根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法技术

本发明专利技术提供了一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，属于土壤水分估算技术领域。所述方法包括以下步骤：(A)确定所述方法需要的输入数据，构建输入数据集；(B)通过计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度；(C)根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算根区与表层相对土壤水分。该方法为根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，将对地表蒸散发具有不同贡献的表层和根区土壤水分从混合土壤水分中分离开来，实现表层与根区相对土壤水分的同时反演，提高下垫面相对土壤水分的估算精度。

【技术实现步骤摘要】
根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法
本专利技术属于土壤水分估算
，具体涉及一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法。
技术介绍
土壤水分是影响地表过程的核心变量之一，是水循环、能量平衡和生物地球化学循环的基本组成部分，是水文学、气象学以及农业科学研究领域的一种重要指标参数，尤其在当今农业发展中起到非常重要的作用。地表温度-植被覆盖度特征空间综合地表温度和植被覆盖度，能够反映出丰富的地表信息，从而有效地监测干旱及植物生长的时空变化，是近年来广泛使用的土壤水分估算模型。地表温度-植被覆盖度特征空间法以植被覆盖度为横坐标，地表温度为纵坐标，在研究区土壤水分和植被覆盖度变化范围较大时，二者构成的散点图将呈现一定规则的三角形或梯形形状。目前对于该方法的研究大多基于归一化地表温度同土壤水分的线性关系，即特征空间内相同斜率的点位于等土壤水分线上。同时，现有的方法大都认为遥感反演得到的相对土壤水分同时包括根区土壤水分和表层土壤水分，并假设二者是相同的。然而表层土壤水分和根区土壤水分是明显不同的，二者对地表蒸散发具有不同贡献。因此，构建归一化地表温度反演土壤水分的遥感模型，同时估算表层土壤水分及根区土壤水分，对于提升遥感反演土壤水分及地表蒸散发精度具有重要研究意义。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法；克服现有技术中地表温度-植被覆盖度特征空间中假定地表温度与土壤水分呈线性关系的局限，提升了遥感反演土壤水分和地表蒸散发的精度。本专利技术的另一目的在于提供所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法在同时估算根区与表层相对土壤水分中的应用。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，所述方法包括以下步骤：(A)确定所述方法需要的输入数据，构建输入数据集；(B)通过计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度；(C)根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算根区与表层相对土壤水分。作为进一步优选的技术方案，步骤(A)中，所述输入数据包括遥感数据和气象数据；优选地，所述遥感数据包括地表温度、地表反射率、植被指数和叶面积指数；优选地，所述气象数据包括大气压强、空气温度、湿度、风速和下行长/短波辐射数据。作为进一步优选的技术方案，步骤(B)包括：(B1)分别定义干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元，根据输入数据集，计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度；(B2)根据输入数据集，利用四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度。作为进一步优选的技术方案，步骤(B1)中，干燥裸土极限端元定义为表层相对土壤水分为0；和/或，干燥植被极限端元定义为表层和根区相对土壤水分均为0；和/或，湿润裸土极限端元定义为表层土壤含水量达到饱和，相对土壤水分为1；和/或，湿润植被极限端元定义为表层和根区土壤含水量均达到饱和，相对土壤水分为1。作为进一步优选的技术方案，步骤(B1)中，利用下式计算干燥裸土极限端元的地表温度，记为Tsd：和/或，利用下式计算干燥植被极限端元的地表温度，记为Tvd：和/或，利用下式计算湿润裸土极限端元的地表温度，记为Tsw：和/或，利用下式计算湿润植被极限端元的地表温度，记为Tvw：其中，Tsd、Tvd、Tsw和Tvw分别为干燥裸土端元温度、干燥植被端元温度、湿润裸土端元温度和湿润植被端元温度；ρ为空气密度(kg/m3)；Cp是定压比热(J/(m·K))；γ为干湿球常数(kPa/℃)；Δ为饱和水汽压差对温度的斜率(kPa/℃)；VPD为水气压亏缺(kPa)；Ta为近地表气温(K)；rvw和rvd分别为供水充足和干燥的植被冠层阻抗(s/m)；rav和ras分别为植被和土壤上层的空气动力学阻抗(s/m)；Rn,s和Rn,v分别为土壤组分和植被组分净辐射；Gs为土壤热通量。作为进一步优选的技术方案，步骤(B2)中，利用下式计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度，记为T：其中，T为临界温度；Tsd和Tvw分别为干燥裸土端元温度和湿润植被端元温度；Fv为植被覆盖度。作为进一步优选的技术方案，步骤(C)包括：(C1)若遥感影像像元的地表温度低于或者等于临界温度，根区相对土壤水分Wdeeper＝1，根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算表层相对土壤水分；或者，(C2)若遥感影像像元的地表温度高于临界温度，表层相对土壤水分Wupper＝0，根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算根区相对土壤水分。作为进一步优选的技术方案，步骤(C1)中，利用下式计算植被组分温度，记为Tv：Tv＝Tvw利用下式计算土壤组分温度，记为Ts：利用下式计算土壤组分的归一化温度，记为Ts*：利用下式计算表层相对土壤水分，记为Wupper：其中，a1、b1由土壤-植被-大气传输模型模拟得到；Tsd、Tsw和Tvw分别为干燥裸土端元温度、湿润裸土端元温度和湿润植被端元温度；TR为遥感影像像元的地表温度；Fv为植被覆盖度。作为进一步优选的技术方案，步骤(C2)中，利用下式计算土壤组分温度，记为Ts：Ts＝Tsd利用下式计算植被组分温度，记为Tv：利用下式计算植被组分的归一化温度，记为Tv*：利用下式计算根区相对土壤水分，记为Wdeeper：其中，a2、b2由土壤-植被-大气传输模型模拟得到；Tsd、Tvd和Tvw分别为干燥裸土端元温度、干燥植被端元温度和湿润植被端元温度；TR为遥感影像像元的地表温度；Fv为植被覆盖度。根据本专利技术的第二个方面，本专利技术提供了所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法在同时估算根区与表层相对土壤水分中的应用。本专利技术提供了一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，本专利技术发展了基于地表温度-植被覆盖度特征空间的表层与根区相对土壤水分同时反演的方法，构建归一化组分温度同土壤水分的非线性关系，同时反演表层与根区相对土壤水分。本专利技术克服地表温度-植被覆盖度特征空间中假定地表温度与土壤水分呈线性关系的局限，利用指数型关系，将对地表蒸散发具有不同贡献的表层和根区土壤水分从混合土壤水分中分离开来，实现表层与根区相对土壤水分的同时反演，提高下垫面相对土壤水分的估算精度。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，所述方法包括以下步骤：(A)确定所述方法需要的输入数据，构建输入数据集；(B)通过计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(A)确定所述方法需要的输入数据，构建输入数据集；(B)通过计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度；(C)根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算根区与表层相对土壤水分。

