土壤水及蒸散组分协测方法、装置、电子设备和介质

1.本发明涉及土壤水及蒸散组分遥感测量技术领域，特别是涉及一种土壤水及蒸散组分协测方法、系统、电子设备和介质。


背景技术：

2.土壤水是陆地水循环的重要组成部分，是影响区域乃至全球能量平衡的重要参量，是陆地生态系统赖以生存的物质基础，是描述地气之间水分交换的重要变量，准确及时估算土壤水含量对于农业生产、农田墒情及干旱监测等具有重要意义。地表蒸散是链接水量平衡与能量平衡的纽带，是土壤水返回大气的唯一物理途径，是理解陆气之间能量和水分交换的突破口，对于区域乃至国家水资源管理、消耗非常关键，监测区域尺度地表蒸散将为农业、气象和生态等领域研究提供数据支持，而飞速发展的遥感技术为区域乃至全球土壤水及地表蒸散的高精度测量提供了可能。
3.当前，土壤水的遥感测量手段包括光学遥感、主被动微波及多传感器联合等。地表蒸散的遥感监测模型可分为经验模型、彭曼-蒙特斯模型、普利斯特-泰勒、能量平衡法及特征空间法等。这些遥感方法虽然广泛用于土壤水及地表蒸散的大范围监测，但是，对于土壤水遥感监测方法而言，其适用性有待提高，尚无法应对任意植被覆盖的情形，遥感信号与土壤水的关系随土壤含水量、环境条件等的变化而改变，陆地表层的时空异质性也降低了监测方法的性能；对于地表蒸散遥感监测方法而言，对于地表供水充足或者下垫面较为均一等理想情况下地表蒸散的估算较为成熟，当下垫面土壤水亏缺或者下垫面异质性较强时，地表蒸散的估算精度仍不理想，更为困难的是，想要获取异质下垫面地表蒸散的组分需要确定干湿点，而目前干湿点的准确选取存在很大分歧，限制了地表蒸散的遥感获取。最为重要的是，土壤水与地表蒸散遥感监测方法是独立发展的，彼此无关，这忽视了土壤水与地表蒸散之间的紧密联系，造成了土壤水与地表蒸散遥感监测结果的脱钩，给土壤水及地表蒸散遥感监测产品的系统应用造成了困难，此外，土壤水遥感监测产品通常空间分辨率较低，不足以在田间尺度上推广应用。
4.为此，提出本发明。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种土壤水及蒸散组分协测方法、系统、电子设备和介质，以期克服或者部分克服上述方法存在的技术问题。
6.为达到上述目的，本发明所提供的技术方案为：
7.第一方面，本发明实施例提供了一种土壤水及蒸散组分协测方法，包括如下步骤：
8.s1：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地表蒸散；
9.s2：建立s1蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程；
10.s3：求解s2数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分。
11.在一个实施例中，所述s1：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地
表蒸散，包括如下步骤：
12.s11：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比，具体为：
[0013][0014][0015][0016][0017]
式中，ta表示空气温度，ea表示ta时空气的饱和水汽压，er表示ta时空气的实际水汽压，gm表示植被处于潜在蒸发时的冠层阻抗，ga表示植被冠层的空气动力学阻抗，lai表示植被的叶面积指数，rn表示净辐射通量，c表示空气体积热容，tv表示植被全覆盖时冠层温度；
[0018]
s12：依据s11地表蒸散比求取地表蒸散，具体为：
[0019]
et＝β[r
n-(1-fv)gs]
[0020]
式中，et表示地表蒸散，fv表示植被覆盖度，gs表示土壤热通量。
[0021]
在一个实施例中，所述s2：建立s1蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程，包括如下步骤：
[0022]
s21：将地表蒸散表示为植被覆盖度加权蒸散组分之和，具体为：
[0023]
