專利名稱：基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及生態系統的監測技術領域，特別是涉及基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法及系統。
背景技術：
中國北方自然生態系統和農業生態系統普遍受水分條件脅迫，借助于遙感手段的快捷、宏觀觀測優勢，模擬、監測區域尺度的生態系統地表水熱通量是具有理論意義和實際價值的科學問題。遙感觀測是唯一可能提供區域地表水熱通量的估算手段。蒸散包括了地表水分蒸發與植物體內水分的蒸騰，它屬于地表水熱通量的一部分，是維持陸面水分平衡的重要組成部分，也是維持地表能量平衡的主要部分，是地表水分循環過程中的重要環節。準確地測定和估算蒸散量不僅對研究全球氣候演變、生態環境問題以及水資源評價等有著重要意義，而且對指導農業的排水與灌溉、監測農業旱情、提高農業水資源的利用率等意義深遠。對地表蒸散的研究成果眾多，許多學者從不同角度提取了不同的估算方法和模型。kguin和Itier以及Hatfield等嘗試利用衛星熱紅外資料計算地面輻射溫度與氣溫之差來估算大尺度區域的蒸散量；Meneti等還提出基于地表能量平衡指數SEBI來計算地表蒸散量；Roerink等提出了簡化的地表能量平衡指數(Simplified Surface Energy Balance Index, S-SEBI)，先計算得到蒸發比，然后進一步估算蒸散；Su等提出地表能量平衡系統(SEBQ用以估算地表蒸散，該方法通過確定一系列地表物理參數和建立熱傳導粗糙度模型，利用相似理論確定地表動力學特征，然后基于地表能量平衡指數(SEBI)計算蒸發比。Bastiaanssen等系統發表了利用Landsat TM資料基于地表能量平衡方程的SEBAL 模型估算區域地表蒸散量的系列論文，并被廣泛應用于美國、西班牙、巴基斯坦、埃及、斯里蘭卡、土耳其以及中國等不同氣候條件下的國家和地區；Kustas et al等也進行了利用遙感進行蒸散模型的開發應用研究。目前，利用熱紅外技術進行區域的土壤水分和旱情監測主要依據土壤水分平衡方程與能量平衡原理，通過土壤表面發射率和地表溫度的關系估算土壤水分，主要包括熱慣量法、水分指數法和缺水指數法等。熱慣量法是用熱紅外遙感技術監測土壤水分的方法，Wang et al開發了 index of water deficit (WDI)指數對黃土高原區域進行了干旱監測和等級劃分。水分指數法是利用水分在短波紅外的強吸收特性，構造水分指數進行區域旱情監測。McfTters et al.最早由TM綠光和近紅外波段組合出歸一化差異水分指數(NDWI，Normalized Difference Water Index) ；Kogan提出植被狀態指數(Vegetation Condition hdex，VCI)。缺水指數法是人們把植被實際蒸散量與潛在蒸散量之比作為作物缺水的量度指標。Jackson et al提出了作物缺水指數(Crop Water Stresslndex, CWSI)的概念，Moran et al.提出了水分虧缺指數(Water Deficit Index, WDI)。根據Courault et al. (2005)的分類，蒸散模型可分四類經驗模型法，能量剩余模型法，確定模型方法，植被指數模型法。其中能量剩余類模型是目前利用遙感數據進行區域地表通量及蒸散估算可操作性較好的一類模型。但是，上述能量剩余類模型存在如下不足1.僅能對均勻、平坦的區域地表通量及蒸散進行估算，不適用于復雜的地表特征；2.需要進行人工的干濕像元的確認，無法實現模擬區域的干濕像元的自動甄別；3.僅能對小區域進行短時間的地表能量和蒸散估算模擬。
發明內容
本發明的目的在于提供基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法及系統。其能夠結合常規地面氣象資料估算不同氣候、地形條件下的區域的地表能量和ET分布，為區域農業旱情監測提供實用技術支持。為實現本發明的目的而提供的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，所述方法，包括下列步驟步驟100.計算地表凈輻射通量凡=(1 -a)Rsi + εχσ{εαΤ -Γ；)其中，Rs ι為入射的太陽短波輻射，α為地表反照率，^s為地表比輻射率；ο是 Stefan-Boltzmann常數(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表溫度；Ta為參考高度處的空氣溫度，ε a是空氣比輻射率；步驟200.基于遙感參數反演，計算土壤熱通量
權利要求
