CN106291504A - 一种利用静止气象卫星多时相观测数据反演表层土壤体积含水量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用静止气象卫星多时相观测数据反演表层土壤体积含水量的方法，主要包括：土壤水分反演模型；利用静止气象卫星数据定量反演地表温度与地表短波净辐射，对地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理，对多时相的地表温度与地表短波净辐射进行椭圆拟合，得到每个像元对应的椭圆参数，将其作为土壤水分反演模型的输入数据；模型系数的获取方法；对地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理的具体要求。本发明解决了当前的光学和热红外遥感土壤水分反演方法因极轨卫星数据信息的缺乏所遇到的问题。

Description

一种利用静止气象卫星多时相观测数据反演表层土壤体积含水量的方法
技术领域
本发明涉及一种利用静止气象卫星多时相观测数据反演表层土壤体积含水量的方法。
背景技术
土壤水分是水分平衡和能量平衡的关键参数之一，是联系地表水、地下水和生物地球循环的核心和纽带，在水文、气候、农业和生态等研究领域都具有十分重要的作用。当前的光学和热红外遥感土壤水分反演方法，它们大多数均是在极轨卫星对地观测的基础上发展而来。极轨卫星数据信息(一天最多一至二幅)的缺乏，一定程度上导致了遥感土壤水分反演中存在的某些问题迟迟得不到很好的解决，如通常需要建立遥感反演的地表参数(热惯量，温度植被干旱指数以及蒸散发等)与地表土壤水分观测的经验关系来反演区域土壤水分，无法直接反演得到定量的土壤体积含水量等。考虑到静止气象卫星能够对地表每天进行多次观测(一天48-96个时像)，将静止气象卫星这种时间信息和空间信息结合起来，发展直接定量反演表层土壤水分方法，是一条获取区域土壤水分信息的新思路。
发明内容
本研究的主要目标是利用静止气象卫星每日多时相的特点，通过提取与土壤水分密切相关的地表参数日变化信息，发展一种新的基于静止气象卫星数据直接定量反演自然地表植被与土壤质地连续变化条件下的表层土壤体积含水量的方法。
本发明是这样实现的，一种利用静止气象卫星多时像观测数据反演表层土 壤体积含水量的方法，包括：
A、土壤水分反演模型表达式：
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是白天地表温度和地表短波净辐射之间椭圆关系模型的椭圆参数，分别表示椭圆中心横坐标，纵坐标，半长轴和椭圆旋转角；ni(i＝0，1，2，3，4)是每天的模型系数。
B、椭圆参数的获取
利用静止气象卫星数据定量反演白天时间序列(8:00-16:00)的地表温度与地表短波净辐射，对地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理，对多时相的地表温度与地表短波净辐射进行椭圆拟合，得到每个像元对应的椭圆参数(x0，y0，a，θ)，将其作为土壤水分反演模型的输入数据。
C、模型系数的获取
方法一：在气象数据的驱动下，利用通用陆面过程模型CoLM(Common Land Model)模拟不同下垫面条件下的地表温度、地表短波净辐射与土壤水分。将模拟的地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理，并进行椭圆拟合，得到椭圆参数(x0，y0，a，θ)，同时将模拟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)对SSM与椭圆参数(x0，y0，a，θ)进行拟合，获得模型系数ni(i＝0，1，2，3，4)；
方法二：在气象数据不满足CoLM模拟需求的情况下，利用至少五组地表土壤水分观测数据与对应的遥感数据获得的椭圆参数(x0，y0，a，θ)，利用上面的公式(1)进行拟合，获得模型系数ni(i＝0，1，2，3，4)。
D、表层土壤水分反演
利用获取的模型系数与遥感数据得到的椭圆参数，利用土壤水分反演模型(1) 直接计算表层土壤水分含量(m3/m3)。
步骤B和C中所述无量纲化处理，设置的最大和最小地表温度分别是325K和275K，设置的最大和最小地表短波净辐射分别是1200W/m2和0W/m2。
本发明提出的表层土壤水分反演模型独立于土壤质地，能够直接定量反演自然地表(植被覆盖度小于0.7，土壤中粘土含量低于30％条件下)表层土壤水分。
附图说明
图1是发展土壤水分反演模型的研究流程图；
图2是利用静止气象卫星数据与地表土壤水分观测数据获取模型系数的方法示意图；
图3是基于欧洲第二代静止气象卫星与地表土壤水分观测数据获得的模型系数反演的研究区多天平均土壤水分与实测平均土壤水分的对比；
具体实施方式
图1显示了发展本研究的土壤水分反演模型的研究流程图。在数据模拟中，我们考虑了不同的植被覆盖度，土壤质地和土壤水分。在得到模拟数据后，我们利用一个多元线性逐步回归的方法，确定了土壤水分反演模型中的椭圆参数(x0y0，a，θ)。
图2显示了利用静止气象卫星数据与地表土壤水分观测数据获取模型系数的方法。其中，晴天条件下静止气象卫星数据反演的地表温度和地表短波净辐射进行无量纲化处理，利用最小二乘法拟合得到地表温度和地表短波净辐射的椭圆关系模型，并计算椭圆参数。同时，对像元内的土壤水分观测数据择取平均值，表示该像元日平均土壤水分。
图3是利用图2方法获得了模型系数之后，基于欧洲第二代静止气象卫星数据反演的研究区(西班牙REMEDHUS土壤水分观测网络)2010多个晴天平均的土壤水分与实测的土壤水分的散点图。

Claims (4)

1.利用静止气象卫星多时相观测数据反演表层土壤体积含水量的方法，其特征在于：土壤水分反演模型表达式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是白天地表温度和地表短波净辐射之间椭圆关系模型的椭圆参数，分别表示椭圆中心横坐标，纵坐标，半长轴和椭圆旋转角，ni(i＝0，1，2，3，4)是每天的模型系数。
2.土壤水分反演模型中的椭圆参数的获取方法：利用静止气象卫星数据定量反演白天时间序列(8:00-16:00)的地表温度与地表短波净辐射，对地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理，对多时相的地表温度与地表短波净辐射进行椭圆拟合，得到每个像元对应的椭圆参数(x0，y0，a，θ)，将其作为土壤水分反演模型的输入数据。
3.土壤水分反演模型中模型系数的获取方法：在气象数据的驱动下，利用通用陆面过程模型CoLM(Common Land Model)模拟不同下垫面条件下的地表温度、地表短波净辐射与土壤水分，将模拟的地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理，并进行椭圆拟合，得到椭圆参数(x0，y0，a，θ)，同时将模拟的土壤水分取平均值得到每天平均土壤水分(SSM)，利用土壤水分反演模型对SSM与椭圆参数(x0，y0，a，θ)进行拟合，获得模型系数ni(i＝0，1，2，3，4)；在气象数据不满足CoLM模拟需求的情况下，利用至少五组地表土壤水分观测数据与对应的遥感数据获得的椭圆参数(x0，y0，a，θ)，利用土壤水分反演模型进行拟合，获得模型系数ni(i＝0，1，2，3，4)。
4.地表温度与地表短波净辐射进行无量纲化处理的具体要求：设置的最大和最小地表温度分别是325K和275K，设置的最大和最小地表短波净辐射分别是1200W/m2和0W/m2。
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