǒng)。

2、為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種海洋凈初級生產(chǎn)力的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法，包括以下步驟：

4、s1、采集生物地球化學(xué)浮標(biāo)bgc-argo觀測的剖面數(shù)據(jù)；

5、其中，剖面數(shù)據(jù)包括葉綠素濃度的chl-a剖面數(shù)據(jù)和700nm波段處的顆粒物后向散射系數(shù)的bbp(700)剖面數(shù)據(jù)；

6、s2、分別對chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理，得到質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)；

7、s3、基于質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)，匹配中分辨率成像光譜儀modis的遙感參數(shù)；

8、其中，遙感參數(shù)包括光合有效輻射par和490nm波段處的漫射衰減系數(shù)kd(490)；

9、s4、基于質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)、bbp(700)剖面數(shù)據(jù)、光合有效輻射par、漫射衰減系數(shù)kd(490)，利用碳基海洋凈初級生產(chǎn)力模型cbpm計算海洋凈初級生產(chǎn)力npp剖面數(shù)據(jù)；

10、s5、對npp剖面數(shù)據(jù)在真光層深度范圍進(jìn)行積分，得到水柱積分的npp數(shù)據(jù)。

11、作為優(yōu)選方案，所述步驟s2中，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理的過程包括以下步驟：

12、s21、僅保留bgc-argo數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)簽為1、2、3和5的剖面數(shù)據(jù)；

13、s22、評估每個剖面數(shù)據(jù)中的觀測層數(shù)，只保留觀測層數(shù)超過n層的剖面數(shù)據(jù)；其中，n為大于5的整數(shù)；

14、s23、對剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)范圍篩選并對尖刺信號進(jìn)行剔除；

15、s24、對剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；

16、s25、對剖面數(shù)據(jù)在真光層深度范圍進(jìn)行插值，插值到目標(biāo)分辨率，得到質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)。

17、作為優(yōu)選方案，所述步驟s23中，對于chl-a剖面數(shù)據(jù)的篩選，其對應(yīng)的目標(biāo)范圍為0至50mg·m-3；

18、對于bbp(700)剖面數(shù)據(jù)的篩選，其對應(yīng)的目標(biāo)范圍為0至0.1m-1。

19、作為優(yōu)選方案，所述步驟s23中，對尖刺信號進(jìn)行剔除的過程包括：

20、將目標(biāo)范圍的剖面數(shù)據(jù)中的各觀測層數(shù)據(jù)減去整個剖面數(shù)據(jù)的所有觀測層數(shù)據(jù)的中值后從小到大排列，剔除小于2倍10%分位以及大于2倍90%分位的觀測層數(shù)據(jù)。

21、作為優(yōu)選方案，所述步驟s24與步驟s25之間還包括剔除滿足以下任一條件的剖面數(shù)據(jù)：

22、（1）觀測層數(shù)小于5的剖面數(shù)據(jù)；

23、（2）自上而下的5m深度范圍內(nèi)無觀測層數(shù)據(jù)的剖面數(shù)據(jù)；

24、（3）剔除的觀測層數(shù)據(jù)超過10層以上的剖面數(shù)據(jù)。

25、作為優(yōu)選方案，所述步驟s24中，對于chl-a剖面數(shù)據(jù)，在進(jìn)行平滑處理之前，先進(jìn)行非光化學(xué)淬滅npq校正以及校準(zhǔn)因子調(diào)整。

26、作為優(yōu)選方案，所述步驟s3中，匹配的過程包括：

27、以待匹配剖面數(shù)據(jù)對應(yīng)的地理位置為中心，以覆蓋該中心的衛(wèi)星像元為窗口，取m×m的像元網(wǎng)格為匹配窗口；其中，m為大于1的奇數(shù)；

28、m×m的網(wǎng)格內(nèi)需要至少存在k個有效的遙感參數(shù)，并且滿足數(shù)據(jù)均一性檢驗(yàn)，即數(shù)據(jù)位于區(qū)間[mean-1.5×std，mean+1.5×std]內(nèi)，mean和std分別為網(wǎng)格內(nèi)所有有效的遙感參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；其中，k為大于4的整數(shù)；

