本發(fā)明涉及生態(tài)監(jiān)測技術領域,特別涉及一種基于熱成像技術的屋頂植被蒸散發(fā)量測定方法。
背景技術:
城市綠化面積伴隨著城市化擴大不斷減少,這直接導致城市熱島效應增強、城市徑流增大等問題。綠色屋頂植被是增加城市綠化面積的有效措施,在具備觀賞性的同時,可以有效緩解上述問題。在城市空間日益緊張,城市綠地增加有限的情況下,綠色屋頂植被以越來越受到人們的歡迎。
城市綠色屋頂植被的水量平衡是一項研究重點,基本的平衡關系是“降水=土壤含水率增加+徑流+蒸散發(fā)”。蒸散發(fā)量是綠色屋頂水量平衡重要的一環(huán),準確的對屋頂植被的蒸散發(fā)量進行測量顯得尤為重要。
目前,傳統(tǒng)上植被蒸散發(fā)的測量方法包括蒸滲儀法、波文比法和樹干液流法。蒸滲儀法,它的原理是通過稱重的方法,利用質(zhì)量平衡,計算出一定時間段內(nèi)植被蒸散發(fā)量。它的優(yōu)點是精度高,缺點是只適合實驗室小范圍使用,無法在城市綠色屋頂植被蒸散發(fā)量觀測中廣泛使用。波文比法、渦度相關法等微氣候?qū)W方法,這類方法使用尺度大,同時靈敏度高,反應速度快,但是由于混合長度的需要,這類方法適用于平坦均勻地表,對于城市綠色屋頂植被這種塊狀分布,可能存在對流干擾的環(huán)境,微氣候?qū)W方法適用效果不佳。樹干液流法,將傳感器插入樹干,測量木質(zhì)部通過的水量,從而計算出植被蒸騰量,此方法適用于喬木蒸騰量的測量。而城市綠色屋頂植被通常為草本植物,不適用于樹干液流法。
因此,急需提供一種能準確測量屋頂植被蒸散發(fā)量的方法。
技術實現(xiàn)要素:
針對以上問題,本發(fā)明專利目的在于設計了一種基于熱成像技術的屋頂植被蒸散發(fā)量測定方法,適用于觀測不規(guī)則分布的植被,不受對流干擾,可以在不接觸植被的情況下,可精準測量城市綠色屋頂蒸散發(fā)量。
本發(fā)明具體的技術方案如下:
一種基于熱成像技術的屋頂植被蒸散發(fā)量測定方法,包括如下步驟:
步驟S1,首先獲取屋頂植被的熱紅外圖像,處理分析所述熱紅外圖像得到參考植被冠層表面溫度值Tp和植被冠層表面溫度溫度值Tc;
具體的,采用Envy軟件和SmartView軟件處理分析所述熱紅外圖像,提取研究區(qū)域植被的溫度最大值作為參考植被冠層表面溫度值Tp,提取研究區(qū)域植被冠層的平均溫度作為植被冠層表面溫度溫度值Tc。
步驟S2,獲取拍攝場地的氣象數(shù)據(jù)信息;具體的,氣象數(shù)據(jù)信息包括氣溫Ta、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量Rn、參考土壤的凈輻射量Rnd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、參考土壤的土壤熱通量Gd、蒸發(fā)土壤面的表面溫度Ts、參考土壤的表面溫度Tsd、植被的凈輻射量Rp、參考植被凈輻射量Rnp。
步驟S3,基于所述氣象數(shù)據(jù)信息以及參考植被冠層表面溫度值Tp和植被冠層表面溫度溫度值Tc計算得到植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E;
所述植物蒸騰速率T根據(jù)以下公式得到:
T=Rp-Rnp(Tc-Ta)/(Tp-Ta);
所述土壤蒸發(fā)速率E根據(jù)以下公式得到:
E=Rn-G-(Rnd-Gd)(Ts-Ta)/(Tsd-Ta);
其中,T為植物蒸騰速率,單位為W/m2;Rp為植被的凈輻射量,單位為W/m2;Rnp為參考植被凈輻射量,單位為W/m2;Tc為植被冠層表面溫度溫度值,單位為K;Tp為參考植被冠層表面溫度值,單位為K;Ta為氣溫,單位為K;其中,E為土壤蒸發(fā)速率,單位為W/m2;Rn為蒸發(fā)土壤面的凈輻射量,單位為W/m2;Rnd為參考土壤的凈輻射量,單位為W/m2;G為蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量,單位為W/m2;Gd為參考土壤的土壤熱通量,單位為W/m2;Ts為蒸發(fā)土壤面的表面溫度,單位為K;Tsd為參考土壤的表面溫度,單位為K。
