一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法，主要包括：土壤水分反演模型；利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量反演地表溫度與地表短波凈輻射，對(duì)地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理，對(duì)多時(shí)相的地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行橢圓擬合，得到每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的橢圓參數(shù)，將其作為土壤水分反演模型的輸入數(shù)據(jù)；模型系數(shù)的獲取方法；對(duì)地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理的具體要求。本發(fā)明專利技術(shù)解決了當(dāng)前的光學(xué)和熱紅外遙感土壤水分反演方法因極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息的缺乏所遇到的問題。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法。
技術(shù)介紹
土壤水分是水分平衡和能量平衡的關(guān)鍵參數(shù)之一，是聯(lián)系地表水、地下水和生物地球循環(huán)的核心和紐帶，在水文、氣候、農(nóng)業(yè)和生態(tài)等研究領(lǐng)域都具有十分重要的作用。當(dāng)前的光學(xué)和熱紅外遙感土壤水分反演方法，它們大多數(shù)均是在極軌衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息(一天最多一至二幅)的缺乏，一定程度上導(dǎo)致了遙感土壤水分反演中存在的某些問題遲遲得不到很好的解決，如通常需要建立遙感反演的地表參數(shù)(熱慣量，溫度植被干旱指數(shù)以及蒸散發(fā)等)與地表土壤水分觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來反演區(qū)域土壤水分，無法直接反演得到定量的土壤體積含水量等?？紤]到靜止氣象衛(wèi)星能夠?qū)Φ乇砻刻爝M(jìn)行多次觀測(cè)(一天48-96個(gè)時(shí)像)，將靜止氣象衛(wèi)星這種時(shí)間信息和空間信息結(jié)合起來，發(fā)展直接定量反演表層土壤水分方法，是一條獲取區(qū)域土壤水分信息的新思路。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本研究的主要目標(biāo)是利用靜止氣象衛(wèi)星每日多時(shí)相的特點(diǎn)，通過提取與土壤水分密切相關(guān)的地表參數(shù)日變化信息，發(fā)展一種新的基于靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接定量反演自然地表植被與土壤質(zhì)地連續(xù)變化條件下的表層土壤體積含水量的方法。本專利技術(shù)是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)像觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法，包括：A、土壤水分反演模型表達(dá)式：SSM＝n1·x0+n2·y0+n3·a+n4·θ+n0(1)其中，SSM是每天平均土壤水分，x0，y0，a和θ是白天地表溫度和地表短波凈輻射之間橢圓關(guān)系模型的橢圓參數(shù)，分別表示橢圓中心橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，半長(zhǎng)軸和橢圓旋轉(zhuǎn)角；ni(i＝0，1，2，3，4)是每天的模型系數(shù)。B、橢圓參數(shù)的獲取利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量反演白天時(shí)間序列(8:00-16:00)的地表溫度與地表短波凈輻射，對(duì)地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理，對(duì)多時(shí)相的地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行橢圓擬合，得到每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的橢圓參數(shù)(x0，y0，a，θ)，將其作為土壤水分反演模型的輸入數(shù)據(jù)。C、模型系數(shù)的獲取方法一：在氣象數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，利用通用陸面過程模型CoLM(CommonLandModel)模擬不同下墊面條件下的地表溫度、地表短波凈輻射與土壤水分。將模擬的地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理，并進(jìn)行橢圓擬合，得到橢圓參數(shù)(x0，y0，a，θ)，同時(shí)將模擬的土壤水分取平均值得到每天平均土壤水分(SSM)。利用公式(1)對(duì)SSM與橢圓參數(shù)(x0，y0，a，θ)進(jìn)行擬合，獲得模型系數(shù)ni(i＝0，1，2，3，4)；方法二：在氣象數(shù)據(jù)不滿足CoLM模擬需求的情況下，利用至少五組地表土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)獲得的橢圓參數(shù)(x0，y0，a，θ)，利用上面的公式(1)進(jìn)行擬合，獲得模型系數(shù)ni(i＝0，1，2，3，4)。