2024卫星对地观测下的草地碳指标监测体系

卫星对地观测下的草地碳指标监测体系目次前言 II引言 III范围 1规范性引用文件 1术语和定义 1缩略语 3监测体系分级原则 3卫星对地观测下的草地碳指标监测体系 4卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系 5附录A（规范性）空天地一体化草地碳指标监测技术体系框架 10附录B（资料性）遥感碳中和监测原理及优势 12附录C（资料性）国内外主要碳源碳汇监测常用卫星的主要参数 14参考文献 15IPAGEPAGE1卫星对地观测下的草地碳指标监测体系范围本文件规定了卫星对地观测下的草地碳指标体系和草地碳指标遥感监测产品体系。本文件适用于采用卫星对地观测技术进行草地生态系统碳监测相关遥感信息产品的业务化反演生产和草地生态系统碳循环监测技术系统的建设，为草地碳汇计量与监测提供量化依据。规范性引用文件GB/T32453—2015卫星对地观测数据产品分类分级规则IPCC2006IPCC2006年国家温室气体清单指南2019修订版术语和定义碳源carbonsource向大气中释放碳的母体，分为自然碳源与人为碳源，其中自然碳源是指自然过程释放二氧化碳、甲烷等温室气体，人为碳源是指人类生产与生活活动释放二氧化碳等温室气体。注：《2006国家温室气体清单指南》中列出四大类人为碳排放源，包括能源、工业过程及产品用途、农业林业和其他土地利用与废弃物。[来源：T/C001—2022，3.1]碳汇carbonsink自然界中碳的寄存体，主要表现为陆地与海洋等吸收并储存二氧化碳的生态系统，包括陆地碳汇（例如森林、农田、草地等）和海洋碳汇（例如红树林、盐沼、海草床等）。[来源：T/C001—2022，3.2]碳库carbonpool也称碳的储存库，通常包括地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和土壤有机质碳库。注：其单位为质量单位。[来源：AR-CM-001-V01，4]草地grassland主要用于牧业生产的地区或自然界各类草原、草甸、稀树干草原等统称为草地。[来源：AR-CM-001-V01，1]草地碳汇grasslandcarbonsink草地植物吸收大气中的二氧化碳并将其固定在植被或土壤中，从而减少该气体在大气中的浓度。草地地上生物量overgroundbiomassofgrassland[来源：NY/T1233—2006，D.5.1]草地地下生物量undergroundbiomassofgrassland指存在于草地植被地表下草本根系和根茎生物量的总合。草地凋落物量littercontent草地生态系统中死亡或衰老后脱落到地面的植物残体。[来源：GB/T21439—2008，3.17，有修改]总初级生产力grossprimaryproductivity在单位时间和单位面积上，绿色植物通过光合作用所固定的有机碳总量。[来源：T/CMSA0027—2022，3.10]净初级生产力netprimaryproductivity单位时间内植物通过光合作用所吸收的碳除去植物自养呼吸的碳损耗所剩余的部分。[来源：T/CMSA0027—2022，3.11]净生态系统生产力netecosystemproduction净初级生产力除去土壤异养呼吸的碳损耗所剩余的部分。[来源：T/CMSA0027—2022，3.16]叶面积指数leafareaindex单位土地面积上植物叶片总面积占土地面积的倍数。光合有效辐射吸收比例fractionofabsorbedphotosyntheticallyactiveradiation与植被结构有关的冠层光学参数，太阳入射光和有效辐射被植被冠层拦截并吸收的比例。生物质开放燃烧openbiomassburning草地等生物质燃烧会产生大量污染物并将其释放到大气中，是气态和颗粒物最重要的来源之一。草地覆盖度grasslandcoverage某一区域内草地植被的垂直投影面积占该区域面积的百分比。[来源：QX/T537—2020，2.3]landuseandlandcoverchange（例如定居点缩略语下列缩略语适用于本文件：DEM：数字地面模型（DigitalTerrainModel）GPP：总初级生产力（GrossPrimaryProductivity）HS：高光谱数据产品（HyperspectralDataProduct）IPCC：联合国政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange）LR：激光雷达数据产品（LaserRadarDataProduct）MS：多光谱数据产品（MultispectralDataProduct）MW：微波数据产品（MicrowaveDataProduct）NEP：净生态系统生产力（NetEcosystemProduction）NPP：净初级生产力（NetPrimaryProductivity）监测体系分级原则依据GB/T32453—2015《卫星对地观测数据产品分类分级规则》第5章对地观测数据分类分级原则，结合碳中和背景下的草地遥感碳指标监测需求，制定以下体系分级原则：科学性：监测指标的设计和产品体系的划分符合国家有关草地经营碳汇等方法学、标准在内的碳可扩展性：体系制定首先考虑目前使用广泛、可标准化程度高的主流遥感监测产品，同时还应考虑未来一定时期出现的新类别、级别可能性，应具备可扩展性。