本發(fā)明涉及一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時相觀測數(shù)據(jù)反演表層土壤體積含水量的方法。

背景技術(shù)：

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)星對地觀測的基礎(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的經(jīng)驗關(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行多次觀測(一天48-96個時像)，將靜止氣象衛(wèi)星這種時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)實現(xiàn)要素：

本研究的主要目標(biāo)是利用靜止氣象衛(wèi)星每日多時相的特點，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。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種利用靜止氣象衛(wèi)星多時像觀測數(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)，半長軸和橢圓旋轉(zhuǎn)角；n_i(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)定量反演白天時間序列(8:00-16:00)的地表溫度與地表短波凈輻射，對地表溫度與地表短波凈輻射進行無量綱化處理，對多時相的地表溫度與地表短波凈輻射進行橢圓擬合，得到每個像元對應(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)動下，利用通用陸面過程模型CoLM(Common Land Model)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行無量綱化處理，并進行橢圓擬合，得到橢圓參數(shù)(x₀，y₀，a，θ)，同時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SSM與橢圓參數(shù)(x₀，y₀，a，θ)進行擬合，獲得模型系數(shù)n_i(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數(shù)據(jù)與對應(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)進行擬合，獲得模型系數(shù)n_i(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。

本發(fā)明提出的表層土壤水分反演模型獨立于土壤質(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測平均土壤水分的對比；

具體實施方式

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，并計算橢圓參數(shù)。同時，對像元內(nèi)的土壤水分觀測數(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土壤水分觀測網(wǎng)絡(luò))2010多個晴天平均的土壤水分與實測的土壤水分的散點圖。