et＝(1-fv)e+fvt
[0024]
式中，e表示et中蒸散组分土壤蒸发，t表示et中蒸散组分植被蒸腾；
[0025]
s22：将土壤水表示为植被覆盖度加权裸土水分与根区水分之和，具体为：
[0026]
θ(x,y)＝θs(x,y)(1-fv(x,y))+θv(x,y)fv(x,y)
[0027][0028][0029]
式中，θ表示土壤水遥感观测产品，(x，y)表示θ中像元位置，θs(x，y)表示(x，y)处土壤组分裸土的水分，θv(x，y)表示(x，y)处土壤组分植被根区的水分，fv表示与θ空间分辨率相等的植被覆盖度，fv(x，y)表示(x，y)处的植被覆盖度，i和j分别表示θ中单个像元所覆盖et像元的行数和列数，(i，j)表示(x，y)所覆盖空间范围内et中像元位置，fv表示与et空间分辨率相等的植被覆盖度，fv(i，j)表示(i，j)处的植被覆盖度，θs(i，j)表示(i，j)处的裸土水分，θv(i，j)表示(i，j)处的根区水分；
[0030]
s23：建立s21蒸散组分与s22土壤水组分之间的数学方程，具体为：
[0031]
[0032][0033]
式中，et(x，y)表示(x，y)所覆盖空间范围内et中像元地表蒸散的均值，e(i，j)表示(i，j)处的土壤蒸发，t(i，j)表示(i，j)处的植被蒸腾，et(i，j)表示(i，j)处的地表蒸散；
[0034]
上式是在土壤水分及地表蒸散可以表示为各自组分依地表植被覆盖线性加权之和假设基础上的土壤水分组分与地表蒸散组分之间严格的物理联系方程，该式将细空间分辨率下土壤水组分裸土水分与根区水分及细空间分辨率下地表蒸散组分裸土蒸发与植被蒸腾通过求和平均在粗空间分辨率下关联起来，既能表达细空间分辨率下局部地表土壤水分及其组分与地表蒸散及其组分之间的关联模式，又能表达粗空间分辨率下异质地表土壤水分及其组分与地表蒸散及其组分之间的关联模式；
[0035]
s24：化简s23地表蒸散组分与土壤水组分之间的数学方程，具体为：
[0036][0037]
上式是在裸土水分是裸土蒸发的单一水源及根区水分是植被蒸腾单一水源的假设下对s23地表蒸散组分与土壤水分组分之间数学方程的简化结果，简化了根区土壤水分对裸土蒸发的影响，也简化了裸土水分对植被蒸腾的影响，在陆地表层的土壤水分大部分非饱和状态下，做出无降雨时裸土水分是裸土蒸发的单一水源及根区水分是植被蒸腾单一水源的假设是合理的，因为在土壤水分非饱和状态下，土壤水分的侧向移动是很弱的，是可以忽略不计的，在这种情况下，可以合理地认为裸土水分是影响裸土蒸发的唯一水源，这样就可以在细空间分辨率下建立如上式所示的裸土水分与裸土蒸发之间的数学方程；
[0038]
s25：建立裸土蒸发与裸土水分之间联系的数学方程，具体为：
[0039]
e(i,j)＝α(i,j)e
p
(i,j)
[0040][0041]
式中，θw(i，j)表示(i，j)处土壤的凋萎含水量，θs(i，j)表示(i，j)处土壤的饱和含水量，e
p
(i，j)表示(i，j)处地表潜在蒸散，α(i，j)表示裸土水分与裸土萎蔫含水量之差与裸土饱和含水量与裸土萎蔫含水量之差的比值，表示了裸土组分中水分供应裸土蒸发的比例，表达了裸土水分饱和度对裸土蒸发的限制性，顾将裸土蒸发定义为潜在蒸散与限制因子α(i，j)的乘积。
[0042]
在一个实施例中，所述s3：求解s2数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分，包括如下步骤：
[0043]
s31：联立s24和s25的数学方程在细空间分辨率下协测土壤水组分及蒸散组分，具体为：
[0044][0045][0046][0047][0048]
θs(i,j)＝θw(i,j)γ
[0049][0050]
s32：基于s31在粗空间分辨率下协测土壤水组分及蒸散组分，具体为：
[0051][0052][0053][0054][0055]
式中，es(x，y)表示与θ空间分辨率相等的(x，y)处裸土蒸发，tv(x，y)表示与θ空间分辨率相等的(x，y)处植被蒸腾。
[0056]
