基于遥感地表温度与植被盖度两阶段空间探测地表蒸散的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及地表蒸散的遥感探测领域，具体来说设及基于地表溫度与植被盖度特 征空间的地表蒸散遥感探测方法。
【背景技术】
[0002] 地表蒸散是地表水循环过程中的关键参量，直接或间接地影响着地表水分和热量 的收支状况。地表蒸散主要由植被蒸腾和±壤蒸发两个部分组成，其中±壤蒸发反映了 ± 壤中的水分通过非生物作用进入大气的过程，与表层±壤湿度密切相关;而植被蒸腾则反 映±壤中的水分通过生物作用进入大气的过程，与植被根层的±壤湿度密切相关。一般在 农业应用中，±壤蒸发被认为是水分浪费，而植被蒸腾则被认为是真正的水分利用，并且植 被蒸腾及根层±壤湿度与植物的生长、发育、W及产量形成等直接相关。因此，对于节水农 业、农业干旱监测、灌概需水量估算、农作物长势监测、W及农作物产量预测等，准确的±壤 蒸发和植被蒸腾数据W及表层和根层±壤湿度信息，具有非常重要的实用价值。
[0003] 传统的±壤蒸发和植被蒸腾观测方式，包括满动相关系统、波文比系统、蒸渗仪、 树干液流观测、稳定同位素等通常具有代价高昂、操作复杂、或空间代表性不足等缺陷，不 适宜大范围、长时间观测。遥感技术可在一定程度上，弥补传统观测方式的缺陷，其一个像 元代表地面的一块区域，可W很方便地实现由点到面的转换。因此，遥感成为监测地表蒸散 和±壤湿度的重要手段。自上世纪70-80年代至今，基于遥感技术的地表蒸散和±壤湿度监 测取得了长足进展。在运些方法中，一类利用地表溫度与植被盖度化and Surface Temperature-Fractional vegetation cover ,LST-Fv)特征空间的方法，吸引了国内外众 多学者的关注，获得了广泛应用，因为它具有许多显著的优点，比如：（1)LST-Fv特征空间易 于反演植被或裸±组分溫度、实现地表蒸散的分离；（2)LST-Fv特征空间与深层±壤湿度的 变异密切相关；（3)该方法简单易用，对蒸散和±壤湿度的估算精度与某些复杂模型的估算 精度相当；（4)LST-Fv特征空间可用于计算蒸发比，易于由遥感瞬时测算的蒸散向日尺度转 换；（5)LST-Fv特征空间主要使用遥感数据，较少依赖其他辅助数据，并且主要利用地表溫 度的相对变化信息，并不要求使用其绝对值，等等。
[0004] 目前，学者们基于LST-Fv特征空间发展了多个估算地表蒸散的一源模型和二源模 型，一源模型包括Jiang and Islam( 1999，2001)的Ξ角形算法和Wang(2006)的矩形算法； 二源模型包括Nishida' S two-source model、TTME模型、W及HTEM模型等。一源模型仅能计 算地表蒸散，而二源模型不仅可W计算地表蒸散，还可W实现地表蒸散的分离，输出±壤蒸 发和植被蒸腾。然而现有的二源模型均基于图1(a)所示的地表溫度与植被盖度的传统特征 空间模式。
[0005] 需要注意的是，在±壤由湿润到干燥的驱动过程下，由于植被根系作用，植被与裸 ±的福射溫度存在着响应速度和程度的差异。图1(a)所示的传统特征空间模式考虑了响应 程度的差异，裸±响应程度大，植被响应程度小，所W才形成梯形形状;但是没有考虑响应 速度的差异。不考虑响应速度的差异，会导致植被和裸±组分溫度的反演存在较大误差，进 而导致植被蒸腾、±壤蒸发、和地表蒸散的估算存在较大误差，直接影响了农业干旱监测、 灌概需水量估算、W及农作物产量预测等的应用效果。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于建立一种基于地表溫度与植被盖度两阶段特征空间，探测植被 蒸腾、±壤蒸发、W及地表蒸散的方法。
[0007] 本发明的基于遥感地表溫度与植被盖度两阶空间探测地表蒸散的方法，其包括：
[0008] 步骤1，利用遥感数据产品获取地表溫度和植被盖度；
[0009] 步骤2,构建地表溫度与植被盖度两阶段特征空间；
[0010] 步骤3,利用地表溫度与植被盖度两阶段特征空间提取植被和裸±的组分溫度；
[0011] 步骤4,结合地表溫度与植被盖度两阶段特征空间和Priestley-化ylor公式计算 植被和裸±组分的蒸发比；
[0012] 步骤5,根据福射收支平衡方程计算植被组分的可利用能量和裸±组分的可利用 能量；