实用性：分级设置应简洁明确，易于操作并为各类用户所接收和使用。兼容性：应能够与现行使用的国际温室气体排放分类、国内外遥感卫星数据分级规则建立明确的映射关系，能方便地与国内外相关分类分级方案接轨。卫星对地观测下的草地碳指标监测体系根据《IPCC20062019卫星对地观测下的草地碳指标监测体系见表1，各指标间层次关系，草地碳指标示意图见图1。表1卫星对地观测下的草地碳指标监测体系一级指标二级指标草地温室气体排放源碳源监测指标二氧化碳CO2浓度甲烷CH4浓度草地生态系统碳通量和碳储量监测指标总初级生产力净初级生产力净生态系统生产力表1卫星对地观测下的草地碳指标监测体系（续）一级指标二级指标草地生态系统碳通量和碳储量监测指标草地地上生物量草地地下生物量土壤有机碳密度土壤有机碳库生物质开放燃烧草地凋落物量草地生态系统碳循环模型输入参数植株高度植被类型叶面积指数草地覆盖度光谱植被指数一级指标二级指标表土粒度指数放牧强度土地利用与土地覆盖变化光合有效辐射吸收比例图1 草地碳指标示意图卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系对应表1中的二级指标，构建卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系，对应的碳指标监测产2，依托附录A空天地一体化草地碳指标监测技术体系框架标准化生产相关数据产品。其中，根据GB/T32453—2015《卫星对地观测数据产品分类分级规则》中6.2.2和6.2.4确定各产品的类别及类别标识，便于标准化生产及交换共享。PAGEPAGE6表2卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系产品产品类别数据获取与处理要求卫星对地观测原始数据及传感主要参数辅助数据常用计算方法草地温室气体浓度监测指标二氧化碳CO2浓度高光谱产品（HS）高光谱遥感数据，空间分辨率优于2km，重访周期不超过16d。数据等。反演各温室气体的二氧化碳当量。甲烷CH4浓度草地碳汇监测产品总初级产 （GPP）多光谱产品（MS）多源遥感监测，空间分辨率优于1km，重访周期小于8d。据、DEM数据以及土地利用数据等。利用的中国自主研发的生态系统过程模型大气－植被相互作用模型—大气—验关系。净生态系统生产力（NPP）多光谱产品（MS）多源遥感监测，空间分辨率优于1km，重访周期小于8d。地基通量观测网络数据、气象数据、DEM数据以及土地利用数据等。利用卡内基—阿姆斯—斯坦福方法（CASA）等光能利用率模型、各碳库土壤异养呼吸模型，建立日步长的机理性生态模型估算净生态系统生产力。草地地上生物量多光谱产品（LIDAR）高/多光谱遥感监测，空间分辨率16d地面核查数据原生物量的区域制图。选择草场生长旺盛的7-8月份进行核查，相对应的卫星遥感数据选择可获取份的平均合成数据进行制图。表2卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系（续）产品产品类别数据获取与处理要求卫星对地观测原始数据及传感主要参数辅助数据常用计算方法草地碳汇监测产品草地地下生物量多光谱产品光雷达产品（LIDAR）高/多光谱遥感监测，空间分辨率16d地面核查数据a）基于多源遥感卫星数据驱动的地物识别技术，实现草地植被类型、草地冠层覆盖情况的清查；在此基础上通过将实测草原碳库数据（地下生物量）与多源遥感卫星数据和激光雷达数据等相结合，使用机器学习回归拟合建模，实现草原生物量的区域制图。b）根据不同草地类型，利用地下与地上的根冠比（R/S）或者地下与地上生物量的关系对草地地下生物量进行估算。土壤有机碳库多光谱产品光雷达产品（LIDAR）高/多光谱遥感监测，空间分辨率1km16d地面核查数据生物量的区域制图。7-8份的平均合成数据进行制图。生物质开放燃烧热红外产品（HS）a）热红外、多/高光谱遥感监测，空间分辨率优于1km，重访周期不超过1d；地基通量观测网络数据、地面核查数据等。用于估算草地生物质开放燃烧的污染物排放量。b）无人机热红外遥感，空间分辨率优于1m，按需监测。草地凋落物量多光谱产品（HS）高/多光谱遥感监测，空间分辨率优于1km，重访周期不超过1d。地基通量观测网络数据、地面核查数据等。排放量估算的时空分辨率。表2卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系（续）产品产品类别数据获取与处理要求卫星对地观测原始数据及传感主要参数辅助数据常用计算方法草地碳汇监测产品土壤碳密度多光谱产品波数据产品（MW）多源遥感监测，空间分辨率优于1km，重访周期小于8d。