专利名称：基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及生态系统的监测技术领域，特别是涉及基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统。
背景技术：
中国北方自然生态系统和农业生态系统普遍受水分条件胁迫，借助于遥感手段的快捷、宏观观测优势，模拟、监测区域尺度的生态系统地表水热通量是具有理论意义和实际价值的科学问题。遥感观测是唯一可能提供区域地表水热通量的估算手段。蒸散包括了地表水分蒸发与植物体内水分的蒸腾，它属于地表水热通量的一部分，是维持陆面水分平衡的重要组成部分，也是维持地表能量平衡的主要部分，是地表水分循环过程中的重要环节。准确地测定和估算蒸散量不仅对研究全球气候演变、生态环境问题以及水资源评价等有着重要意义，而且对指导农业的排水与灌溉、监测农业旱情、提高农业水资源的利用率等意义深远。对地表蒸散的研究成果众多，许多学者从不同角度提取了不同的估算方法和模型。kguin和Itier以及Hatfield等尝试利用卫星热红外资料计算地面辐射温度与气温之差来估算大尺度区域的蒸散量；Meneti等还提出基于地表能量平衡指数SEBI来计算地表蒸散量；Roerink等提出了简化的地表能量平衡指数(Simplified Surface Energy Balance Index, S-SEBI)，先计算得到蒸发比，然后进一步估算蒸散；Su等提出地表能量平衡系统(SEBQ用以估算地表蒸散，该方法通过确定一系列地表物理参数和建立热传导粗糙度模型，利用相似理论确定地表动力学特征，然后基于地表能量平衡指数(SEBI)计算蒸发比。Bastiaanssen等系统发表了利用Landsat TM资料基于地表能量平衡方程的SEBAL 模型估算区域地表蒸散量的系列论文，并被广泛应用于美国、西班牙、巴基斯坦、埃及、斯里兰卡、土耳其以及中国等不同气候条件下的国家和地区；Kustas et al等也进行了利用遥感进行蒸散模型的开发应用研究。目前，利用热红外技术进行区域的土壤水分和旱情监测主要依据土壤水分平衡方程与能量平衡原理，通过土壤表面发射率和地表温度的关系估算土壤水分，主要包括热惯量法、水分指数法和缺水指数法等。热惯量法是用热红外遥感技术监测土壤水分的方法，Wang et al开发了 index of water deficit (WDI)指数对黄土高原区域进行了干旱监测和等级划分。水分指数法是利用水分在短波红外的强吸收特性，构造水分指数进行区域旱情监测。McfTters et al.最早由TM绿光和近红外波段组合出归一化差异水分指数(NDWI，Normalized Difference Water Index) ；Kogan提出植被状态指数(Vegetation Condition hdex，VCI)。缺水指数法是人们把植被实际蒸散量与潜在蒸散量之比作为作物缺水的量度指标。Jackson et al提出了作物缺水指数(Crop Water Stresslndex, CWSI)的概念，Moran et al.提出了水分亏缺指数(Water Deficit Index, WDI)。根据Courault et al. (2005)的分类，蒸散模型可分四类经验模型法，能量剩余模型法，确定模型方法，植被指数模型法。其中能量剩余类模型是目前利用遥感数据进行区域地表通量及蒸散估算可操作性较好的一类模型。但是，上述能量剩余类模型存在如下不足1.仅能对均勻、平坦的区域地表通量及蒸散进行估算，不适用于复杂的地表特征；2.需要进行人工的干湿像元的确认，无法实现模拟区域的干湿像元的自动甄别；3.仅能对小区域进行短时间的地表能量和蒸散估算模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统。其能够结合常规地面气象资料估算不同气候、地形条件下的区域的地表能量和ET分布，为区域农业旱情监测提供实用技术支持。为实现本发明的目的而提供的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，所述方法，包括下列步骤步骤100.计算地表净辐射通量凡=(1 -a)Rsi + εχσ{εαΤ -Γ；)其中，Rs ι为入射的太阳短波辐射，α为地表反照率，^s为地表比辐射率；ο是 Stefan-Boltzmann常数(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表温度；Ta为参考高度处的空气温度，ε a是空气比辐射率；步骤200.基于遥感参数反演，计算土壤热通量
权利要求
