一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法与流程

本发明涉及生态监测技术领域，特别涉及一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法。

背景技术：

城市绿化面积伴随着城市化扩大不断减少，这直接导致城市热岛效应增强、城市径流增大等问题。绿色屋顶植被是增加城市绿化面积的有效措施，在具备观赏性的同时，可以有效缓解上述问题。在城市空间日益紧张，城市绿地增加有限的情况下，绿色屋顶植被以越来越受到人们的欢迎。

城市绿色屋顶植被的水量平衡是一项研究重点，基本的平衡关系是“降水＝土壤含水率增加+径流+蒸散发”。蒸散发量是绿色屋顶水量平衡重要的一环，准确的对屋顶植被的蒸散发量进行测量显得尤为重要。

目前，传统上植被蒸散发的测量方法包括蒸渗仪法、波文比法和树干液流法。蒸渗仪法，它的原理是通过称重的方法，利用质量平衡，计算出一定时间段内植被蒸散发量。它的优点是精度高，缺点是只适合实验室小范围使用，无法在城市绿色屋顶植被蒸散发量观测中广泛使用。波文比法、涡度相关法等微气候学方法，这类方法使用尺度大，同时灵敏度高，反应速度快，但是由于混合长度的需要，这类方法适用于平坦均匀地表，对于城市绿色屋顶植被这种块状分布，可能存在对流干扰的环境，微气候学方法适用效果不佳。树干液流法，将传感器插入树干，测量木质部通过的水量，从而计算出植被蒸腾量，此方法适用于乔木蒸腾量的测量。而城市绿色屋顶植被通常为草本植物，不适用于树干液流法。

因此，急需提供一种能准确测量屋顶植被蒸散发量的方法。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明专利目的在于设计了一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法，适用于观测不规则分布的植被，不受对流干扰，可以在不接触植被的情况下，可精准测量城市绿色屋顶蒸散发量。

本发明具体的技术方案如下：

一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法，包括如下步骤：

步骤S1，首先获取屋顶植被的热红外图像，处理分析所述热红外图像得到参考植被冠层表面温度值T_p和植被冠层表面温度温度值T_c；

具体的，采用Envy软件和SmartView软件处理分析所述热红外图像，提取研究区域植被的温度最大值作为参考植被冠层表面温度值T_p，提取研究区域植被冠层的平均温度作为植被冠层表面温度温度值T_c。

步骤S2，获取拍摄场地的气象数据信息；具体的，气象数据信息包括气温T_a、蒸发土壤面的净辐射量R_n、参考土壤的净辐射量R_nd、蒸发土壤面的土壤热通量G、参考土壤的土壤热通量G_d、蒸发土壤面的表面温度T_s、参考土壤的表面温度T_sd、植被的净辐射量R_p、参考植被净辐射量R_np。

步骤S3，基于所述气象数据信息以及参考植被冠层表面温度值T_p和植被冠层表面温度温度值T_c计算得到植物蒸腾速率T和土壤蒸发速率E；

所述植物蒸腾速率T根据以下公式得到：

T＝R_p-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)；

所述土壤蒸发速率E根据以下公式得到：

E＝R_n-G-(R_nd-G_d)(T_s-T_a)/(T_sd-T_a)；

其中，T为植物蒸腾速率，单位为W/m²；R_p为植被的净辐射量，单位为W/m²；R_np为参考植被净辐射量，单位为W/m²；T_c为植被冠层表面温度温度值，单位为K；T_p为参考植被冠层表面温度值，单位为K；T_a为气温，单位为K；其中，E为土壤蒸发速率，单位为W/m²；R_n为蒸发土壤面的净辐射量，单位为W/m²；R_nd为参考土壤的净辐射量，单位为W/m²；G为蒸发土壤面的土壤热通量，单位为W/m²；G_d为参考土壤的土壤热通量，单位为W/m²；T_s为蒸发土壤面的表面温度，单位为K；T_sd为参考土壤的表面温度，单位为K。

步骤S4，根据所述植物蒸腾速率T和土壤蒸发速率E得到屋顶植被蒸散发速率ET，以及进一步得到屋顶植被蒸散发量Ev；

所述屋顶植被蒸散发速率ET根据以下公式得到：

ET＝(1-f)*E+f*T；

其中，ET为屋顶植被蒸散发速率，单位为W/m²；E为土壤蒸发速率，单位为W/m²；T为植物蒸腾速率，单位为W/m²；f为植被覆盖率。

所述屋顶植被蒸散发量Ev根据以下公式得到：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]；

其中，Ev为屋顶植被蒸散发量，单位为g；ET为屋顶植被蒸散发速率，单位为W/m²；T为观测时间，单位为s；S为屋顶总面积，单位为m²；T_a为气温，单位为K。

具体的，所述观测时间T应不大于120分钟。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法的流程图

图2是本发明的实施例一的热红外图像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于热成像技术的屋顶植被蒸散发量测定方法，请参阅图1，包括如下步骤：

步骤S1，获取屋顶植被的热红外图像，处理分析所述热红外图像得到参考植被冠层表面温度值T_p和植被冠层表面温度温度值T_c。

具体的，所述热红外图像利用手持式热红外成像仪在研究区域正上方拍摄，或者利用无人机搭载机载式热红外成像仪在研究区域正上方拍摄得到。

对拍摄的热红外图像进行分析处理，采用Envy软件和SmartView软件处理分析所述热红外图像，提取研究区域植被的温度最大值作为参考植被冠层表面温度值T_p，提取研究区域植被冠层的平均温度作为植被冠层表面温度温度值T_c。

