生态水文研究实战：蒸散发ET、GPP、碳水耦合，Python与ArcGIS应用，单站与区域可视化

蒸散发（ET）是生态系统中水汽从地表向大气传输的关键过程，由植被蒸腾（Ec）、土壤蒸发（Es）和冠层截留（Ei）组成。植被总初级生产力（GPP）则表示植物通过光合作用固定的二氧化碳总量。碳水耦合原理揭示了植被光合作用与蒸散发之间的相互作用，是当前生态水文研究的热点之一。

Python与ArcGIS工具的应用

Python和ArcGIS是生态水文研究中的重要工具。Python可用于数据处理、统计分析和模型模拟，而ArcGIS则在空间数据管理和制图方面表现出色。二者结合，能够高效处理和展示蒸散发、植被生产力等数据，为研究提供有力支持。

Penman-Monteith模型的拓展与应用

Penman-Monteith模型是估算蒸散发的经典模型，适用于多种植被类型。近年来，结合遥感技术和机器学习算法对模型进行优化，成为研究热点，旨在提高模型在复杂环境下的适用性和准确性。

结果可视化与制图

单站和区域结果的可视化是研究的重要环节。通过Python绘制时间序列图和散点图，结合ArcGIS制作区域分布图，能够直观展示蒸散发和植被生产力的空间分布和时间变化。三维可视化技术的发展为研究提供了新的视角。

1.蒸散发与光合作用阻抗

蒸散发和光合作用阻抗是植物生理学中的重要概念。蒸散发与植物水分平衡、生长和代谢密切相关；而光合作用阻抗则反映了植物在限制水分蒸散的情况下，为维持光合作用而形成的扩散阻力。研究蒸散发与光合作用阻抗的原理有助于了解植物的光合作用效率、生长速度和生态适应性等方面信息，为农业生产、林业经营和环境保护等领域提供科学依据和决策支持。

2. Python使用说明

2.1 Jupyter Notebook编辑器+Anaconda管理器的安装
2.2 虚拟环境的安装与配置 
2.3 常用库学习，包含Python基本语法及常用的科学计算（Numpy）、数据处理（Pandas）和数据可视化（Matplotlib）库函数的使用
2.4 Python中常见的数据问题有数据重复、数据异常、文本类型、数据缺失、数据无效等，对应异常值处理、文本转换和空缺值填补等操作

3.ArcGIS实践应用

3.1 ArcGIS的基本操作包括创建与打开地图文档、加载数据、保存文档、图层操作、数据框坐标系统定义、要素属性查询等
3.2 数据格式转换，在ArcGIS中可以实现不同数据格式的相互转换，如EXCEL数据与Shapefile数据、TXT数据与Shapefile 数据的相互转换等
3.3 提取栅格值，在ArcGIS中可以实现值提取至点或利用ArcPy实现批量处理栅格数据集
3.4 数据裁剪，ArcGIS中的裁剪功能用于根据指定的边界范围，对图层或栅格数据集进行裁剪。通过裁剪操作，可以删除不感兴趣的数据或者将数据限制在特定区域内，以便更好地分析和可视化数据
3.5 地图制图主要包括地图版面设计的主要要素、地图渲染方式等内容

4. 数据下载与处理

4.1 站点数据下载与处理
FLUXNET2015是一个全球尺度的碳、水和能量通量观测数据集，汇集了来自200多个观测站点的数据。该数据集提供了关于碳、水和能量通量等多个观测变量的实地观测数据，并按照标准化格式存储和共享。
数据下载 打开网址https://fluxnet.org/data/fluxnet2015-dataset/，点击Download FLUXNET2015 Dataset，进行用户名和账号密码登录后，可以根据需求选择站点，填写申请需求即可完成下载。
数据处理 根据研究需求，对下载后的数据进行处理，包括变量选择、异常值的处理、空缺值填补。

4.2 区域数据下载与处理
GLASS是一个全球陆地表面遥感数据集，提供了高分辨率的植被叶面积指数（LAI）数据，空间分辨率为250m/500m/0.05°，时间分辨率为8天。
数据下载 打开网址http://www.glass.umd.edu/index.html，根据研究需求选择对应分辨率的LAI数据集，并利用DownThemAll!批量下载数据。
数据处理 下载后的数据为hdf格式，根据研究需求，对下载后的数据进行处理，包括数据格式转换、定义投影、对应栅格值提取、数据汇总等。

5.冠层导度与水、碳通量空间模拟案例分析

案例一：蒸散发、土壤蒸发、植被蒸腾在站点尺度的计算
在站点尺度上，利用叶面积指数、净辐射等计算出冠层有效能量和土壤有效能量，并根据一定时间的累积降水和土壤表面平衡蒸发速率得到土壤蒸发，进而计算出植被蒸腾与冠层导度。具体操作如下：
1、叶面积指数的站点值提取与插补
数据格式转换定义投影站点值提取数据插补
2、土壤蒸发计算
冠层有效能量和土壤有效能量计算土壤蒸发分数计算土壤平衡蒸发计算
3、植被蒸腾计算
干湿表常数计算饱和水汽压和温度关系曲线斜率计算空气动力学导度计算
4、冠层导度计算
数值计算结果可视化

案例二：蒸散发与植被总初级生产力的区域数据下载、处理与显示
区域地表蒸散发及其组分（土壤蒸发、植被蒸腾、冠层截留蒸发）、植被总初级生产力数据的下载、处理、显示与统计。

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