基于modis数据的地表蒸散发全遥感反演方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法及系统，其步骤包括：1）确定研究区域，获取研究区域相关MODIS数据产品并进行预处理；2）利用经预处理的MODIS数据产品构建空间变化信息散点图，并进行像元尺度的地表蒸发比EF的全遥感反演；3）根据相关MODIS数据产品进行像元尺度的地表净辐射Rn与土壤热通量G的全遥感反演；4）根据地表蒸发比EF、地表净辐射Rn和土壤热通量G，进行像元尺度的地表蒸散发LE的全遥感反演。本发明仅需要MODIS数据作为输入，克服了目前蒸散发遥感反演一般需要较多地面观测数据辅助的问题，可用于无资料或资料缺乏地区的蒸散发遥感反演。
【专利说明】基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及地表蒸散发反演方法及系统，尤其涉及一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法及系统。
【背景技术】
[0002]陆面蒸散发是地表能量平衡和水量平衡的重要组成部分，直接影响土壤-植被-大气系统中的水、热传输。在农学、水文学、气象学等研究领域，如田间尺度的农田灌溉和耕作制度管理、区域尺度的地表水和地下水预测和估算、全球尺度的大气环流和气候变化模拟等方面，蒸散发都发挥着重要的作用。几乎所有水问题的解决，都离不开蒸散发的研究。
[0003]传统的蒸散发估算方法，大多基于站点观测的气象数据，并依赖于不同下垫面的先验知识，如水文、气象等领域广泛使用的Penman-Monteith方程。早期的此类蒸散发模型大多只适用于水分充足的下垫面，并且通常只能得到“点”尺度上的蒸散发，无法满足目前日益增长的学科交叉研究的需要，限制了在无资料或资料缺乏地区的应用。近年来，随着各种新兴技术的发展以及蒸散发估算理论的不断完善，基于遥感技术的蒸散发估算已成为水文、气象、农业等领域的重点热门问题。目前，基于遥感数据的蒸散发估算模型主要依靠地表能量平衡原理实现。根据土壤和植被组分是否分开考虑，基于地表能量平衡原理的蒸散发估算模型主要分为一源和二源能量平衡模型。这两类能量平衡模型具有如下缺点:
[0004]一源能量平衡模型需要一定的地面观测数据作为输入，对输入数据的精度较为敏感，而且没有考虑地表温度反演中方向性对蒸散发估算的影响。具体来说，一源模型一般需要像元尺度的近地面气温、风速、湿度、植被高度等气象和植被数据作为输入，而目前的遥感技术无法直接反演获得这些参数。通过空间插值得到的区域地面观测气象数据在非均一地表上会产生较大的误差。此外，由于空气动力学温度难以进行测量，通常利用遥感地表温度代替空气动力学温度进行地表温度梯度的计算。对于全植被覆盖地表，空气动力学温度和辐射地表温度之间的较小差异可能不会造成较大的通量估算误差。然而，对于部分植被覆盖地区，该温差可能会达到10° C以上，从而造成非稳定大气条件下显热通量的高估。由于动量和能量传输机制的区别，当利用遥感地表温度进行近地表温差和显热通量的估算时，考虑到能量传输比动量传输具有更高的阻抗，需要在空气动力学阻抗的基础上增加一项剩余阻抗。显然，这种对空气动力学阻抗的校正无法在所有的情况下开展，造成一源模型的应用受到严重的限制。另外，传感器定标、大气校正以及地表比辐射率的确定均会对依赖于绝对地表温度或地气温差的一源能量平衡估算方法产生致命的影响。虽然一源地表能量平衡模型可以提供可靠的地表显热通量和潜热通量估算，但是它们一般需要田间校正，因而很难在广泛变化的下垫面条件下应用。
[0005]二源能量平衡模型虽然在模型结构、模型参数化方面较一源能量模型具有一定的优势(如降低了对输入数据的敏感性、考虑了卫星观测几何的影响等)，但仍需要大量的近地面观测气象和植被数据作为输入，限制了它在无资料或资料缺乏地区的应用。[0006]为克服一源和二源能量平衡遥感蒸散发反演模型遇到的常规地面气象和植被数据在卫星像元尺度上难以获取的问题，我们利用MODIS遥感数据发明一种地表蒸散发的全遥感反演方法。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法及系统。
[0008]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，包括如下步骤:
[0009]步骤1:确定研究区域，获取研究区域相关MODIS数据产品并进行预处理；
[0010]步骤2:利用经预处理的数据产品构建空间变化信息散点图，并进行像元尺度的地表蒸发比EF的全遥感反演；
[0011]步骤3:利用经预处理的数据产品进行像元尺度的地表净辐射Rn与土壤热通量G的全遥感反演；
[0012]步骤4:根据地表蒸发比EF、地表净辐射Rn和土壤热通量G，进行像元尺度的地表蒸散发LE的全遥感反演，计算公式为LE = (Rn-G) *EF。
[0013]本发明的有益效果是:本发明避免了在蒸发比遥感反演时一般需要对地表温度进行准确大气校正的要求；本发明也避免了在利用现有一源能量平衡模型进行蒸散发和蒸发比遥感反演时需要对空气动力学阻抗进行较为复杂参数化的要求，降低了在使用遥感地表温度代替空气动力学温度对蒸散发和蒸发比估算所产生的不确定性；本发明中地表蒸散发反演模型的输入除了由MODIS遥感传感器反演的地表参数外，不需要其他近地面辅助观测数据，解决了过去蒸散发遥感反演需要依赖较多地面气象和植被数据的问题，首次实现了区域地表蒸散发的全遥感反演，使无资料地区和资料缺乏地区地表蒸散发的估算成为可能，在水文、农业、气候变化等研究领域展现了广阔的应用前景。
[0014]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0015]进一步，步骤I中所述相关MODIS数据产品包括地表温度/比辐射率产品、归一化植被指数产品、定标辐射产品、几何定位产品和大气可降水产品。