第二方面，本发明实施例提供了一种土壤水及蒸散组分协测装置，用于执行上述第一方面所述的一种土壤水及蒸散组分协测方法，包括：输入模块、地表蒸散模块、联系模块、协测模块、输出模块；
[0057]
所述输入模块，用于搜集气象资料、遥感土壤水分、遥感地表温度、土壤持水物理属性等资料；
[0058]
所述地表蒸散模块，用于执行上述第一方面所述的利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地表蒸散；
[0059]
所述联系模块，用于执行上述第一方面所述的建立上述第一方面所述的蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程；
[0060]
所述协测模块，用于执行上述第一方面所述的求解上述第一方面所述的数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分；
[0061]
所述输出模块，用于输出协测土壤水组分及蒸散组分的过程以及结果。
[0062]
第三方面，本发明实施例提供了一种土壤水及蒸散组分协测电子设备，包括传感器、存储器和处理器，所述传感器用于气象及遥感资料的获取，所述存储器存储有计算机程
序和所述传感器所获取的气象及遥感资料，所述处理器执行所述计算机程序处理所述传感器所获取的气象及遥感资料时实现上述第一方面所述土壤水及蒸散组分协测方法的步骤。
[0063]
第四方面，本发明实施例提供了一种土壤水及蒸散组分协测计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述土壤水及蒸散组分协测方法的步骤。
[0064]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0065]
1)提出了一种土壤水及其组分与地表蒸散及其组分遥感协同反演的建模模式，能够简便地实现土壤水及其组分与地表蒸散及其组分的联合测量；
[0066]
2)土壤水遥感产品通常具有较低的空间分辨率，本发明通过建立土壤水与地表蒸散之间的物理联系，提升了土壤水遥感产品的空间分辨率；
[0067]
3)土壤水遥感产品通常不能提供组分信息，本发明通过裸土蒸发与裸土水分之间的数学模型，实现了土壤水遥感产品的组分分解；
[0068]
4)借助土壤水与地表蒸散及其组分之间的关联模式，本发明实现了地表蒸散的组分分解，避免了传统遥感蒸散模型中干湿点所引起的不确定性；
[0069]
5)本发明实现了在细、粗空间分辨率下土壤水与地表蒸散及其组分的协同测量。
附图说明
[0070]
这里的附图连同说明书一起阐述了符合本发明的实施例，为了更清晰地解释本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所用附图进行简要说明，值得注意的是，本领域普通技术人员可以不付出创造性劳动而依据这些附图得到其他的附图。
[0071]
图1为本发明实施例提供的一种土壤水及蒸散组分协测方法的流程示意图；
[0072]
图2为本发明实施例提供的另一种土壤水及蒸散组分协测方法的流程示意图；
[0073]
图3为本发明实施例提供的又一种土壤水及蒸散组分协测方法的流程示意图；
[0074]
图4为本发明实施例提供的再一种土壤水及蒸散组分协测方法的流程示意图；
[0075]
图5为本发明实施例提供的一种土壤水及蒸散组分协测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0076]
下面将结合实施例所用附图进一步解释本发明的有益效果和实施步骤，需要说明的是，本发明的实施例及其中步骤并非严格按照顺序执行，还可以以其他方式进行执行，所以，本说明书所示出实施例仅为本发明的部分实施例，而非全部实施例。
[0077]
在一个实施例中，如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种土壤水及蒸散组分协测方法的流程示意图，包括以下步骤：
[0078]
