CN114166283A - 一种基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法，包括采集模块、遥感模块、反演模块、数据处理模块、数据储存模块和控制模块。本方案通过采集模块中传感器单元和人机交互单元可以获得各方面详细数值和较为直接的地表蒸散数值，进而提供了直接测算和间接测算的两种方法，使得数据采集更加全面；通过遥感模块中，红外遥感和微波遥感的配合，可以适应更多气候条件，在阴雨天也能取得图像数据；在遥感反演中使用高光谱提高地表温度反演精度，本发明从多方面获取参数，并且更为系统、全面进行评估、检验，提高了测算结果的精度。

Description

一种基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法

技术领域

本发明涉及地表蒸散技术领域，具体而言，涉及一种基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法。

背景技术

地表蒸散发通常是指土壤蒸发和植物蒸腾的总和，是土壤-植物-大气连续体系中水分运动的重要过程，是农作物生长发育至关重要的水分和能量来源，是陆面生态系统与水文过程的重要纽带,其强度大小与下垫面条件、植物等有密切的关系。

目前，遥感蒸散发估算方法有一源模型、二源模型和地表温度－植被指数三角形/梯形模型。由于地表温度不仅受土壤含水量的影响，还受太阳辐射、空气温度、相对湿度和风速等气象要素的影响，热红外遥感可以获得大面积地表辐射和温度状况,直接提供SPAC的界面能量信息,多光谱多角度的遥感资料可反演蒸散量估算所涉及的下垫面特征参数,多时相的热惯量遥感可反映土壤和植被水分状况。卫星遥感被认为是局地、区域乃至全球尺度蒸散量估算的有力工具。但是,由于地表辐射和水热通量在时空上存在很大的非均匀性,而某一特定地区陆面状况的初始值和水文、生物、物理参数值往往难以确定,且测量的物理机制、参数化方案和数值计算方法等也存在缺陷,因此,蒸散发的测量精度往往不能满足实际需求,需要进行更为系统全面的评估、检验和对测量进行改进，因此我们需要一种新的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法，以改善相关技术中的蒸散发的测量精度往往不能满足实际需求,需要进行更为系统全面的评估、检验和对模型进行改进，因此我们需要一种新的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法问题。

为了实现上述目的，一方面本发明提供了一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，包括采集模块，采集模块包括传感器单元和人机交互单元，用于采集测算区域内土壤、植被和气象的数据采集；

遥感模块，遥感模块包括红外短波单元和微波遥感单元，用于对测算区域卫星遥感多种类综合成像；

反演模块，用于对遥感数据进行反演，得到真实数据；

数据处理模块，数据处理模块与采集模块、遥感模块和反演模块连接，用于对各数据值进行运算；

数据存储模块，数据存储模块与数据处理模块、采集模块、遥感模块和反演模块连接，数据存储模块用于保存并整理测算中各原始数值和结果数值；

控制模块，控制模块与数据存储模块、数据处理模块、采集模块、遥感模块和反演模块连接，控制模块用于各种数值的获取、反演和计算。

在本发明的一种实施例中，传感器单元包括多层土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、土壤蒸发量传感器和多层土壤酸碱度传感器，多层土壤温度湿度传感器插入待测的土壤中，二氧化碳传感器设置在待测土壤的上方，风速传感器可以根据需要设置于植被或灌木的上方、树木的中下部监测植物的通风情况，土壤蒸发量传感器设置于土壤地表的上方和多层土壤酸碱度传感器需插入待测的土壤中。

在本发明的一种实施例中，人机交互单元设置现有的地表蒸散测量相关装置，包括蒸渗仪、植物液流仪和涡动相关仪。

在本发明的一种实施例中，采集模块连接有电源模块，电源模块包括电路单元和蓄电单元；蓄电单元用于存储电能，并为传感器单元和人机交互单元中使用的观测仪器供电。

在本发明的一种实施例中，遥感模块连接有解译模块，解译遥感短波红外反射率数据得到反射率数据，遥感短波红外反射率数据为长时间序列的遥感短波红外反射率数据。

在本发明的一种实施例中，反演模块设置为遥感反演模块，反演模块包括模型构建单元，用于依据样本数据，建立与待检测遥感反演结果相对应的真实值预测模型；样本数据为遥感反演的历史真实值；预测单元，用于利用真实值预测模型，预测与待检测遥感反演结果相对应的真实值；检测单元，用于比较遥感反演结果与真实值，检测遥感反演结果的精度。