[0013] 步骤6，通过地表蒸散的二源模式计算输出植被蒸腾、±壤蒸发、及地表蒸散。
[0014] 优选地，步骤1中，利用M0DIS遥感数据产品，根据M0DIS产品的质量文件，通过十进 制向二进制的转换，实现低质量和无效的MODI S地表溫度化ST)和植被指数(NDVI)数据的自 动过滤；
[0015] 然后，利用数据产品转换公式，获取地表溫度化ST)和植被指数(NDVI);
[0016] 最后，利用植被指数(NDVI)通过式1计算植被覆盖度(fv):
[0017]
(式 1);
[0018] 式中，NDVImin对应于裸±;NDVImax对应于全覆盖植被，两者的取值分别设为0.2和 0.86;其中NDVI由M0DIS产品获得。
[0019] 优选地，步骤2中，所述地表溫度与植被盖度两阶段特征空间由干边和湿边确定； 其中，所述湿边为一水平直线，其对应的地表溫度等于近地表气溫(Ta)，近地表气溫(Ta)由 气象站实测得到；
[0020] 所述干边为一倾斜直线，其由裸±表面溫度(Tsmax )和植被表面溫度(T/ax )确定;其 中，对于位于干边上的裸±，裸±表面溫度(Tsmax)通过式2计算：
[0021] as X (Tsmax)4+bs X (Tsmax)3+Cs X (Tsmax)2+山 X (Tsmax)+es = 0 (式2);
[0022] 式2中的系数设置如下：
[0023]
[0024] 式3中，as~es为针对裸±的系数；
[0025] es为裸±发射率，为0.95;o为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，为5.67X10-8W·m-l·K-4;
[0026] P为空气密度，为1.293kg · m-3;cp为空气的质量定压热容，为1005.0J · kg-i · K-1; 为裸±表面的空气动力学阻抗，由式如角定;11为±壤热通量与地表净福射通量的比值， 为0.35;
[0027] Ea为空气的发射率，由式師角定;as为裸±表面反照率，为0.3;Sd代表下行太阳短波 福射，由气象站实测得到;Ta为近地表气溫，实测获得；
[0028] 对于位于干边上的植被，植被表面溫度(T/ax)，通过式4计算：
[0029] avX (Tv丽)4+bvX (TVmax)3+CvX (IVmax)2+dvX (Tvmax)+ev = 〇 (式4).
[0030] 式4中的系数设置如下：
[0031]
[00创式5中，av~ev为针对植被的系数；
[0033] εν为植被发射率，为0.98;
[0034] raV为植被表面的空气动力学阻抗，由式12确定;αν为植被表面反照率，为0.2; Ea为 空气的发射率，通过式師角定：
[0035]
[0036] 式6中，Lv = 2.5X1〇6j · kg-i;Rv = 461J · kg-i · K-i;T〇 = 273K;Ta为近地表气溫，实 ii获得;Ta与Td的单位均为K; Td为露点溫度，T通过式7计算：
[0037]
[0038] 式7中，曰=17.27;6 = 237.7°(：;畑为相对湿度，单位为百分比，实测获得;式7中，了3 与Td的单位均为摄氏度；
[0039] 式3中，rgS通过式8计算：
[0040]
[0041 ]式8中，uim为裸±表面1米高处的风速，单位m/s ;u*为摩擦速度，单位m/s，实测获 得;k为von Karman常数，为0.41; zm风速的参考高度，为Im; d为零平面位移，对于裸±为Om; Zom为动量传输的粗糖度长度，对于裸±为〇.〇〇5111;皆。(1)和*。啦。。)分别是稳定度校正系数， 由式10或式11确定；
[0042] 稳定度校正系数Ψ"(ι)和的计算与裸±表面Monin-Ob址hov长度(Ls)的取值 有关，其中Ls可通过式9确定：
[0043]
[0044] 式9中，g为重力加速度，取值9.8m/s2;出为裸±表面的感热通量；
[0045] 当Ls<0时，通过下式计算稳定度校正系数：
[0046]
[0047] 当Ls>0时，通过下式计算稳定度校正系数：
[00引]式12中，ζτ为气溫观测的参考高度，为2m;z〇h与植被高度化c)有关，z〇h = W70m，植 被高度化。)实测获得；为稳定度校正系数，通过式14或15确定，与植被表面 Monin-Ob址hov长度(Lv)的取值有关；
[0052]针对