一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法技术

本发明专利技术涉及一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，基于时序遥感数据开展作物需水量的估算研究并基于作物需水量进行作物种植结构的优化与调整。基于遥感数据利用能量平衡方程估算作物的瞬时蒸发散，并在此基础上对瞬时蒸发散进行时间尺度的扩展得到日蒸发散；进一步对日蒸发散进行时间尺度的扩展得到作物整个生长季的蒸发散；然后结合降雨等气象数据估算得到作物整个生长季的需水量，为作物种植结构的优化调整提供基础。本发明专利技术克服了当前基于气象和实测数据需要大量实测数据的难题及利用遥感数据仅能估算作物日需水量的不足，对干旱地区水资源约束下的农作物优化配置具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法
本专利技术涉及干旱区水资源管理和农业种植结构优化
，特别是一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法。
技术介绍
水资源短缺是限制干旱区农业发展的主要瓶颈，加强水资源的合理利用是保证农业和经济社会可持续发展的必由之路。农业种植结构描述的是一个地区或农业生产单位内农作物的类型及其空间分布，是区域水资源优化配置的基础，农业种植结构的调整与优化对水资源的利用和农业经济效益具有积极的作用。农作物需水量估算是进行水资源约束下作物种植结构调整与优化的基础。国内外许多学者基于气象数据和实测数据开展对作物需水量的估算，但这种方法受气候因素变化的影响较大，而且大量野外实测数据的收集比较困难。也有许多学者基于遥感影像数据，利用Penman公式、SEBAL能量平衡方程等开展对作物蒸发散的定量研究，但大部分研究仅限于对作物瞬时和日蒸发散的估算，并没有估算作物整个生长季的蒸发散和需水量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，充分利用时间序列遥感影像的优势，克服了当前基于气象和实测数据需要大量实测数据的难题及利用遥感数据仅能估算作物日需水量的不足，对干旱地区水资源约束下的农作物优化配置具有重要意义。本专利技术采用以下方案实现：一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，具体包括以下步骤：步骤S1：获取研究区的遥感影像数据、气象数据(气温和风速)、DEM数据，对遥感数据进行预处理，并计算植被指数、地表比辐射率、地表反照率和地表温度；步骤S2：计算地表净辐射通量Rn；步骤S3：计算土壤热通量G；步骤S4：计算感热通量H；步骤S5：基于能量平衡方程，计算得到遥感数据获取时刻作物的瞬时蒸发散；步骤S6：将作物瞬时蒸发散进行时间尺度扩展得到日蒸发散；步骤S7：将作物日蒸发散进行时间尺度扩展得到整个生长季的蒸发散；步骤S8：基于作物生长季蒸发散和降雨量数据估算作物生长季的理论需水量；步骤S9：综合作物生长季理论需水量、作物种植结构以及农业供水数据构建农业种植结构优化模型；步骤S10：利用粒子群算法对农业种植结构优化模型进行求解，获得农作物种植结构优化方案。较佳的，步骤S1的具体步骤如下：步骤S11：收集研究区生长季的时序遥感数据，并进行几何校正、辐射校正等预处理；步骤S12：对预处理后的遥感影像计算植被指数NDVI；步骤S13：对预处理后的遥感数据计算地表比辐射率；步骤S14：对处理后的遥感数据计算地表反照率；步骤S15：对处理后的遥感数据计算地表温度；步骤S16：收集研究区气温和风速等气象观测数据；步骤S17：收集研究区DEM高程数据。进一步地，步骤S2中，地表净辐射通量Rn的计算采用下式：Rn＝(1-α)Rs↓+RL↓-RL↑-(1-ε0)RL↓；式中，α是地表反照率，Rn为地表净辐射通量(J·m-2·s-1)，Rs↓是入射到达地表的太阳短波辐射(J·m-2·s-1)，RL↓是入射的长波辐射(J·m-2·s-1)，RL↑是反射的长波辐射；ε0是地表比辐射率。其中Rs↓,RL↓,RL↑计算公式如下：Rs↓＝GSC×sin(θ)×τsw/dr2dr＝1+0.033cos[DAY×(2π/365)]RL↓＝1.08(-lnτsw)0.265×δTa4RL↑＝ε0δTs4其中：GSC是太阳常数(1367W·m2)；θ是太阳高度角(°)；τsw是大气单向透射率；dr是日地距离单位(天文单位)，DAY为遥感影像获得时间在一年中的第几天，δ是Boltzmann常数(5.67×10-8W·m-2·K-4),ε0是地表比辐射率；Ta参考高度大气温度(K)，可以利用完全植被覆盖度或水体区域的地表温度来表示，本专利技术用计算显热通量的“冷点”像元来代替；Ts是地表温度(K)，τsw为大气单向透射率。进一步地，步骤S3中，土壤热通量G的计算采用下式：式中，Ts为地表温度(K)，α为地表反照率，NDVI为归一化植被指数，c11是卫星校正系数，过境时间在地方时12点以前取0.9，在12点到14点之间取1.0。进一步地，步骤S4中，感热通量H的计算采用下式：式中，ρair是空气密度(kg·m-3)，Cp是空气定压比热(取1004J·kg-1·K-1)，dT为距离地面高Z1和Z2处的温差(通常取Z1＝0.1m；Z2＝2m，为气象站观测高度)，rab是空气动力学阻抗(s·m-1)。其中，Cp计算：式中,Ta如上文，Z为地形高度(m)。rab计算：式中,k为Karman常数(0.41)，μ*为摩擦风速。Z1＝0.1m；Z2＝2m(为气象站观测高度)。摩擦风速(μ*)是表征大气运动强度的参数，其计算需要一个不受地表粗糙度影响的稳定风速。根据经验，在200m高空时，地表起伏对大气运动的影响可以忽略不计，此时整个上的风速可以认为是相同的。