在本发明的一种实施例中，在地表温度反演中设置高光谱成像装置，用于提高地表温度反演精度。

第二方面，还提出一种基于遥感的地表蒸散发测算方法，具体包括以下步骤：

S1.采集测算区域内的土壤、植被、气象的参数，同时利用卫星遥感识别成像；

S2.进行遥感反演，检测遥感反演结果的精度；

S3.将真实数值利用公式运算得到测算结果。

在本发明的一种实施例中，当测算区域阴雨天时，主要使用微波遥感进行地表蒸散的图像捕捉。

在本发明的一种实施例中，进行遥感反演时，运用高光谱提高地表温度反演精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过上述设计的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法，使用时，通过采集模块中传感器单元和人机交互单元可以获得各方面详细数值和较为直接的地表蒸散数值，进而提供了直接测算和间接测算的两种方法，使得数据采集更加全面；通过遥感模块中，红外遥感和微波遥感的配合，可以适应更多气候条件，在阴雨天也能取得图像数据；在遥感反演中使用高光谱提高地表温度反演精度，本发明从多方面获取参数，并且更为系统、全面进行评估、检验，提高了测算结果的精度。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法的系统示意图；

图2为根据本发明实施例提供的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法的采集模块示意图；

图3为根据本发明实施例提供的基于遥感的地表蒸散发测算系统及测算方法的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

请参阅图1-图2，本发明提供了一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，包括采集模块，采集模块包括传感器单元和人机交互单元，用于采集测算区域内土壤、植被和气象的数据采集；传感器单元包括多层土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、土壤蒸发量传感器和多层土壤酸碱度传感器，多层土壤温度湿度传感器插入待测的土壤中，二氧化碳传感器设置在待测土壤的上方，风速传感器可以根据需要设置于植被或灌木的上方、树木的中下部监测植物的通风情况，土壤蒸发量传感器设置于土壤地表的上方和多层土壤酸碱度传感器需插入待测的土壤中。通过传感器单元的设置，可对植被系统的生存环境参数数据进行分层同步、实时定位监测，提高了地表蒸散发测算基础数值的全面度和精确度，为后续数值比对以及遥感反演节省了时间和精力。

人机交互单元设置现有的地表蒸散测量相关装置，包括蒸渗仪、植物液流仪和涡动相关仪。直接使用观测装置，可以直接获得地表蒸散发的数值，但是由于这些观测仪器只能依据特定区域，因此在其他方面不具备较好的准确度，但是在本发明中，利用观测仪的有点与传单器单元获得的具体数据互相印证，进而提高采集模块获得的数值的准确性和真实性。

需要说明的是，采集模块中使用的传感器和观测仪器可根据测算区域具体情况进行选择和更换

采集模块连接有电源模块，电源模块包括电路单元和蓄电单元；蓄电单元用于存储电能，并为传感器单元和人机交互单元中使用的观测仪器供电。蓄电单元包括光伏板和蓄电池，由于传感器单元所使用环境多为户外，因此使用光伏板将日光转化为电能为传感器供电，并利用蓄电池在晚上或者阴雨天气为传感器单元和人机交互单元中使用的观测仪器供电。电路单元包括充电控制电路、放电控制电路、电源转换电路和电源电子开关，充电控制电路和放电控制电路分别与控制模块和蓄电池连接，用于在控制模块的作用下对蓄电池的充放电进行管理，电源转换电路用于将电源模块的电能转换为与传感器单元、数据采集模块、控制模块和数据存储模块的供电电压匹配的电压，电源电子开关用于在控制模块控制下对电源模块进行定时启动或关闭。

遥感模块，遥感模块包括红外短波单元和微波遥感单元，用于对测算区域卫星遥感多种类综合成像；遥感模块连接有解译模块，解译遥感短波红外反射率数据得到反射率数据，遥感短波红外反射率数据为长时间序列的遥感短波红外反射率数据。通过遥感模块中，红外遥感和微波遥感的配合，可以适应更多气候条件，在阴雨天也能取得图像数据。

反演模块，用于对遥感数据进行反演，得到真实数据；反演模块设置为遥感反演模块，反演模块包括模型构建单元，用于依据样本数据，建立与待检测遥感反演结果相对应的真实值预测模型；样本数据为遥感反演的历史真实值；预测单元，用于利用真实值预测模型，预测与待检测遥感反演结果相对应的真实值；检测单元，用于比较遥感反演结果与真实值，检测遥感反演结果的精度。在地表温度反演中设置高光谱成像装置，用于提高地表温度反演精度。

数据处理模块，数据处理模块与采集模块、遥感模块和反演模块连接，用于对各数据值进行运算；数据存储模块，数据存储模块与数据处理模块、采集模块、遥感模块和反演模块连接，数据存储模块用于保存并整理测算中各原始数值和结果数值。

控制模块，控制模块与数据存储模块、数据处理模块、采集模块、遥感模块和反演模块连接，控制模块用于各种数值的获取、反演和计算。控制模块包括显示器、运算器和通信器，显运算器采用CPU、MCU或MMU，通信器为控制模块与外界进行通信、模型下载和调试的入口。