地基通量观测网络数据、气象数据、DEM数据等。基于长期定位观测数据改进过程模型结构和优化参数后，以遥感反演的结构和优化参数后，以遥感反演的净初级生产力驱动过程模型模拟表层土壤有机碳密度的时空演变过程。多光谱产品（MS）、微多源遥感监测，空间分辨率优于植株高度波数据产品（MW）、1km8d无人机激按需监测。地面核查数据、气候数据、地形数据。以星载激光雷达与机载激光雷达的回波数据为主要数据源，联合光学遥感数据、微波遥感数据、气候数据、地形数据等，针对不同草地类型和生态地理分区分别构建草地植物高度反演模型。（LR）草地生态系统碳循植被类型多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于30m，时间分辨率优于10d。地面核查数据根据陆地卫星LANDSAT遥感影像数据信息，结合野外布置样点、室内计算机技术解译及验证方法研究植被类型及分布。叶面积指多光谱产品多光谱遥感监测，空间分辨率优于构建经验或物理模型，结合适当的反演策略实现参数病态反演；或采用机环模型输入参数数（MS）500m，时间分辨率优于10d。地面核查数据器学习等方法实现由多波段反射率反演叶面积指数的具体方法。草地覆盖度多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于500m，时间分辨率优于10d。地面核查数据基于植被指数的构建线性混合模型反演草地覆盖率光谱植被指数多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于500m，时间分辨率优于10d。地面核查数据基于植被对多光谱反射率数据，采取不同的波段运算数学形式，进行计算获得。地面核查数据基于可见光和近红外波段表面反射光谱与特征的经验关系法；基于土地覆表土粒度指数多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于500m。盖遥感分类法；基于土壤与植被光谱特征差异的遥感指数法；热红外遥感数据和产品的发展为利用热红外特征发射率监测大面积土壤空间分布具体方法。表2卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品体系（续）产品产品类别数据获取与处理要求卫星对地观测原始数据及传感主要参数辅助数据常用计算方法草地生态系统碳循放牧强度多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于500m。地面核查数据以基于遥感卫星数据反演得到的牧场生物量数据与地面核查得到的牧场牲低并获取研究区放牧强度分布图。土地利用多光谱产多光谱遥感监测，空间分辨率优于使用遥感影像监督或非监督分类，利用土地利用动态模型和土地利用转移矩环模型输入参数与土地覆盖变化品（MS）500m。地面核查、放牧强度数据阵，研究土地类型变化的速率和变化方向。光合有效辐射吸收比例多光谱产品（MS）多光谱遥感监测，空间分辨率优于1km。地面核查数据、气象数据等基于遥感植被指数，构建光合有效辐射吸收比例遥感反演的经验方法PAGEPAGE15附录A附录B（规范性）附录C空天地一体化草地碳指标监测技术体系框架概述空天地一体化草地碳指标监测技术系统主要包括天空地一体化数据获取、产品标准化生产、模拟分析与决策支持以及综合应用几个部分，具体关系见图A.1。图A.1空天地一体化草地碳指标监测技术体系框架空天地一体化观测系统卫星遥感观测在碳源/汇核查方面发挥重要作用。我国于2016年发射了第一颗二氧化碳监测科学实验卫星，又陆续发射风云三号D星和高分五号大气成分监测卫星。2022年，我国首颗陆地生态系统碳监测卫草地生态系统碳循环过程模型通过模拟草地生态系统碳循环的过程和机制，提供网格化碳通量变化估计，从而定量划分不同驱动因素对草地碳汇变化的贡献，并预测其未来变化。具体包括以下方面：开发人类－自然耦合草地生态系统碳循环过程模型，建立草地生态系统碳循环参数数据库，提高模型模拟精度，以准确预测中国草地生态系统的碳汇潜力。综合应用在空天地一体化观测系统和草地生态系统碳循环过程模型的支持下，利用卫星对地观测下的草地碳指标遥感监测产品开展草地碳汇综合应用。包括以下方面：设全国范围内草地碳汇“一张图”，实现项目动态管理、信息共享发布、线上线下互动等，增强我国草地碳汇市场可信度和社会参与度。支持。营管理成效评价和干扰监测的问题。广应用，逐步实现草地碳汇数据采集无纸化和自动化；同时开展草地碳排放预警等应用。附录D附录E（资料性）附录F遥感碳中和监测原理及优势遥感监测原理N和OICHOCH目前GOSAT卫星和OCO-2卫星所使用的反演算法都是利用近红外辐射光谱数据获得廓线浓度加权的柱二氧XCO草地碳储量遥感监测方面：我国草原面积占国土面积的40%以上，属于世界第二大草原大国。利用遥（GeographicInformationSystem）技术，并根据地区地形、草原类型及生长环境的特点