一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法技术

本发明专利技术公开一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法，本发明专利技术的MICA模型是基于辐射平衡理论构建的，通过考虑农田覆膜对地表辐射传输过程的影响，构建了覆膜农田的田间总地表反射率模型；其为将覆膜农田地表总反射率、冠层表面反射率、裸土表面反射率以及覆膜土壤表面反射率等四个组分进行链接的模型，其通过知三解一可对最为复杂的冠层表面反射率进行准确估算；且本发明专利技术的估算方法具有参数少，原理简单，可操作性强的特点，因此具有较好的适用性，可为提高现有的陆面模式在覆膜农田这一典型复杂地表的适用能力提供理论基础，从而为能够更准确量化覆膜农田对区域气候的影响提供科学依据。供科学依据。供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法


[0001]本专利技术涉及微气象学与陆面过程研究领域，具体为涉及一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法。

技术介绍

[0002]农田覆膜因可显著节水保熵，在我国干旱区得到大面积推广应用。但农田覆膜也显著改变了地表反射率，影响了地表的辐射传输和能量收支，进而对区域气候产生重要影响。覆膜农田地表短波辐射传输过程极为复杂，其总地表反射率受到不断发展的植被冠层表面反射率、覆膜土壤表面反射率以及裸土表面反射率的综合影响，且在植被生长的不同阶段，植被冠层、覆膜土壤表面，以及裸土表面对于总地表反射率的贡献不同。现有研究中：(1)对于覆膜农田田间总体反射率而言，目前尚未有考虑农田地表覆膜对辐射传输过程的影响的基于物理过程的机理模型(Sellers P.J.Canopy Reflectance,Photosynthesis and Transpiration[J].International Journal of Remote Sensing,1985,6(8):1335
‑
1372.)，虽然存在部分经验模型，但需参数校准，因此难以适用到不同区域(Yang Qidong,Zuo Hongchao,Xiao Xia,Wang Shujin,Chen Bolong,Chen Jiwei.Modelling the Effects of Plastic Mulch On Water,Heat and Co2 Fluxes Over Cropland in an Arid Region[J].Journal of Hydrology,2012,452:102
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118.)；(2)对于覆膜农田田间反射率的各组分而言，尚未有模型能够同时模拟覆膜农田田间反射率各组分(包括冠层表面反射率、覆膜土壤表面反射率、裸土土壤表面反射率)，而此会对覆膜农田陆面过程的机理研究和陆面模式的发展，以及农业水资源的区域合理配置产生不良的影响。

