粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法技术

本发明专利技术提供了一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，首先获取数据并进行预处理，并根据预处理后的数据构建数据库；利用观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度；构建全球高分辨率的每日冠层高度遥感反演模型；将每日冠层高度遥感反演模型估算的全球冠层高度产品代入至空气动力学粗糙度长度优化方案中，以实现对每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度的耦合估算。本发明专利技术可以获得全球尺度的每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度鲁棒性产品，对发展更高精度的陆面模型、蒸散发模型等具有重要意义。等具有重要意义。等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法


[0001]本专利技术涉及卫星遥感反演
，特别是涉及一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法。

技术介绍

[0002]空气动力学粗糙度长度和零平面位移高度与冠层高度密切相关，是直接影响陆地和大气之间动量、热量和水分交换的空气动力学阻抗的两个关键物理参数，在地球系统模型、陆表模型、水文模型和遥感蒸散模型中得到了广泛应用。空气动力学粗糙度长度和零平面位移高度常常被简单参数化为冠层高度的固定经验关系，从而忽略了植被类型、植被生长、植被结构等因素的动态变化对空气动力学粗糙度长度带来的影响。目前，全球尺度的空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度遥感产品常常互相独立，且缺少中高分辨率的空气动力学粗糙度长度和零平面位移高度产品。
[0003]因此，发展全球尺度中高分辨率的空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度的耦合遥感反演方法，对发展高分辨率的地球系统模型、陆表模型、蒸散发模型等具有重要意义。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，包括：
[0007]对获取到的全球通量站点观测数据、遥感数据和再分析数据进行预处理，并根据预处理后的数据构建气象站点观测数据库和影像数据库；
[0008]利用气象站点观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度；
[0009]根据所述影像数据库、站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度构建训练数据集；
[0010]基于机器学习算法，根据所述训练数据集构建全球高分辨率的每日冠层高度遥感反演模型；
[0011]将所述每日冠层高度遥感反演模型估算的全球冠层高度产品代入至所述空气动力学粗糙度长度优化方案中，以实现对每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度的耦合估算。
[0012]优选地，对获取到的全球通量站点观测数据、遥感数据和再分析数据进行预处理，并根据预处理后的数据构建气象站点观测数据库和影像数据库，包括：
[0013]根据预设的观测网络提取所述全球通量站点观测数据；所述全球通量站点观测数据包括观测高度、摩擦速度、风速、空气温度、大气压强和显热通量；
[0014]对所述全球通量站点观测数据进行预处理，通过四个控制条件过滤掉造成估算结果误差的观测数据；所述控制条件包括：使用莫宁﹣奥布霍夫长度判定满足大气处于中性稳定条件下的数据，判断条件为|z
m
/L|＜0.05；其中，z
m
为观测高度，L为莫宁﹣奥布霍夫长度；风廓线方程的应用满足z
m
与L的比值处于
‑
2到2之间；采用z
‑
score方法过滤出风速的异常值；排除湍流较弱时，摩擦速度小于0.01m/s)或风速小于1m/s时的观测数据；
[0015]根据过滤后的观测数据构建所述气象站点观测数据库；
[0016]将所述遥感数据和再分析数据进行矢量裁剪和定标，并根据矢量裁剪和定标后的数据构建影像数据库；所述遥感数据和再分析数据包括：MODIS的叶面积指数数据、MODIS土地覆被数据MCD12Q1、MODIS的树占比数据、CHELSA再分析数据的空气温度、降雨数据和GMTED2010地形高程数据。
[0017]优选地，利用气象站点观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度，包括：
[0018]根据莫宁
‑
奥布霍夫相似理论，在大气处于中性条件下构建风廓线方程；所述风廓线方程为：其中，d为零平面位移高度，z
0m
为空气动力学粗糙度长度，k为冯卡曼常数，u为风速，u*为摩擦速度；
[0019]假定耕地、草地和湿地的空气动力学粗糙度长度在7天的移动窗口内保持不变，其他土地的空气动力学粗糙度长度在15天的移动窗口内保持不变，联合所述风廓线方程估算的风速与站点观测风速构建成本函数；所述成本函数的表达式为：其中，J为所述成本函数，n表示气象站点7天或15天的移动窗口内风速的观测次数，u
