本發(fā)明涉及陸面潛熱通量測量領(lǐng)域，尤其涉及一種陸面潛熱通量遙感估算方法。

背景技術(shù)：

陸面潛熱通量是通過陸面土壤蒸發(fā)和植被蒸騰過程中水汽從土壤和植被進(jìn)入大氣過程中的能量，包括植被蒸騰、土壤蒸發(fā)、水體蒸發(fā)和植被冠層截留蒸發(fā)過程對(duì)應(yīng)的能量，在分析區(qū)域氣候模式以及支持資源管理和環(huán)境規(guī)劃等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。潛熱通量過程復(fù)雜，與下墊面表面溫度、下墊面飽和水汽壓、參考高度空氣水汽壓、空氣動(dòng)力學(xué)阻抗、下墊面表面阻抗等有關(guān)。遙感技術(shù)提供了豐富的表征陸面潛熱變化的特征參量，高度融合了地表空間異質(zhì)性，為陸面潛熱通量估算開辟了新途徑。

遙感估算陸面潛熱通量的方法是一種間接的測量方法，是將遙感數(shù)據(jù)反演的參數(shù)與大氣參數(shù)耦合起來，計(jì)算得到實(shí)際的陸面潛熱通量。遙感估算潛熱通量的理論基礎(chǔ)是地表能量平衡方程，大氣邊界層理論以及土壤-植被-大氣連續(xù)體(spac)內(nèi)的水熱傳輸規(guī)律等。衛(wèi)星遙感估算陸面潛熱通量是從20世紀(jì)70年代開始的，針對(duì)陸面干旱監(jiān)測和潛熱通量估算，利用遙感作為驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，已經(jīng)產(chǎn)生了一系列的陸面潛熱通量遙感模型和算法，如基于地表能量平衡的物理模型(shuttleworth&wallace,1985；辛?xí)灾薜?2007)、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)算法(jackson,etal.,1983)、penman-monteith算法(peman,1948；monteith,1965；muetal.,2011)、遙感三角形方法(jiang&islam,2001；wang,etal.,2006)和數(shù)據(jù)同化方法(caparrini,etal.,2003)等。這些方法均需要考慮空氣動(dòng)力學(xué)阻抗和風(fēng)速等過多非遙感參數(shù)，且遙感圖像“干濕邊”的確定主觀性太大，大大降低了這些模型和算法在實(shí)際應(yīng)用中的可操作性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種輸入?yún)?shù)少、易于操作的陸面潛熱通量遙感估算方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種陸面潛熱通量遙感估算方法，包括以下步驟：

1)收集實(shí)驗(yàn)區(qū)已有遙感特征參量產(chǎn)品和氣象要素?cái)?shù)據(jù)，并根據(jù)已有遙感特征參量產(chǎn)品和氣象數(shù)據(jù)選取與陸面潛熱通量密切相關(guān)的過程參數(shù)；

2)簡化傳統(tǒng)priestley-taylor潛熱通量遙感方程，包括簡化土壤熱通量和土壤-植被混合模型，引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，建立基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感模型：

le＝rnexp(a0+a1ta+a2ndvi)，

式中：

le為陸面潛熱通量，

rn為凈輻射，

ta為空氣溫度，

ndvi為歸一化植被指數(shù)，

a0,a1和a2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)已有的實(shí)際地面通量觀測數(shù)據(jù)和遙感特征參量產(chǎn)品，通過回歸分析得到步驟2)中模型的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

4)利用研究區(qū)的氣象數(shù)據(jù)、遙感特征參量產(chǎn)品和步驟3)得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算得到估算區(qū)陸面潛熱通量值。

上述步驟1)中，與陸面潛熱通量密切相關(guān)的過程參數(shù)包括大氣以及生態(tài)物理參數(shù)。

上述步驟2)中，選擇rn的正比例函數(shù)計(jì)算土壤熱通量g：

g＝k0rn，

其中，k0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

上述步驟2)中，選擇溫度指數(shù)表達(dá)式代替δ/(δ+γ)來簡化陸面潛熱通量算法：

δ/(δ+γ)＝exp(k1+k2ta)，

其中，δ為飽和水汽壓在溫度ta處的斜率，γ為干濕表常數(shù)，k1和k2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