200m处的风速推算过程如下：Zom＝0.123hav公式：μx为高度为hx(m)处的风速，Zom为动量表面粗糙度(m)。hav是植被平均高度(m)，若无植被则假设为0.01。首先根据公式10和公式11得到气象站点的摩擦风速，将气象站点摩擦风速再带入公式10、11可以得到200m处风速μ200，将μ200以及像元Zom代入公式10可以得到区域内各像元摩擦风速μ*的空间分布。dT计算：SEABL模型假设dT与地表温度Ts成线性相关关系，其表达式如下：dT＝aTs+ba、b为校正系数，通过选择“冷像元”和“热像元”来确定。“热点”通常选择是没有植被覆盖的干燥裸土区域，其蒸发散近似为0，满足H≈Rn-G。“冷点”通常选择水域或植被覆盖度较高的区域，满足λET＝Rn-G。由于大气的不稳定，一次性选取“冷”“热”点而得到稳定显热通量存在一定的误差。因此通过迭代运算进行多次循环来得到稳定的感热通量H(当rah前后两次的相对误差小于2％时H达到稳定)。进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：步骤S51：将地表净辐射通量Rn、土壤热通量G、感热通量H带入能量平衡方程，求出卫星过境时刻的潜热通量λET，具体计算公式如下：Rn＝G+H+λET；式中：Rn为净辐射量(J·m-2·s-1)；G为土壤热通量(J·m-2·s-1)；H为显热通量(J·m-2·s-1)；λET为潜热通量(J·m-2·s-1)；步骤S52：利用步骤S51计算得到的潜热通量λET，求出卫星过境时刻的瞬时蒸发散ETinst，具体计算公式如下：式中，ETinst为瞬时蒸发散(J·m-2·s-1)；λ为汽化潜热(J·m-2·s-1)。进一步地，步骤S6具体为：将瞬时蒸散发量在时间尺度上进行扩展，通过正弦函数估算日蒸发散，具体计算公式如下：式中，NE为日蒸散时数，即蒸散开始时刻到傍晚蒸散减弱到接近于0时的时间间隔，一般比日照时数少2h，t为日出到卫星过境时刻的时间间隔，单位为h，ETdaily为日蒸发散，ETinst为瞬时蒸发散。进一步地，步骤S7具体为：根据数学积分法思想的梯形法，对日蒸发散进行尺度扩展，得到整个作物生长季的蒸发散ETtotal，具体计算公式如下：式中，i为影像序列值，n＝13,ETi为第i期日蒸散发量，Δt为相邻两时期日蒸发散的间隔天数。进一步地，步骤S8具体为：利用S7计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取研究区的遥感影像数据、气象数据、DEM数据，并计算植被指数、地表比辐射率、地表反照率和地表温度；步骤S2：计算地表净辐射通量Rn；步骤S3：计算土壤热通量G；步骤S4：计算感热通量H；步骤S5：基于能量平衡方程，计算得到遥感数据获取时刻作物的瞬时蒸发散；步骤S6：将作物瞬时蒸发散进行时间尺度扩展得到日蒸发散；步骤S7：将作物日蒸发散进行时间尺度扩展得到整个生长季的蒸发散；步骤S8：基于作物生长季蒸发散和降雨量数据估算作物生长季的理论需水量；步骤S9：综合作物生长季理论需水量、作物种植结构以及农业供水数据构建农业种植结构优化模型；步骤S10：利用粒子群算法对农业种植结构优化模型进行求解，获得农作物种植结构优化方案。

【技术特征摘要】
1.一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：获取研究区的遥感影像数据、气象数据、DEM数据，并计算植被指数、地表比辐射率、地表反照率和地表温度；步骤S2：计算地表净辐射通量Rn；步骤S3：计算土壤热通量G；步骤S4：计算感热通量H；步骤S5：基于能量平衡方程，计算得到遥感数据获取时刻作物的瞬时蒸发散；步骤S6：将作物瞬时蒸发散进行时间尺度扩展得到日蒸发散；步骤S7：将作物日蒸发散进行时间尺度扩展得到整个生长季的蒸发散；步骤S8：基于作物生长季蒸发散和降雨量数据估算作物生长季的理论需水量；步骤S9：综合作物生长季理论需水量、作物种植结构以及农业供水数据构建农业种植结构优化模型；步骤S10：利用粒子群算法对农业种植结构优化模型进行求解，获得农作物种植结构优化方案。2.根据权利要求1所述的一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，步骤S2中，地表净辐射通量Rn的计算采用下式：Rn＝(1-α)Rs↓+RL↓-RL↑-(1-ε0)RL↓；式中，α是地表反照率，Rs↓是入射到达地表的太阳短波辐射，RL↓是入射的长波辐射，RL↑是反射的长波辐射；ε0是地表比辐射率。3.根据权利要求1所述的一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，步骤S3中，土壤热通量G的计算采用下式：式中，Ts为地表温度，α为地表反照率，NDVI为归一化植被指数，c11是卫星校正系数，过境时间在地方时12点以前取0.9，在12点到14点之间取1.0。4.根据权利要求1所述的一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，步骤S4中，感热通量H的计算采用下式：式中，ρair是空气密度，Cp是空气定压比热，dT为距离地面高Z1和Z2处的温差，rab是空气动力学阻抗。5.根据权利要求1所述的一种遥感需水量约束的干旱区农业种植结构优化方法，其特征在于，步骤S5具体包括以下步骤：步骤S51：将地表净辐射通量Rn、土壤热通量G、感热通量H带入...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小钦，李娅丽，茶明星，张仕山，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35