obs,i
为第i次气象站点观测的风速，u
est,i
是利用风廓线方程和第i次气象站点观测数据估算的风速；
[0020]将所述成本函数的误差最小时的空气动力学粗糙度长度代入至所述空气动力学粗糙度长度优化方案中，以估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度；所述空气动力学粗糙度长度优化方案的公式包括：
[0021][0022][0023]γ＝C1‑
C2·
exp(
‑
C3·
C
d
·
LAI)；
[0024]C1＝0.25exp(0.3PTC)；
[0025]C2＝C1‑
0.06；
[0026]其中，X为叶面积指数数据，PTC为树占比，C3和C
d
均为常数。
[0027]优选地，根据所述影像数据库、站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度构建训练数据集，包括：
[0028]根据站点的经纬度位置信息提取所述影像数据库对应空间位置的像元值；
[0029]根据所述像元值和估算得到的站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度、冠层高度构建机器学习模型的所述训练数据集。
[0030]优选地，基于机器学习算法，根据所述训练数据集构建全球高分辨率的每日冠层高度遥感反演模型，包括：
[0031]构建预设的机器学习算法模型；
[0032]对所述训练数据集通过随机抽样法拆分为测试数据和验证数据；
[0033]将所述测试数据训练估算每日冠层高度的机器学习算法模型，得到训练好的模型；
[0034]利用验证数据评估训练好的模型的精度，当精度保持稳定且精度达到预设要求时，将当前的机器学习模型结构确定为最终的所述每日冠层高度遥感反演模型。
[0035]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0036]本专利技术提供了一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，首先对获取到的全球通量站点观测数据、遥感数据和再分析数据进行预处理，并根据预处理后的数据构建气象站点观测数据库和影像数据库；利用气象站点观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度；根据所述影像数据库、站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度构建训练数据集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，其特征在于，包括：对获取到的全球通量站点观测数据、遥感数据和再分析数据进行预处理，并根据预处理后的数据构建气象站点观测数据库和影像数据库；利用气象站点观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度；根据所述影像数据库、站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度构建训练数据集；基于机器学习算法，根据所述训练数据集构建全球高分辨率的每日冠层高度遥感反演模型；将所述每日冠层高度遥感反演模型估算的全球冠层高度产品代入至所述空气动力学粗糙度长度优化方案中，以实现对每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度的耦合估算。2.根据权利要求1所述的粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，其特征在于，对获取到的全球通量站点观测数据、遥感数据和再分析数据进行预处理，并根据预处理后的数据构建气象站点观测数据库和影像数据库，包括：根据预设的观测网络提取所述全球通量站点观测数据；所述全球通量站点观测数据包括观测高度、摩擦速度、风速、空气温度、大气压强和显热通量；对所述全球通量站点观测数据进行预处理，通过四个控制条件过滤掉造成估算结果误差的观测数据；所述控制条件包括：使用莫宁﹣奥布霍夫长度判定满足大气处于中性稳定条件下的数据，判断条件为|z
m
/L|＜0.05；其中，z
m
为观测高度，L为莫宁﹣奥布霍夫长度；风廓线方程的应用满足z
m
与L的比值处于
‑
2到2之间；采用z
‑
score方法过滤出风速的异常值；排除湍流较弱时，摩擦速度小于0.01s/m)或风速小于1m/s时的观测数据；根据过滤后的观测数据构建所述气象站点观测数据库；将所述遥感数据和再分析数据进行矢量裁剪和定标，并根据矢量裁剪和定标后的数据构建影像数据库；所述遥感数据和再分析数据包括：MODIS的叶面积指数数据、MODIS土地覆被数据MCD12Q1、MODIS的树占比数据、CHELSA再分析数据的空气温度、降雨数据和GMTED2010地形高程数据。3.根据权利要求1所述的粗糙度长度、零平面位移高度和冠层高度耦合估算方法，其特征在于，利用气象站点观测数据库，联合空气动力学粗糙度长度优化方案、风廓线方程和成本函数估算站点尺度每日空气动力学粗糙度长度、零平面位移高度和冠层...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐荣林，彭中，刘萌，姜亚珍，李召良，
申请(专利权)人：中国科学院地理科学与资源研究所，
类型：发明
国别省市：