1.基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，其特征在于，所述方法，包括下列步骤步骤100.计算地表净辐射通量尺=(1-α风4 + σΟΛ4-Τ)其中，民ι为入射的太阳短波辐射，α为地表反照率，、为地表比辐射率…是 Stefan-Boltzmann常数(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表温度；Ta为参考高度处的空气温度，ε a是空气比辐射率；步骤200.基于遥感参数反演，计算土壤热通量
2.根据权利要求1所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，其特征在于， 所述步骤100，包括下列步骤步骤110.计算地表反照率α ；MODIS数据采用下式计算地表反照率
3.根据权利要求1所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，其特征在于， 所述步骤300，包括下列步骤步骤310.基于相似性理论给出稳定度修正函数叫ψm(x)、ψh(x)，分别对摩擦速度u*、空气动力学阻抗rah进行修正
4.根据权利要求3所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，其特征在于， 步骤330中，所述选取极干像元和极湿像元的判定标准是0. 1左右的MSAVI及其中最大 LST的组合对应“Hot”点；0. 8左右的MSAVI及其中最小的LST的组合对应“Cold”点。
5.根据权利要求1所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法，其特征在于， 所述步骤400，包括下列步骤基于RWSI的区域旱情指数，利用土壤湿度的旱情等级分级的国家标准，换算各时间段的RWSI的干旱等级分级标准，进行区域的干旱遥感监测。
6.基于地表水热通量遥感反演的干旱监测系统，其特征在于，所述系统，包括地表净辐射通量计算模块，用于计算地表净辐射通量凡=(1-+- Τ).其中，民I为入射的太阳短波辐射，α为地表反照率，、为地表比辐射率…是 Stefan-Boltzmann常数(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表温度；Ta为参考高度处的空气温度，ε a是空气比辐射率；土壤热通量计算模块，用于基于遥感参数反演，计算土壤热通量
7.根据权利要求6所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测系统，其特征在于， 所述地表净辐射通量计算模块，包括地表反照率计算模块，用于计算地表反照率α ； MODIS数据采用下式计算地表反照率 α M0DIS = 0. 160 α ^0. 291 α 2+0. 243 α 3+0. 116 α 4+0. 112 α 5+0. 081 α 7_0. 0015 式中，α i，i = 1，…η分别对应卫星传感器上的各个窄波段地表反照率； 地表比辐射率计算模块，用于计算地表比辐射率先提取出水体，赋以水体的典型比辐射率值0. 995 ；剩下混合像元的比辐射率估算公式如下
8.根据权利要求6所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测系统，其特征在于， 所述显热通量计算模块，包括修正模块，用于基于相似性理论给出稳定度修正函数Ψω(χ)、Wh(x)，分别对摩擦速度 u*、空气动力学阻抗rah进行修正
9.根据权利要求8所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测系统，其特征在于， 像元选取模块中，所述选取极干像元和极湿像元的判定标准是0. 1左右的MSAVI及其中最大LST的组合对应“Hot”点；0. 8左右的MSAVI及其中最小的LST的组合对应“Cold”点。
10.根据权利要求6所述的基于地表水热通量遥感反演的干旱监测系统，其特征在于， 所述区域缺水指数计算模块，基于RWSI的区域旱情指数，利用土壤湿度的旱情等级分级的国家标准，换算各时间段的RWSI的干旱等级分级标准，进行区域的干旱遥感监测。
全文摘要
本发明公开了基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统。所述方法，包括下列步骤计算地表净辐射通量基于遥感参数反演，计算土壤热通量利用迭代计算方法，计算显热通量根据所述地表通量的计算，计算区域缺水指数根据区域缺水指数RWSI，进行区域干旱程度监测。
文档编号G01S7/48GK102176002SQ20101062366
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者高志强 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所