本发明提出的系统建立较为全面的数据捕捉网，从各方面间接货直接获得地表蒸散发测算数值，提高了数值的准确性和真实性，缩短了数值对比和遥感反演所需的时间和精力。

需要说明的是：多层土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、土壤蒸发量传感器和多层土壤酸碱度传感器、蒸渗仪、植物液流仪和涡动相关仪、光伏板、蓄电池、显示器、运算器和通信器的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘述。

多层土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、土壤蒸发量传感器和多层土壤酸碱度传感器、蒸渗仪、植物液流仪和涡动相关仪、光伏板、蓄电池、显示器、运算器和通信器其供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。

一种基于遥感的地表蒸散发测算方法，具体包括以下步骤：

S1.采集测算区域内的土壤、植被、气象的参数，同时利用卫星遥感识别成像；

S2.进行遥感反演，检测遥感反演结果的精度；

S3.将真实数值利用公式运算得到测量结果。

在获取众多数据和图像后，基于卫星遥感图像遥感反演得到地表特性参数和植被覆盖度，进行遥感反演时，运用高光谱提高地表温度反演精度。

蒸散量是水循环体系中的一个重要因素，利用遥感数据进行蒸散量计算的模型较多，可分为四大类：①经验公式直接估算法；②能量守恒残差法；③确定模型法；④植被指数法。经验公式直接估算法和植被指数都有其自身的假设条件和限制，而确定模型法较为复杂，需要的参数较多。由于具体计算公式种类有多种，且均为公开的计算公式，每个特定区域所使用最佳公式也不相同，因此本发明在此不做限制。

本发明提出的方法中，当测算区域阴雨天时，主要使用微波遥感进行地表蒸散的图像捕捉，进行遥感反演时，运用高光谱提高地表温度反演精度，从而提高测算的精度，使得测算结果更为准确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，包括：

采集模块，所述采集模块包括传感器单元和人机交互单元，用于采集测算区域内土壤、植被和气象的数据采集；

遥感模块，所述遥感模块包括红外短波单元和微波遥感单元，用于对测算区域卫星遥感多种类综合成像；

反演模块，用于对遥感数据进行反演，得到真实数据；

数据处理模块，所述数据处理模块与所述采集模块、所述遥感模块和所述反演模块连接，用于对各数据值进行运算；

数据存储模块，所述数据存储模块与所述数据处理模块、所述采集模块、所述遥感模块和所述反演模块连接，所述数据存储模块用于保存并整理测算中各原始数值和结果数值；

控制模块，所述控制模块与所述数据存储模块、所述数据处理模块、所述采集模块、所述遥感模块和所述反演模块连接，所述控制模块用于各种数值的获取、反演和计算。

2.如权利要求1所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，所述传感器单元包括多层土壤温度湿度传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、土壤蒸发量传感器和多层土壤酸碱度传感器，所述多层土壤温度湿度传感器插入待测的土壤中，二氧化碳传感器设置在待测土壤的上方，风速传感器可以根据需要设置于植被或灌木的上方、树木的中下部监测植物的通风情况，土壤蒸发量传感器设置于土壤地表的上方和多层土壤酸碱度传感器需插入待测的土壤中。

3.如权利要求1所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，所述人机交互单元设置现有的地表蒸散测量相关装置，包括蒸渗仪、植物液流仪和涡动相关仪。

4.如权利要求1所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，所述采集模块连接有电源模块，所述电源模块包括电路单元和蓄电单元；所述蓄电单元用于存储电能，并为所述传感器单元和所述人机交互单元中使用的观测仪器供电。

5.如权利要求1所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，所述遥感模块连接有解译模块，解译遥感短波红外反射率数据得到反射率数据，遥感短波红外反射率数据为长时间序列的遥感短波红外反射率数据。

6.如权利要求1所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，所述反演模块设置为遥感反演模块，所述反演模块包括模型构建单元，用于依据样本数据，建立与待检测遥感反演结果相对应的真实值预测模型；所述样本数据为遥感反演的历史真实值；预测单元，用于利用所述真实值预测模型，预测与所述待检测遥感反演结果相对应的真实值；检测单元，用于比较所述遥感反演结果与所述真实值，检测所述遥感反演结果的精度。

7.如权利要求6所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算系统，其特征在于，在地表温度反演中设置高光谱成像装置，用于提高地表温度反演精度。

8.一种基于遥感的地表蒸散发测算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.采集测算区域内的土壤、植被、气象的参数，同时利用卫星遥感识别成像；

S2.进行遥感反演，检测遥感反演结果的精度；

S3.将真实数值利用公式运算得到测算结果。

9.如权利要求8所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算方法，其特征在于，当测算区域阴雨天时，主要使用微波遥感进行地表蒸散的图像捕捉。

10.如权利要求8所述的一种基于遥感的地表蒸散发测算方法，其特征在于，进行遥感反演时，运用高光谱提高地表温度反演精度。

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