D、表層土壤水分反演利用獲取的模型系數(shù)與遙感數(shù)據(jù)得到的橢圓參數(shù)，利用土壤水分反演模型(1)直接計(jì)算表層土壤水分含量(m3/m3)。步驟B和C中所述無量綱化處理，設(shè)置的最大和最小地表溫度分別是325K和275K，設(shè)置的最大和最小地表短波凈輻射分別是1200W/m2和0W/m2。本專利技術(shù)提出的表層土壤水分反演模型獨(dú)立于土壤質(zhì)地，能夠直接定量反演自然地表(植被覆蓋度小于0.7，土壤中粘土含量低于30％條件下)表層土壤水分。附圖說明圖1是發(fā)展土壤水分反演模型的研究流程圖；圖2是利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地表土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取模型系數(shù)的方法示意圖；圖3是基于歐洲第二代靜止氣象衛(wèi)星與地表土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的模型系數(shù)反演的研究區(qū)多天平均土壤水分與實(shí)測(cè)平均土壤水分的對(duì)比；具體實(shí)施方式圖1顯示了發(fā)展本研究的土壤水分反演模型的研究流程圖。在數(shù)據(jù)模擬中，我們考慮了不同的植被覆蓋度，土壤質(zhì)地和土壤水分。在得到模擬數(shù)據(jù)后，我們利用一個(gè)多元線性逐步回歸的方法，確定了土壤水分反演模型中的橢圓參數(shù)(x0y0，a，θ)。圖2顯示了利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地表土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取模型系數(shù)的方法。其中，晴天條件下靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的地表溫度和地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理，利用最小二乘法擬合得到地表溫度和地表短波凈輻射的橢圓關(guān)系模型，并計(jì)算橢圓參數(shù)。同時(shí)，對(duì)像元內(nèi)的土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)擇取平均值，表示該像元日平均土壤水分。圖3是利用圖2方法獲得了模型系數(shù)之后，基于歐洲第二代靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演的研究區(qū)(西班牙REMEDHUS土壤水分觀測(cè)網(wǎng)絡(luò))2010多個(gè)晴天平均的土壤水分與實(shí)測(cè)的土壤水分的散點(diǎn)圖。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法，其特征在于：土壤水分反演模型表達(dá)式SSM＝n1·x0+n2·y0+n3·a+n4·θ+n0，其中，SSM是每天平均土壤水分，x0，y0，a和θ是白天地表溫度和地表短波凈輻射之間橢圓關(guān)系模型的橢圓參數(shù)，分別表示橢圓中心橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，半長(zhǎng)軸和橢圓旋轉(zhuǎn)角，ni(i＝0，1，2，3，4)是每天的模型系數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
1.利用靜止氣象衛(wèi)星多時(shí)相觀測(cè)數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法，其特征在于：土壤水分反演模型表達(dá)式SSM＝n1·x0+n2·y0+n3·a+n4·θ+n0，其中，SSM是每天平均土壤水分，x0，y0，a和θ是白天地表溫度和地表短波凈輻射之間橢圓關(guān)系模型的橢圓參數(shù)，分別表示橢圓中心橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)，半長(zhǎng)軸和橢圓旋轉(zhuǎn)角，ni(i＝0，1，2，3，4)是每天的模型系數(shù)。2.土壤水分反演模型中的橢圓參數(shù)的獲取方法：利用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)定量反演白天時(shí)間序列(8:00-16:00)的地表溫度與地表短波凈輻射，對(duì)地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行無量綱化處理，對(duì)多時(shí)相的地表溫度與地表短波凈輻射進(jìn)行橢圓擬合，得到每個(gè)像元對(duì)應(yīng)的橢圓參數(shù)(x0，y0，a，θ)，將其作為土壤水分反演模型的輸入數(shù)據(jù)。3.土壤水分反演模型中模型系數(shù)的獲取方法：在氣象數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，利用通用陸面過程...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宋小寧，李召良，冷佩，唐伯惠，李小濤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院大學(xué)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11