s1：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地表蒸散；
[0079]
s2：建立s1蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程；
[0080]
s3：求解s2数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分。
[0081]
本发明通过简化土壤水及其组分与地表蒸散及其组分之间的物理联系，实现了土壤水及其组分与地表蒸散及其组分的协同估算，克服了传统土壤水与地表蒸散遥感模型独立研发所导致的土壤水及其组分与地表蒸散及其组分反演产品的孤立性，加强了土壤水及其组分与地表蒸散及其组分遥感反演过程中的物理联系，为二者产品在田间尺度的协同应
用提供了保障。
[0082]
基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图2所示，所述s1：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地表蒸散，一种实现方式包括如下步骤：
[0083]
s11：利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比，具体为：
[0084][0085][0086][0087][0088]
式中，ta表示空气温度，ea表示ta时空气的饱和水汽压，er表示ta时空气的实际水汽压，gm表示植被处于潜在蒸发时的冠层阻抗，ga表示植被冠层的空气动力学阻抗，lai表示植被的叶面积指数，rn表示净辐射通量，c表示空气体积热容，tv表示植被全覆盖时冠层温度；
[0089]
其中，所述利用获取的遥感影像包括但不限于基于遥感影像反演的地表温度、地表反照率、地表发射率、归一化植被指数、植被覆盖度fv及升尺度的植被覆盖度fv、土壤萎蔫含水量θw、土壤饱和含水量θs、叶面积指数lai、土壤水分θ等；这些参量的遥感产品可以通过遥感影像和相应的反演算法反演得到，也可以通过互联网下载相应的遥感产品，本发明不对地表参量遥感产品的具体来源做具体限定；
[0090]
其中，气象资料包括但不限于太阳辐射观测、天空温度、空气温度、大气压强、相对湿度、实际水汽压、风速、风速与气温的观测高度；
[0091]
所述各地表参量的遥感产品获取时间与气象资料获取时间应尽量接近，并不要求在时间上同步，即并不要求获取时间在同一时刻，所述获取时间应尽量接近，只需各地表参量的遥感产品获取时间与气象资料的获取时间之差在合理的时间范围内，均属于获取时间应尽量接近。示例性的，对于各地表参量的遥感产品的获取时间、气象资料的获取时间之差在3个小时之内，即当地表参量的遥感产品获取于2018年10月21日12时时，而其他地表参量的遥感产品或气象资料的获取时间介于2018年10月21日9时至2018年10月21日15时之间时，即满足各地表参量的遥感产品获取时间与气象资料获取时间应尽量接近。对此，本发明不对获取时间之差的时间范围做具体的限制，本领域技术人员可依据具体应用具体设置；
[0092]
s12：依据s11地表蒸散比求取地表蒸散，具体为：
[0093]
et＝β[r
n-(1-fv)gs]
[0094]
式中，et表示地表蒸散，fv表示植被覆盖度，gs表示土壤热通量。
[0095]
基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图3所示，s2：建立s1蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程，一种实现方式包括如下步骤：
[0096]
s21：将地表蒸散表示为植被覆盖度加权蒸散组分之和，具体为：
[0097]
et＝(1-fv)e+fvt
[0098]
式中，e表示et中蒸散组分土壤蒸发，t表示et中蒸散组分植被蒸腾；
[0099]
s22：将土壤水表示为植被覆盖度加权裸土水分与根区水分之和，具体为：
[0100]
θ(x,y)＝θs(x,y)(1-fv(x,y))+θv(x,y)fv(x,y)