1.基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，其特征在于，所述方法，包括下列步驟步驟100.計算地表凈輻射通量尺=(1-α風4 + σΟΛ4-Τ)其中，民ι為入射的太陽短波輻射，α為地表反照率，、為地表比輻射率…是 Stefan-Boltzmann常數(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表溫度；Ta為參考高度處的空氣溫度，ε a是空氣比輻射率；步驟200.基于遙感參數反演，計算土壤熱通量
2.根據權利要求1所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，其特征在于， 所述步驟100，包括下列步驟步驟110.計算地表反照率α ；MODIS數據采用下式計算地表反照率
3.根據權利要求1所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，其特征在于， 所述步驟300，包括下列步驟步驟310.基于相似性理論給出穩定度修正函數叫ψm(x)、ψh(x)，分別對摩擦速度u*、空氣動力學阻抗rah進行修正
4.根據權利要求3所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，其特征在于， 步驟330中，所述選取極干像元和極濕像元的判定標準是0. 1左右的MSAVI及其中最大 LST的組合對應“Hot”點；0. 8左右的MSAVI及其中最小的LST的組合對應“Cold”點。
5.根據權利要求1所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法，其特征在于， 所述步驟400，包括下列步驟基于RWSI的區域旱情指數，利用土壤濕度的旱情等級分級的國家標準，換算各時間段的RWSI的干旱等級分級標準，進行區域的干旱遙感監測。
6.基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測系統，其特征在于，所述系統，包括地表凈輻射通量計算模塊，用于計算地表凈輻射通量凡=(1-+- Τ).其中，民I為入射的太陽短波輻射，α為地表反照率，、為地表比輻射率…是 Stefan-Boltzmann常數(5. 6696 X KT8W · πΓ2 · K—4)，Ts是地表溫度；Ta為參考高度處的空氣溫度，ε a是空氣比輻射率；土壤熱通量計算模塊，用于基于遙感參數反演，計算土壤熱通量
7.根據權利要求6所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測系統，其特征在于， 所述地表凈輻射通量計算模塊，包括地表反照率計算模塊，用于計算地表反照率α ； MODIS數據采用下式計算地表反照率 α M0DIS = 0. 160 α ^0. 291 α 2+0. 243 α 3+0. 116 α 4+0. 112 α 5+0. 081 α 7_0. 0015 式中，α i，i = 1，…η分別對應衛星傳感器上的各個窄波段地表反照率； 地表比輻射率計算模塊，用于計算地表比輻射率先提取出水體，賦以水體的典型比輻射率值0. 995 ；剩下混合像元的比輻射率估算公式如下
8.根據權利要求6所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測系統，其特征在于， 所述顯熱通量計算模塊，包括修正模塊，用于基于相似性理論給出穩定度修正函數Ψω(χ)、Wh(x)，分別對摩擦速度 u*、空氣動力學阻抗rah進行修正
9.根據權利要求8所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測系統，其特征在于， 像元選取模塊中，所述選取極干像元和極濕像元的判定標準是0. 1左右的MSAVI及其中最大LST的組合對應“Hot”點；0. 8左右的MSAVI及其中最小的LST的組合對應“Cold”點。
10.根據權利要求6所述的基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測系統，其特征在于， 所述區域缺水指數計算模塊，基于RWSI的區域旱情指數，利用土壤濕度的旱情等級分級的國家標準，換算各時間段的RWSI的干旱等級分級標準，進行區域的干旱遙感監測。
全文摘要
本發明公開了基于地表水熱通量遙感反演的干旱監測方法及系統。所述方法，包括下列步驟計算地表凈輻射通量基于遙感參數反演，計算土壤熱通量利用迭代計算方法，計算顯熱通量根據所述地表通量的計算，計算區域缺水指數根據區域缺水指數RWSI，進行區域干旱程度監測。
文檔編號G01S7/48GK102176002SQ20101062366
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者高志強 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所