步骤S2，获取拍摄场地的气象数据信息。

具体的，所述气象数据信息包括气温T_a、蒸发土壤面的净辐射量R_n、参考土壤的净辐射量R_nd、蒸发土壤面的土壤热通量G、参考土壤的土壤热通量G_d、蒸发土壤面的表面温度T_s、参考土壤的表面温度T_sd、植被的净辐射量R_p、参考植被净辐射量R_np。

步骤S3，基于所述气象数据信息以及参考植被冠层表面温度值T_p和植被冠层表面温度温度值T_c计算得到植物蒸腾速率T和土壤蒸发速率E。

具体的，所述植物蒸腾速率T根据以下公式得到：

T＝R_p-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)；

其中，T为植物蒸腾速率，单位为W/m²；R_p为植被的净辐射量，单位为W/m²；R_np为参考植被净辐射量，单位为W/m²；T_c为植被冠层表面温度温度值，单位为K；T_p为参考植被冠层表面温度值，单位为K；T_a为气温，单位为K。

所述土壤蒸发速率E根据以下公式得到：

E＝R_n-G-(R_nd-G_d)(T_s-T_a)/(T_sd-T_a)；

其中，E为土壤蒸发速率，单位为W/m²；R_n为蒸发土壤面的净辐射量，单位为W/m²；R_nd为参考土壤的净辐射量，单位为W/m²；G为蒸发土壤面的土壤热通量，单位为W/m²；G_d为参考土壤的土壤热通量，单位为W/m²；T_s为蒸发土壤面的表面温度，单位为K；T_sd为参考土壤的表面温度，单位为K；T_a为气温，单位为K。

净辐射值R_p、R_np、R_n、R_nd可以利用净辐射仪自行测量或者根据当日最大辐射值计算得出，或者从官方气象站获得此数据。土壤热通量G如果无法获取，可另其等于20％的净辐射值R_n。

蒸发土壤面的表面温度T_s、参考土壤的表面温度T_sd为其平均值。

步骤S4，根据所述植物蒸腾速率T和土壤蒸发速率E得到屋顶植被蒸散发速率ET，以及进一步得到屋顶植被蒸散发量Ev。

具体的，所述屋顶植被蒸散发速率ET根据以下公式得到：

ET＝(1-f)*E+f*T；

其中，ET为屋顶植被蒸散发速率，单位为W/m²；E为土壤蒸发速率，单位为W/m²；T为植物蒸腾速率，单位为W/m²；f为植被覆盖率。

植被覆盖率f若为100％，可忽略土壤蒸发率E，认为绿色屋顶蒸散发量等于植被蒸腾量。

进一步，所述屋顶植被蒸散发量Ev根据以下公式得到：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]；

其中，Ev为屋顶植被蒸散发量，单位为g；ET为屋顶植被蒸散发速率，单位为W/m²；T为观测时间，单位为s；S为屋顶总面积，单位为m²；T_a为气温，单位为K。

所述观测时间T应不大于120分钟，否则长时间的测量会出现结果偏差。

具体实施例一：

请参阅图2，为本发明实施例中待计算其蒸散发量的绿色屋顶植被的红外遥感图像，拍摄时间为上午8点整，在拍摄植被热红外图像时，要尽量在植被上方垂直向下拍摄。

具体步骤如下：

一、利用红外遥感技术，在绿色屋顶种植区域正上方拍摄热红外图像；根据植被覆盖率f，判断是否需要将土与植被分离。从而分别进行计算。若植被覆盖率f几乎为100％，可忽略土壤水分的蒸发速率E，视研究区域蒸散发速率ET约等于植被蒸腾速率T，无需分离土壤与植被；若植被覆盖率f较低，视研究区域蒸散发速率ET等于植被蒸腾速率T和土壤水分蒸发速率E的和，需要利用Envy软件将植被和土壤区域分离，然后分别计算。在本实例中，植被覆盖率f约为100％，无需分别植被和土壤，即：ET＝T。

二、从气象站获取相关气象数据，包括研究区域气温T_a、蒸发土壤面的净辐射量R_n、无蒸发土壤参考土壤的净辐射量R_nd、蒸发土壤面的土壤热通量G、无蒸发土壤参考土壤的土壤热通量G_d、植被的净辐射量R_n、参考植被净辐射量R_np。本实例中，气温T_a值为295.55K，植被的净辐射量R_n等于参考植被净辐射量R_np，值为134W/m²。

三、利用三温模型计算绿色屋顶蒸散发量。本实例中，研究区域植被的相关温度T_p和T_c均通过Envy软件和红外热成像仪配套软件SmartView，处理植被热红外遥感图像获得，其中，参考植被冠层表面温度T_p值，取研究区域植被温度最大值，为298.71K；植被冠层表面温度温度T_c用研究区域植被冠层平均温度表示，为296.32K。则绿色屋顶瞬时蒸发速率ET：ET＝T＝R_n-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)＝101.35W/m²

四、计算绿色屋顶蒸散发量。本实例中，观测时间T取3600s，观测区域面积是是一块半径为0.25m的原型样地，因此绿色屋顶面积S值为0.049m²，气温T_a同步骤二中气温值。带入公式，可计算出此样地上午8点到9点蒸散发总量：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]＝29.250g。

为验证本专利方法的可靠性，从上午8点到下午5点，利用本方法和土壤蒸渗仪法(通常应用于实验室条件下测定植被蒸散发量，应用范围小，但结果准确，认为其测定值为真实值)同时对绿色屋顶样地的蒸散发量进行测定，两者线性相关系数R为0.7393。因此，本专利提出的利用热红外技术测定绿的屋顶蒸散发量的方法不仅结果精确，同时步骤简单、适用范围广。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。