[0101][0102][0103]
式中，θ表示土壤水遥感观测产品，(x，y)表示θ中像元位置，θs(x，y)表示(x，y)处土壤组分裸土的水分，θv(x，y)表示(x，y)处土壤组分植被根区的水分，fv表示与θ空间分辨率相等的植被覆盖度，fv(x，y)表示(x，y)处的植被覆盖度，i和j分别表示θ中单个像元所覆盖et像元的行数和列数，(i，j)表示(x，y)所覆盖空间范围内et中像元位置，fv表示与et空间分辨率相等的植被覆盖度，fv(i，j)表示(i，j)处的植被覆盖度，θs(i，j)表示(i，j)处的裸土水分，θv(i，j)表示(i，j)处的根区水分；
[0104]
s23：建立s21蒸散组分与s22土壤水组分之间的数学方程，具体为：
[0105][0106][0107][0108]
式中，et(x，y)表示(x，y)所覆盖空间范围内et中像元地表蒸散的均值，e(i，j)表示(i，j)处的土壤蒸发，t(i，j)表示(i，j)处的植被蒸腾，et(i，j)表示(i，j)处的地表蒸散；
[0109]
上式是在土壤水分及地表蒸散可以表示为各自组分依地表植被覆盖线性加权之和假设基础上的土壤水分组分与地表蒸散组分之间严格的物理联系方程，该式将细空间分辨率下土壤水组分裸土水分与根区水分及细空间分辨率下地表蒸散组分裸土蒸发与植被蒸腾通过求和平均在粗空间分辨率下关联起来，既能表达细空间分辨率下局部地表土壤水分及其组分与地表蒸散及其组分之间的关联模式，又能表达粗空间分辨率下异质地表土壤水分及其组分与地表蒸散及其组分之间的关联模式；
[0110]
s24：化简s23地表蒸散组分与土壤水组分之间的数学方程，具体为：
[0111][0112]
上式是在裸土水分是裸土蒸发的单一水源及根区水分是植被蒸腾单一水源的假设下对s23地表蒸散组分与土壤水分组分之间数学方程的简化结果，简化了根区土壤水分对裸土蒸发的影响，也简化了裸土水分对植被蒸腾的影响，在陆地表层的土壤水分大部分非饱和状态下，做出无降雨时裸土水分是裸土蒸发的单一水源及根区水分是植被蒸腾单一水源的假设是合理的，因为在土壤水分非饱和状态下，土壤水分的侧向移动是很弱的，是可
以忽略不计的，在这种情况下，可以合理地认为裸土水分是影响裸土蒸发的唯一水源，这样就可以在细空间分辨率下建立如上式所示的裸土水分与裸土蒸发之间的数学方程；
[0113]
s25：建立裸土蒸发与裸土水分之间联系的数学方程，具体为：
[0114]
e(i,j)＝α(i,j)e
p
(i,j)
[0115][0116]
式中，θw(i，j)表示(i，j)处土壤的凋萎含水量，θs(i，j)表示(i，j)处土壤的饱和含水量，e
p
(i，j)表示(i，j)处地表潜在蒸散，α(i，j)表示裸土水分与裸土萎蔫含水量之差与裸土饱和含水量与裸土萎蔫含水量之差的比值，表示了裸土组分中水分供应裸土蒸发的比例，表达了裸土水分饱和度对裸土蒸发的限制性，顾将裸土蒸发定义为潜在蒸散与限制因子α(i，j)的乘积。
[0117]
基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图4所示，s3：求解s2数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分，一种实现的方式包括如下步骤：
[0118]
s31：联立s24和s25的数学方程在细空间分辨率下协测土壤水组分及蒸散组分，具体为：
[0119][0120][0121][0122][0123]
θs(i,j)＝θw(i,j)γ
[0124][0125]
s32：基于s31在粗空间分辨率下协测土壤水组分及蒸散组分，具体为：
[0126][0127][0128][0129]
[0130]
式中，es(x，y)表示与θ空间分辨率相等的(x，y)处裸土蒸发，tv(x，y)表示与θ空间分辨率相等的(x，y)处植被蒸腾。
[0131]
综上，可实现基于土壤水及其组分与地表蒸散及其组分之间物理联系的遥感协测。
[0132]