【技术特征摘要】
1.一种根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(A)确定所述方法需要的输入数据，构建输入数据集；(B)通过计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度；(C)根据四个极限端元的地表温度和临界温度，计算根区与表层相对土壤水分。2.根据权利要求1所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，步骤(A)中，所述输入数据包括遥感数据和气象数据；优选地，所述遥感数据包括地表温度、地表反射率、植被指数和叶面积指数；优选地，所述气象数据包括大气压强、空气温度、湿度、风速和下行长/短波辐射数据。3.根据权利要求1所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，步骤(B)包括：(B1)分别定义干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元，根据输入数据集，计算干燥裸土、干燥植被、湿润裸土和湿润植被四个极限端元的地表温度；(B2)根据输入数据集，利用四个极限端元的地表温度，计算介于根区土壤水分充足/表层土壤水分亏缺和根区土壤水分亏缺/表层无土壤水分之间的临界温度。4.根据权利要求3所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，步骤(B1)中，干燥裸土极限端元定义为表层相对土壤水分为0；和/或，干燥植被极限端元定义为表层和根区相对土壤水分均为0；和/或，湿润裸土极限端元定义为表层土壤含水量达到饱和，相对土壤水分为1；和/或，湿润植被极限端元定义为表层和根区土壤含水量均达到饱和，相对土壤水分为1。5.根据权利要求3所述的根区与表层相对土壤水分同时估算的遥感反演方法，其特征在于，步骤(B1)中，利用下式计算干燥裸土极限端元的地表温度，记为Tsd：和/或，利用下式计算干燥植被极限端元的地表温度，记为Tvd：和/或，利用下式计算湿润裸土极限端元的地表温度，记为Tsw：和/或，利用下式计算湿润植被极限端元的地表温度，记为Tvw：其中，Tsd、Tvd、Tsw和Tvw分别为干燥裸土端元温度、干燥植被端元温度、湿润裸土端元温度和湿润植被端元温度；ρ为空气密度(kg/m3)；Cp是定压比热(J/(m·K))；γ为干湿球常数(kPa/℃)；Δ为饱和水汽压差对温度的斜率(kPa/℃)；VPD为水气压亏...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐荣林，王桐，李召良，刘萌，姜亚珍，邸苏闯，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11