29、對網(wǎng)格中通過上述篩選的遙感參數(shù)取平均，作為待匹配剖面數(shù)據(jù)匹配的遙感參數(shù)。

30、作為優(yōu)選方案，所述步驟s3中，匹配的遙感參數(shù)為時間分辨率為日平均、空間分辨率為4km、產(chǎn)品等級為l3級的遙感數(shù)據(jù)。

31、作為優(yōu)選方案，所述步驟s4中，碳基海洋凈初級生產(chǎn)力模型cbpm的計算公式為：

32、；

33、其中，為深度z的海洋凈初級生產(chǎn)力，為浮游植物碳；；

34、；

35、其中，；

36、；

37、；

38、；

39、；

40、；

41、其中，為深度z處的chl-a與浮游植物碳的比值，為深度z的光合有效輻射，為海表處的光合有效輻射，fraction為用于將分解到400、412、443、490、510、555、625、670、700nm波段上的系數(shù)構(gòu)成的向量；為波段λ處的漫射衰減系數(shù)，根據(jù)kd(490)計算得到；daylength為日照時長，、均為單位，分別表示每日、單位質(zhì)量碳對應(yīng)的葉綠素含量?。

42、本發(fā)明還提供一種海洋凈初級生產(chǎn)力的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建系統(tǒng)，應(yīng)用于如上任一項(xiàng)方案所述的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法，所述近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建系統(tǒng)包括：

43、采集模塊，用于采集生物地球化學(xué)浮標(biāo)bgc-argo觀測的剖面數(shù)據(jù)；其中，剖面數(shù)據(jù)包括葉綠素濃度的chl-a剖面數(shù)據(jù)和700nm波段處的顆粒物后向散射系數(shù)的bbp(700)剖面數(shù)據(jù)；

44、質(zhì)控模塊，用于分別對chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制處理，得到質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)；

45、匹配模塊，用于基于質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)和bbp(700)剖面數(shù)據(jù)，匹配中分辨率成像光譜儀modis的遙感參數(shù)；其中，遙感參數(shù)包括光合有效輻射par和490nm波段處的漫射衰減系數(shù)kd(490)；

46、計算模塊，用于基于質(zhì)控后的chl-a剖面數(shù)據(jù)、bbp(700)剖面數(shù)據(jù)、光合有效輻射par、漫射衰減系數(shù)kd(490)，利用碳基海洋凈初級生產(chǎn)力模型cbpm計算海洋凈初級生產(chǎn)力npp剖面數(shù)據(jù)；

47、積分模塊，用于對npp剖面數(shù)據(jù)在真光層深度范圍進(jìn)行積分，得到水柱積分的npp數(shù)據(jù)。

48、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：

49、（1）由于海洋中現(xiàn)有npp實(shí)測樣本嚴(yán)重匱乏，本發(fā)明的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法基于bgc-argo觀測的剖面數(shù)據(jù)、中分辨率成像光譜儀modis的遙感參數(shù)和改進(jìn)的cbpm模型，可以經(jīng)濟(jì)、高效的獲得大量近現(xiàn)場實(shí)測的npp樣本，彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)測數(shù)據(jù)不足；

50、（2）本發(fā)明的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法獲得的近現(xiàn)場實(shí)測npp數(shù)據(jù)，可為遙感大模型構(gòu)建提供參數(shù)化和驗(yàn)證評估的基礎(chǔ)，進(jìn)而為海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、海洋漁業(yè)資源發(fā)展、海洋碳源匯核算和評估等提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐；

51、（3）由于bgc-argo是全球范圍內(nèi)開展的數(shù)據(jù)觀測計劃，在后續(xù)發(fā)展中將進(jìn)一步增加浮標(biāo)投放量，意味著bgc-argo觀測數(shù)據(jù)量將持續(xù)積累增加，因此，通過本發(fā)明的近現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法可以持續(xù)、大量的不斷獲取近現(xiàn)場實(shí)測npp數(shù)據(jù)。