值得注意的是，虽然在图1-图4所描述的各个流程图中，各个步骤的执行通过箭头顺序相连，但并不能就此认为这些步骤必须按照箭头的顺序才能完成执行。除特别说明外，这些步骤还可以以不同顺序执行也可以达到预期效果，而并非严格按照箭头的顺序执行才能达到预期效果。
[0133]
在一个实施例中，如图5所示，提供了一种土壤水及蒸散组分协测装置，用于执行上述实施例所述的一种土壤水及蒸散组分协测方法，包括：输入模块1、地表蒸散模块2、联系模块3、协测模块4、输出模块5。
[0134]
所述输入模块1，用于搜集气象资料、遥感土壤水分、遥感地表温度、土壤持水物理属性等资料；
[0135]
所述地表蒸散模块2，用于执行上述实施例所述的利用获取的遥感影像和气象资料计算地表蒸散比及地表蒸散；
[0136]
所述联系模块3，用于执行上述实施例所述的建立上述实施例所述的蒸散组分与土壤水组分之间联系的数学方程；
[0137]
所述协测模块4，用于执行上述实施例所述的求解上述实施例所述的数学方程以协测土壤水组分及蒸散组分；
[0138]
所述输出模块5，用于输出协测土壤水组分及蒸散组分的过程以及结果。
[0139]
本发明实施例提供了一种土壤水及蒸散组分协测电子设备，包括：传感器、存储器和处理器，所述传感器用于气象及遥感资料的获取，所述存储器存储有计算机程序和所述传感器所获取的气象及遥感资料，所述处理器执行所述计算机程序处理所述传感器所获取的气象及遥感资料时实现图1到图4任一所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再重复。
[0140]
本发明实施例还提供一种土壤水及蒸散组分协测计算机可读存储介质，所述介质存储有计算机可执行程序，所述计算机可执行程序被处理器执行时可实现本发明实施例提供的土壤水及蒸散组分协测方法，例如，计算机可执行程序被处理器执行时实现图1到图4任一所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再重复。
[0141]
本领域普通技术人员应当理解，本说明示出实施例方法中全部流程图是可以通过计算机代码指令有关硬件来实现，所述计算机代码可保存在计算机可读取的存储介质中，例如，只读存储器(read-only memory，rom)、硬盘、磁带、软盘、u盘、闪存或光存储器等，所述存储介质中的计算机程序被计算机读取执行时可完成上述各方法的各实施例的各个步骤。此外，用于执行本发明所提供的各实施例的计算机代码也可以存储在易失性存储器中，示例性的，例如随机存取存储器(random access memory，ram)或者外部高速缓冲存储器。
[0142]
本发明提出的一种土壤水及蒸散组分协测方法的有益效果为：
[0143]
1)提出了一种土壤水及其组分与地表蒸散及其组分系统估算的简便范式，可以方便快捷的实现土壤水及其组分与地表蒸散及其组分的联合反演；
[0144]
2)通过所建立的土壤水与地表蒸散之间的数学关系实现了土壤水遥感观测的空
间降尺度，丰富了土壤水遥感产品的空间细节；
[0145]
3)通过裸土蒸发与裸土水分之间的物理联系，实现了土壤水遥感产品的组分分解，填补了当前土壤水组分遥感产品空白；
[0146]
4)通过建立土壤水及其组分与地表蒸散及其组分之间的数学式，实现了土壤蒸发及植被蒸腾的测量，避免了因干湿点选取不当所导致的蒸散组分分解误差；
[0147]
5)可以在细、粗两种空间分辨率下实现土壤水及其组分与地表蒸散及其组分的协同测量。
[0148]
本说明书侧重于描述各个实施例之间不同之处，各实施例相同或相似之处可以相互参考。对于装置、电子设备及介质实施例，由于其与方法实施例相似，故描述的较为简单，相似之处请参考方法实施例的相关部分即可。需要说明的是，本说明示出实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，此外，示出实施例的部分或全部组合还可以以不同于示出实施例的方式执行，本发明并未描述所有可能的技术特征组合，对于本领域普通技术人员来说，在未付出创造性劳动的前提下，通过等同替换、任何修改、改进本发明示出实施例中的部分步骤和方法特征等，均包含在本发明的保护范围之内。