技术实现思路

[0003]因此，基于以上背景，本专利技术基于辐射平衡原理和农田微气象理论，构建了一种能够准确估算覆膜农田的田间总反射率及其组分的计算模型，该计算模型链接了覆膜农田地表总反射率和冠层表面反射率、覆膜土壤表面反射率以及裸土表面反射率等四个部分，通过准确的求解以上四个部分的任意其中三个即可求解第四个，比如通过准确的求解覆膜农田地表总反射率、覆膜土壤表面反射率以及裸土表面反射率等来确定最为复杂的冠层表面反射率。本方法可准确反映出在有植被生长的覆膜农田，在冠层不断发展的情况下，植被冠层表面、覆膜土壤表面以及裸土表面对覆膜农田地表总反射率的影响，并且可准确评估各组分对地表总反射率的贡献。
[0004]本专利技术提供的技术方案为：
[0005]一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法，其包括如下步骤：
[0006]步骤1，收集覆膜农田的微气象数据和作物生长数据，所述微气象数据和作物生长数据包括：
[0007]覆膜农田生长季的田间总反射率α、膜下土壤含水率θ
m
、膜间裸土土壤含水率θ
b
，植株冠层高度H
c
和叶面积指数L
T
；
[0008]非生长季裸土的土壤含水率θ
b
和裸土表面反射率α
b
；
[0009]步骤2，基于辐射平衡理论和农田微气象理论，建立能够链接田间总反射率α和冠层表面反射率α
c
、覆膜土壤表面反射率α
m
以及裸土表面反射率α
b
四个部分的覆膜农田地表反射率综合模型MICA；
[0010]步骤3，采用步骤1收集的数据，对步骤2中构建的MICA模型的部分参数进行率定，以减小覆膜农田地表总反射率及其组分的模拟误差；
[0011]步骤4，将步骤1收集的农田微气象和作物生长数据，输入步骤2和步骤3建立的覆膜农田地表反射率综合模型MICA，模拟计算覆膜农田生长季的农田地表总反射率α和冠层表面反射率α
c
、覆膜土壤表面反射率α
m
以及裸土表面反射率α
b
四个部分。
[0012]进一步地，所述步骤1对生长季的覆膜农田的微气象数据和作物生长数据按照划分阶段进行归类，所述划分阶段如下：
[0013]第一阶段：无地膜覆盖和无植物生长：
[0014]此时田间总反射率仅由裸土表面反射率构成：
[0015]α＝α
b
；
[0016]第二阶段：有地膜覆盖，无植物生长；或植被生长初期冠层非常小，冠层覆盖度接近于0：
[0017]此时田间总反射率由覆膜土壤表面反射率和裸土表面反射率组成：
[0018]α＝f
m
·
α
m
+(1
‑
f
m
)
·
α
b
；
[0019]其中f
m
为农田地表覆膜比例；
[0020]第三阶段：有地膜覆盖，冠层不断发展但尚未完全覆盖地表；或冠层覆盖度为大于0小于1：
[0021]此时田间总反射率由覆膜土壤表面反射率、裸土表面反射率和冠层表面反射率组成；
[0022]第四阶段：有地膜覆盖，冠层完全覆盖地表；或冠层覆盖度约等于1；
[0023]此时田间总反射率仅由植被冠层表面反射率组成：
[0024]α＝α
c
。
[0025]进一步地，步骤2的具体操作步骤如下：
[0026]步骤2.1，确定覆膜农田地表反射率模型MICA建立的理论假设基础如下：
[0027](1)覆膜农田存在且仅存在三个反射面，即冠层表面、覆膜土壤表面，以及裸土表面；
[0028](2)在多次交互反射可以忽略的情况下，三个反射面的反射率是相互独立的；
[0029]步骤2.2，在假设前提下，根据辐射平衡理论构建MICA模型
[0030]到达覆膜农田冠层高度处的太阳短波辐射DSR分别被冠层反射USR
c
，吸收DSR
a
和透射DSR
τ
，覆膜农田地表反射的总短波辐射USR分别由冠层反射USR
c
，覆膜地表反射USR
m
以及裸土反射USR
b
所构成，那么根据短波辐射平衡方程可以得到：
[0031]DSR＝USR
c
+DSR
a
+DSR
τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0032]USR＝USR
c
+USR
m
+USR
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0033]其中，透过冠层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法，其特征在于，其包括如下步骤：步骤1，收集覆膜农田的微气象数据和作物生长数据，所述微气象数据和作物生长数据包括：覆膜农田生长季的田间总反射率α、膜下土壤含水率θ
m
、膜间裸土土壤含水率θ
b
，植株冠层高度H
c
和叶面积指数L
T
；非生长季裸土的土壤含水率θ
b
和裸土表面反射率α
b
；步骤2，基于辐射平衡理论和农田微气象理论，建立能够链接田间总反射率α和冠层表面反射率α
c
、覆膜土壤表面反射率α
m
以及裸土表面反射率α
b
四个部分的覆膜农田地表反射率综合模型MICA；步骤3，采用步骤1收集的数据，对步骤2中构建的MICA模型的部分参数进行率定，以减小覆膜农田地表总反射率及其组分的模拟误差；步骤4，将步骤1收集的农田微气象和作物生长数据，输入步骤2和步骤3建立的覆膜农田地表反射率综合模型MICA，模拟计算覆膜农田生长季的农田地表总反射率α和冠层表面反射率α
c
、覆膜土壤表面反射率α
m
以及裸土表面反射率α
b
四个部分。2.根据权利要求1所述的一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法，其特征在于，所述步骤1对生长季的覆膜农田的微气象数据和作物生长数据按照划分阶段进行归类；所述划分阶段如下：第一阶段：无地膜覆盖和无植物生长：此时田间总反射率仅由裸土表面反射率构成：α＝α
b
；第二阶段：有地膜覆盖，无植物生长；或植被生长初期冠层非常小，冠层覆盖度接近于0：此时田间总反射率由覆膜土壤表面反射率和裸土表面反射率组成：α＝f
m
·
α
m
+(1
‑
f
m
)
·
α
b
；其中f
m
为农田地表覆膜比例；第三阶段：有地膜覆盖，冠层不断发展但尚未完全覆盖地表；或冠层覆盖度为大于0小于1：此时田间总反射率由覆膜土壤表面反射率、裸土表面反射率和冠层表面反射率组成；第四阶段：有地膜覆盖，冠层完全覆盖地表；或冠层覆盖度约等于1；此时田间总反射率仅由植被冠层表面反射率组成：α＝α
c
。3.根据权利要求1所述的一种覆膜农田的田间反射率及其组分的估算方法，其特征在于，步骤2的具体操作步骤如下：步骤2.1，确定覆膜农田地表反射率模型MICA建立的理论假设基础如下：(1)覆膜农田存在且仅存在三个反射面，即冠层表面、覆膜土壤表面，以及裸土表面；(2)在多次交互反射可以忽略的情况下，三个反射面的反射率是相互独立的；步骤2.2，在假设前提下，根据辐射平衡理论构建MICA模型到达覆膜农田冠层高度处的太阳短波辐射DSR分别被冠层反射USR
c
，吸收DSR
a
和透射
DSR
τ
，覆膜农田地表反射的总短波辐射USR分别由冠层反射USR
c
，覆膜地表反射USR
m
以及裸土反射USR
b
所构成，那么根据短波辐射平衡方程可以得到：DSR＝USR
c
+DSR
a
+DSR
τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)USR＝USR
c
+USR
m
+USR
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，透过冠层到底地表的太阳短波辐射DSR
τ
以覆膜比f
m
在覆膜地表和裸土表面分配，即：DSR
τm
＝DSR
τ
·
f
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)DSR
τb
＝DSR
τ
·
(1
‑
f
m
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)那么覆膜农田地表总反射率可以表示为：其中，α为覆膜农田地表总反射率；为冠层表面反射率；为覆膜地表反射率；为裸土地表反射率；为地表透射率；E为消光系数；L为叶面积指数。经过代换，上式可表示为：α＝α
c
+α
m
·
f

【专利技术属性】
技术研发人员：秦淑静，程磊，李思恩，张橹，邱让建，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：