[0016]进一步，步骤I中对研究区域内相关MODIS数据产品进行预处理的过程如下:
[0017]步骤1.1:在表层相对土壤水分和植被覆盖度全范围变化的条件下，确定研究区域；
[0018]步骤1.2:对该研究区域内相关MODIS数据产品进行投影转换和剪切处理，进而将处理后的MODIS数据产品数值转换为实际的物理量；
[0019]步骤1.3:利用地表温度/比辐射率产品中的质量控制文件剔除研究区内受云污染的像元数据；
[0020]步骤1.4:利用几何定位产品中的数字高程数据，设定高程阈值，剔除受地形冷却效应影响的像元数据。
[0021]进一步，步骤2中利用经预处理的数据产品构建空间变化信息散点图，进行像元尺度的地表蒸发比的全遥感反演的过程为:
[0022]步骤2.1:利用该研究区域的MODIS数据产品中的归一化植被指数NDVI估算该研究区域每个像元的地表植被覆盖度计算公式为
[0023]
【权利要求】
1.一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:确定研究区域，获取研究区域相关MODIS数据产品并进行预处理； 步骤2:利用经预处理的MODIS数据产品构建空间变化信息散点图，并进行像元尺度的地表蒸发比EF的全遥感反演； 步骤3:利用经预处理的数据产品进行像元尺度的地表净辐射Rn与土壤热通量G的全遥感反演； 步骤4:根据地表蒸发比EF、地表净辐射Rn和土壤热通量G，进行像元尺度的地表蒸散发LE的全遥感反演，计算公式为LE = (Rn-G) *EF。
2.根据权利要求1所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，其特征在于，步骤I中所述相关MODIS数据产品包括地表温度/比辐射率产品、归一化植被指数产品、定标辐射产品、几何定位产品和大气可降水产品。
3.根据权利要求1所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，其特征在于，步骤I中对研究区域内相关MODIS数据产品进行预处理的过程如下: 步骤1.1:在表层相对土壤水分和植被覆盖度全范围变化的条件下，确定研究区域； 步骤1.2:对该研究区域相关MODIS数据产品进行投影转换和剪切处理，进而将处理后的MODIS数据产品数值转换为实际的物理量； 步骤1.3:利用地表温度 /比辐射率产品中的质量控制文件剔除研究区内受云污染的像元数据； 步骤1.4:利用几何定位产品中的数字高程数据，设定高程阈值，剔除受地形冷却效应影响的像元数据。
4.根据权利要求2所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，其特征在于，步骤2中利用经预处理的MODIS数据产品构建空间变化信息散点图，进行像元尺度的地表蒸发比的全遥感反演的过程为: 步骤2.1:利用该研究区域的MODIS数据产品中的归一化植被指数NDVI估算该研究区域每个像元的地表植被覆盖度Fp计算公式为
5.根据权利要求1所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法，其特征在于，步骤3中根据相关MODIS数据产品进行像元尺度的地表净辐射Rn与土壤热通量G的全遥感反演的过程为: 步骤3.1:利用该研究区域MODIS数据产品中的太阳天顶角产品、大气可降水产品和大气顶部窄波段反射率产品估算地表短波净辐射Rsw，计算公式为，
6.一种实现权利要求1-5任一项基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演方法的系统，其特征在于，包括数据预处理模块、地表蒸发比反演模块、地表可利用能量反演模块和地表蒸散发反演模块； 所述数据预处理模块，其用于对获取的研究区域相关MODIS数据产品进行预处理；所述地表蒸发比反演模块，其用于利用经预处理的MODIS数据产品构建空间变化信息散点图，实现像元尺度地表蒸发比EF的全遥感反演； 所述地表可利用能量反演模块，其用于利用经预处理的MODIS数据产品进行像元尺度的地表净辐射Rn与土壤热通量G的全遥感反演； 所述地表蒸散发反演模块，其用于根据地表蒸发比EF、地表净辐射Rn和土壤热通量G，进行像元尺度地表蒸散发LE的全遥感反演,计算公式为LE = (Rn-G) *EF。
7.根据权利要求6所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演系统，其特征在于，所述地表蒸发比反演模块包括地表植被覆盖度计算单元、空间变化信息散点图构建单元、极端地表温度计算单元、蒸发比指示因子计算单元和蒸发比计算单元； 所述地表植被覆盖度计算单元，其用于利用该研究区域的MODIS数据产品中的归一化植被指数NDVI估算该研究区域的地表植被覆盖度Fp计算公式为
8.根据权利要求6所述一种基于MODIS数据的地表蒸散发全遥感反演系统，其特征在于，所述地表可利用能量反演模块包括地表短波净辐射计算单元、地表长波净辐射计算单元、地表净辐射计算单元和土壤热通量计算单元； 所述地表短波净辐射计算单元，其用于利用该研究区域MODIS数据产品中的太阳天顶角产品、大气可降水产品和大气顶部窄波段反射率产品估算地表短波净辐射Rsw，计算公式为，
【文档编号】G06F19/00GK103810387SQ201410050419
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】唐荣林, 李召良, 唐伯惠, 吴骅 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所