基于遥感地表温度与植被盖度两阶段空间探测地表蒸散的方法技术

一种基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸散的方法，其包括：步骤1，利用遥感数据产品获取地表温度和植被盖度；步骤2，构建地表温度与植被盖度两阶段特征空间；步骤3，利用地表温度与植被盖度两阶段特征空间提取植被和裸土的组分温度；步骤4，结合地表温度与植被盖度两阶段特征空间和Priestley-Taylor公式计算植被和裸土组分的蒸发比；步骤5，根据辐射收支平衡方程计算植被组分的可利用能量和裸土组分的可利用能量；步骤6，通过地表蒸散的二源模式计算输出植被蒸腾、土壤蒸发、及地表蒸散。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及地表蒸散的遥感探测领域，具体来说涉及基于地表温度与植被盖度特征空间的地表蒸散遥感探测方法。
技术介绍
地表蒸散是地表水循环过程中的关键参量，直接或间接地影响着地表水分和热量的收支状况。地表蒸散主要由植被蒸腾和土壤蒸发两个部分组成，其中土壤蒸发反映了土壤中的水分通过非生物作用进入大气的过程，与表层土壤湿度密切相关；而植被蒸腾则反映土壤中的水分通过生物作用进入大气的过程，与植被根层的土壤湿度密切相关。一般在农业应用中，土壤蒸发被认为是水分浪费，而植被蒸腾则被认为是真正的水分利用，并且植被蒸腾及根层土壤湿度与植物的生长、发育、以及产量形成等直接相关。因此，对于节水农业、农业干旱监测、灌溉需水量估算、农作物长势监测、以及农作物产量预测等，准确的土壤蒸发和植被蒸腾数据以及表层和根层土壤湿度信息，具有非常重要的实用价值。传统的土壤蒸发和植被蒸腾观测方式，包括涡动相关系统、波文比系统、蒸渗仪、树干液流观测、稳定同位素等通常具有代价高昂、操作复杂、或空间代表性不足等缺陷，不适宜大范围、长时间观测。遥感技术可在一定程度上，弥补传统观测方式的缺陷，其一个像元代表地面的一块区域，可以很方便地实现由点到面的转换。因此，遥感成为监测地表蒸散和土壤湿度的重要手段。自上世纪70-80年代至今，基于遥感技术的地表蒸散和土壤湿度监测取得了长足进展。在这些方法中，一类利用地表温度与植被盖度(LandSurfaceTemperature-Fractionalvegetationcover,LST-Fv)特征空间的方法，吸引了国内外众多学者的关注，获得了广泛应用，因为它具有许多显著的优点，比如：(1)LST-Fv特征空间易于反演植被或裸土组分温度、实现地表蒸散的分离；(2)LST-Fv特征空间与深层土壤湿度的变异密切相关；(3)该方法简单易用，对蒸散和土壤湿度的估算精度与某些复杂模型的估算精度相当；(4)LST-Fv特征空间可用于计算蒸发比，易于由遥感瞬时测算的蒸散向日尺度转换；(5)LST-Fv特征空间主要使用遥感数据，较少依赖其他辅助数据，并且主要利用地表温度的相对变化信息，并不要求使用其绝对值，等等。目前，学者们基于LST-Fv特征空间发展了多个估算地表蒸散的一源模型和二源模型，一源模型包括JiangandIslam(1999，2001)的三角形算法和Wang(2006)的矩形算法；二源模型包括Nishida’stwo-sourcemodel、TTME模型、以及HTEM模型等。一源模型仅能计算地表蒸散，而二源模型不仅可以计算地表蒸散，还可以实现地表蒸散的分离，输出土壤蒸发和植被蒸腾。然而现有的二源模型均基于图1(a)所示的地表温度与植被盖度的传统特征空间模式。需要注意的是，在土壤由湿润到干燥的驱动过程下，由于植被根系作用，植被与裸土的辐射温度存在着响应速度和程度的差异。图1(a)所示的传统特征空间模式考虑了响应程度的差异，裸土响应程度大，植被响应程度小，所以才形成梯形形状；但是没有考虑响应速度的差异。不考虑响应速度的差异，会导致植被和裸土组分温度的反演存在较大误差，进而导致植被蒸腾、土壤蒸发、和地表蒸散的估算存在较大误差，直接影响了农业干旱监测、灌溉需水量估算、以及农作物产量预测等的应用效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于建立一种基于地表温度与植被盖度两阶段特征空间，探测植被蒸腾、土壤蒸发、以及地表蒸散的方法。本专利技术的基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸散的方法，其包括：步骤1，利用遥感数据产品获取地表温度和植被盖度；步骤2，构建地表温度与植被盖度两阶段特征空间；步骤3，利用地表温度与植被盖度两阶段特征空间提取植被和裸土的组分温度；步骤4，结合地表温度与植被盖度两阶段特征空间和Priestley-Taylor公式计算植被和裸土组分的蒸发比；步骤5，根据辐射收支平衡方程计算植被组分的可利用能量和裸土组分的可利用能量；步骤6，通过地表蒸散的二源模式计算输出植被蒸腾、土壤蒸发、及地表蒸散。优选地，步骤1中，利用MODIS遥感数据产品，根据MODIS产品的质量文件，通过十进制向二进制的转换，实现低质量和无效的MODIS地表温度(LST)和植被指数(NDVI)数据的自动过滤；然后，利用数据产品转换公式，获取地表温度(LST)和植被指数(NDVI)；最后，利用植被指数(NDVI)通过式1计算植被覆盖度(fv)：(式1)；式中，NDVImin对应于裸土；NDVImax对应于全覆盖植被，两者的取值分别设为0.2和0.86；其中NDVI由MODIS产品获得。优选地，步骤2中，所述地表温度与植被盖度两阶段特征空间由干边和湿边确定；其中，所述湿边为一水平直线，其对应的地表温度等于近地表气温(Ta)，近地表气温(Ta)由气象站实测得到；所述干边为一倾斜直线，其由裸土表面温度(Tsmax)和植被表面温度(Tvmax)确定；其中，对于位于干边上的裸土，裸土表面温度(Tsmax)通过式2计算：as×(Tsmax)4+bs×(Tsmax)3+cs×(Tsmax)2+ds×(Tsmax)+es＝0(式2)；式2中的系数设置如下：(式3)；式3中，as～es为针对裸土的系数；εs为裸土发射率，为0.95；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，为5.67×10-8W·m-1·K-4；ρ为空气密度，为1.293kg·m-3；cp为空气的质量定压热容，为1005.0J·kg-1·K-1；ras为裸土表面的空气动力学阻抗，由式8确定；n为土壤热通量与地表净辐射通量的比值，为0.35；εa为空气的发射率，由式6确定；αs为裸土表面反照率，为0.3；Sd代表下行太阳短波辐射，由气象站实测得到；Ta为近地表气温，实测获得；对于位于干边上的植被，植被表面温度(Tvmax)，通过式4计算：av×(Tvmax)4+bv×(Tvmax)3+cv×(Tvmax)2+dv×(Tvmax)+ev＝0(式4)；式4中的系数设置如下：(式5)；式5中，av～ev为针对植被的系数；εv为植被发射率，为0.98；rav为植被表面的空气动力学阻抗，由式12确定；αv为植被表面反照率，为0.2；εa为空气的发射率，通过式6确定：(式6)；式6中，Lv＝2.5×106J·kg-1；Rv＝461J·kg-1·K-1；T0＝273K；Ta为近地表气温，实测获得；Ta与Td的单位均为K；Td为露点温度，Td通过式7计算：(式7)；式7中，a＝17.27；b＝237.7℃；RH为相对湿度，单位为百分比，实测获得；式7中，Ta与Td的单位均为摄氏度；式3中，ras通过式8计算：(式8)；式8中，u1m为裸土表面1米高处的风速，单位m/s；u*为摩擦速度，单位m/s，实测获得；k为vonKarman常数，为0.41；zm风速的参考高度，为1m；d为零平面位移，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸散的方法，其包括：步骤1，利用遥感数据产品获取地表温度和植被盖度；步骤2，构建地表温度与植被盖度两阶段特征空间；步骤3，利用地表温度与植被盖度两阶段特征空间提取植被和裸土的组分温度；步骤4，结合地表温度与植被盖度两阶段特征空间和Priestley‑Taylor公式计算植被和裸土组分的蒸发比；步骤5，根据辐射收支平衡方程计算植被组分的可利用能量和裸土组分的可利用能量；步骤6，通过地表蒸散的二源模式计算输出植被蒸腾、土壤蒸发、及地表蒸散。