所述步驟2)中，選擇空氣溫度ta和歸一化植被指數(shù)ndvi的指數(shù)函數(shù)，同時(shí)增加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)h01、h1和h2來參數(shù)化priestley-taylor系數(shù)：

f＝exp(h0+h1ta+h2ndvi)，

其中，f為priestley-taylor系數(shù)。

上述步驟3)，已有的實(shí)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：陸面潛熱通量le，地表凈輻射rn，空氣溫度ta和歸一化植被指數(shù)ndvi。

上述的地表為草地和/或農(nóng)田。

與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過理論剖析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和具體應(yīng)用，充分利用氣象數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和地面通量觀測數(shù)據(jù)相耦合，以priestley-taylor為算法理論基礎(chǔ)，吸收和結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點(diǎn)，利用實(shí)測的潛熱通量通過回歸方法獲取的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，構(gòu)建一種基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感模型，相比傳統(tǒng)的基于能量平衡的模型，輸入?yún)?shù)少、可操作性強(qiáng)。

基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感模型，既有明確的理論基礎(chǔ)，又具有輸入?yún)?shù)少、靈活、簡單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。因此，比傳統(tǒng)的遙感潛熱通量估算模型的適用面更寬，有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1a和圖1b分別為利用本發(fā)明的潛熱通量遙感模型估算方法得到的密云站和館陶站的潛熱通量和實(shí)地觀測數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

首先，構(gòu)建本發(fā)明使用的基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感算法。

1.基于priestley-taylor蒸散理論和算法框架，簡化土壤熱通量和δ/(δ+γ)，構(gòu)建基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感模型。其中，土壤熱通量g認(rèn)為是rn的正比例函數(shù)，δ/(δ+γ)可以用溫度指數(shù)表達(dá)式來代替，具體表達(dá)式如下：

le＝(rn-g)fδ/(δ+γ)(1)

g＝k0rn(2)

δ/(δ+γ)＝exp(k1+k2ta)(3)

式中，le為陸面潛熱通量，rn為凈輻射，ta為空氣溫度。δ為飽和水汽壓在溫度ta處的斜率，γ為干濕表常數(shù)，k0、k1和k2均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，f為priestley-taylor系數(shù)。

f與大氣參數(shù)和生態(tài)環(huán)境要素有著密切的聯(lián)系。其中，溫度、風(fēng)速、水汽壓差、土壤含水量、植被含水量、大氣co2濃度和植被根部土壤含水量都是f的主要影響因素；地表植被覆蓋狀況是影響植被蒸騰的重要因子，植被通過光合作用吸收co2來進(jìn)行蒸騰，葉面積指數(shù)和歸一化植被指數(shù)(ndvi)是植被狀況的主要指標(biāo)，本發(fā)明選擇ndvi作為植被蒸騰的主要參數(shù)；地表溫度(lst)是控制地表蒸散的因子，往往有云的影響，lst不能夠每天都能獲取，本發(fā)明利用空氣溫度ta來代替地表溫度。本發(fā)明選擇空氣溫度ta和歸一化植被指數(shù)ndvi的指數(shù)函數(shù)，同時(shí)增加經(jīng)驗(yàn)系數(shù)h01、h1和h2來參數(shù)化priestley-taylor系數(shù)：

f＝exp(h0+h1ta+h2ndvi)(4)

為了計(jì)算陸面潛熱通量，綜合方程(1)、(2)、(3)和(4)，陸面潛熱通量方程可以表達(dá)為：

le＝rn(1-k0)exp(k1+k2ta)exp(h0+h1ta+h2ndvi)(5)

考慮到1-k0可以表達(dá)為exp(g0),其中g(shù)0是常數(shù)，這樣公式(5)簡化為：

le＝rnexp(g0)exp(k1+k2ta)exp(h0+h1ta+h2ndvi)

即：

le＝rnexp[g0+h0+k1+(h1+k2)ta+h2ndvi]

設(shè)：a0＝g0+h0+k1，a1＝h1+k2，a2＝h2，將上述公式進(jìn)一步簡化，得到混合型潛熱通量遙感模型：

le＝rnexp(a0+a1ta+a2ndvi)(6)