【技术特征摘要】
1.一种基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸散的方法，其包
括：
步骤1，利用遥感数据产品获取地表温度和植被盖度；
步骤2，构建地表温度与植被盖度两阶段特征空间；
步骤3，利用地表温度与植被盖度两阶段特征空间提取植被和裸土的组分
温度；
步骤4，结合地表温度与植被盖度两阶段特征空间和Priestley-Taylor公式
计算植被和裸土组分的蒸发比；
步骤5，根据辐射收支平衡方程计算植被组分的可利用能量和裸土组分的
可利用能量；
步骤6，通过地表蒸散的二源模式计算输出植被蒸腾、土壤蒸发、及地表
蒸散。
2.如权利要求1所述的基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸
散的方法，其特征在于：
步骤1中，利用MODIS遥感数据产品，根据MODIS产品的质量文件，通过
十进制向二进制的转换，实现低质量和无效的MODIS地表温度(LST)和植被指
数(NDVI)数据的自动过滤；
然后，利用数据产品转换公式，获取地表温度(LST)和植被指数(NDVI)；
最后，利用植被指数(NDVI)通过式1计算植被覆盖度(fv)：
fv=(NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin)2]]>(式1)；
式中，NDVImin对应于裸土；NDVImax对应于全覆盖植被，两者的取值分别
设为0.2和0.86；其中NDVI由MODIS产品获得。
3.如权利要求2所述的基于遥感地表温度与植被盖度两阶空间探测地表蒸
散的方法，其特征在于：
步骤2中，所述地表温度与植被盖度两阶段特征空间由干边和湿边确定；
其中，所述湿边为一水平直线，其对应的地表温度等于近地表气温(Ta)，近地

\t表气温(Ta)由气象站实测得到；
所述干边为一倾斜直线，其由裸土表面温度(Tsmax)和植被表面温度(Tvmax)
确定；其中，对于位于干边上的裸土，裸土表面温度(Tsmax)通过式2计算：
as×(Tsmax)4+...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙灏，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11