2.針對(duì)不同站點(diǎn)的草地和農(nóng)田類型，利用與陸面潛熱通量密切相關(guān)的地表凈輻射、空氣溫度和遙感歸一化植被指數(shù)，基于統(tǒng)計(jì)回歸獲取公式(6)中相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a0、a1和a2，利用表1中收集的7個(gè)美國大氣輻射觀測站點(diǎn)觀測的日地表凈輻射、日潛熱通量、日土壤熱通量和日顯熱通量數(shù)據(jù)回歸，獲得最終的方程：

le＝rnexp(-1.536+0.013ta+0.878ndvi)(7)

表1中7個(gè)美國大氣輻射觀測站點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)包括：

1)通量觀測數(shù)據(jù)：2003-2005年日地表凈輻射、日潛熱通量、日土壤熱通量和日顯熱通量數(shù)據(jù)；

2)氣象數(shù)據(jù)：2003-2005年日空氣溫度數(shù)據(jù)；

3)遙感數(shù)據(jù)：與通量觀測同步的modis的ndvi數(shù)據(jù)。

表1.2003-2005年7個(gè)美國大氣輻射觀測站點(diǎn)概況簡介

利用構(gòu)建的基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感算法來估算海河流域潛熱通量，包括以下步驟：

1.收集海河流域氣象數(shù)據(jù)空間插值成0.05度格點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到地表凈輻射數(shù)據(jù)；

2.采用方程(7)獲取單個(gè)格點(diǎn)的潛熱通量；

3.根據(jù)步驟2獲得的結(jié)果，拓展得到整個(gè)海河流域的陸面潛熱通量；

4.統(tǒng)計(jì)分析估算的海河流域的陸面潛熱通量與站點(diǎn)觀測的潛熱通量的關(guān)系，確定算法的模擬精度；

5.評(píng)估模型在海河流域的模擬能力。

中國海河流域通量觀測站自2006年起陸續(xù)在海河流域北部山區(qū)的林地(北京密云)與農(nóng)田(河北懷來)、中部城郊農(nóng)田(北京大興)、南部平原農(nóng)田(河北館陶)建立了多尺度地表通量與氣象要素的觀測網(wǎng)，涵蓋了海河流域主要的下墊面類型。本發(fā)明采用了密云和館陶兩個(gè)站點(diǎn)作為驗(yàn)證與應(yīng)用。其中，密云站(40°37'50.82"n,117°19′23.83″e(cuò))位于北京市密云縣新城子鎮(zhèn)，下墊面為果樹、玉米/裸地，海拔350m。館陶站位于河北省館陶縣河寨村，下墊面是玉米/小麥，棉花。觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度是115.1274°e,36.5150°n，海拔30m。密云和館陶兩個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)集中于2008年，數(shù)據(jù)由寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http://westdc.westgis.ac.cn/haihe)下載獲取。

為了驗(yàn)證模型在海河流域的模擬精度，用中國海河流域輻射觀測數(shù)據(jù)和modis的ndvi數(shù)據(jù)計(jì)算陸面潛熱通量，并與潛熱通量觀測結(jié)果進(jìn)行比較。

陸面潛熱通量估算方法如下：

le＝rnexp(-1.536+0.013ta+0.878ndvi)(i)

其中，le為陸面潛熱通量，rn為凈輻射，ta為空氣溫度，ndvi為歸一化植被指數(shù)。

基于數(shù)據(jù)處理軟件grapher，建立通量觀測站點(diǎn)的模型估算值和地面觀測值的散點(diǎn)圖，如圖1a所示，密云站的潛熱通量模擬誤差為17.5w/m²，相關(guān)系數(shù)平方為0.86，均方根誤差為34.2w/m²；如圖1b所示，館陶站的潛熱通量模擬誤差為-2.1w/m²，相關(guān)系數(shù)平方為0.51，均方根誤差為56.9w/m²。結(jié)果顯示，算法模擬值與地面觀測值具有較好的一致性。

通過分析得知，基于指數(shù)方程的混合型潛熱通量遙感算法對(duì)陸面潛熱通量模擬效果理想，而且簡單、靈活、可操作性強(qiáng)。

以上通過詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的一種草地和農(nóng)田潛熱通量遙感估算算法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改，不限于本發(fā)明所公開的內(nèi)容。