步驟S4,根據(jù)所述植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E得到屋頂植被蒸散發(fā)速率ET,以及進一步得到屋頂植被蒸散發(fā)量Ev;
所述屋頂植被蒸散發(fā)速率ET根據(jù)以下公式得到:
ET=(1-f)*E+f*T;
其中,ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率,單位為W/m2;E為土壤蒸發(fā)速率,單位為W/m2;T為植物蒸騰速率,單位為W/m2;f為植被覆蓋率。
所述屋頂植被蒸散發(fā)量Ev根據(jù)以下公式得到:
Ev=ET*T*S/[2500.78-2.36*(Ta-273.15)*106];
其中,Ev為屋頂植被蒸散發(fā)量,單位為g;ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率,單位為W/m2;T為觀測時間,單位為s;S為屋頂總面積,單位為m2;Ta為氣溫,單位為K。
具體的,所述觀測時間T應不大于120分鐘。
附圖說明
以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明,其中:
圖1是本發(fā)明一種基于熱成像技術的屋頂植被蒸散發(fā)量測定方法的流程圖
圖2是本發(fā)明的實施例一的熱紅外圖像圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明提出了一種基于熱成像技術的屋頂植被蒸散發(fā)量測定方法,請參閱圖1,包括如下步驟:
步驟S1,獲取屋頂植被的熱紅外圖像,處理分析所述熱紅外圖像得到參考植被冠層表面溫度值Tp和植被冠層表面溫度溫度值Tc。
具體的,所述熱紅外圖像利用手持式熱紅外成像儀在研究區(qū)域正上方拍攝,或者利用無人機搭載機載式熱紅外成像儀在研究區(qū)域正上方拍攝得到。
對拍攝的熱紅外圖像進行分析處理,采用Envy軟件和SmartView軟件處理分析所述熱紅外圖像,提取研究區(qū)域植被的溫度最大值作為參考植被冠層表面溫度值Tp,提取研究區(qū)域植被冠層的平均溫度作為植被冠層表面溫度溫度值Tc。
步驟S2,獲取拍攝場地的氣象數(shù)據(jù)信息。
具體的,所述氣象數(shù)據(jù)信息包括氣溫Ta、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量Rn、參考土壤的凈輻射量Rnd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、參考土壤的土壤熱通量Gd、蒸發(fā)土壤面的表面溫度Ts、參考土壤的表面溫度Tsd、植被的凈輻射量Rp、參考植被凈輻射量Rnp。
步驟S3,基于所述氣象數(shù)據(jù)信息以及參考植被冠層表面溫度值Tp和植被冠層表面溫度溫度值Tc計算得到植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E。
具體的,所述植物蒸騰速率T根據(jù)以下公式得到:
T=Rp-Rnp(Tc-Ta)/(Tp-Ta);
其中,T為植物蒸騰速率,單位為W/m2;Rp為植被的凈輻射量,單位為W/m2;Rnp為參考植被凈輻射量,單位為W/m2;Tc為植被冠層表面溫度溫度值,單位為K;Tp為參考植被冠層表面溫度值,單位為K;Ta為氣溫,單位為K。
所述土壤蒸發(fā)速率E根據(jù)以下公式得到:
E=Rn-G-(Rnd-Gd)(Ts-Ta)/(Tsd-Ta);
其中,E為土壤蒸發(fā)速率,單位為W/m2;Rn為蒸發(fā)土壤面的凈輻射量,單位為W/m2;Rnd為參考土壤的凈輻射量,單位為W/m2;G為蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量,單位為W/m2;Gd為參考土壤的土壤熱通量,單位為W/m2;Ts為蒸發(fā)土壤面的表面溫度,單位為K;Tsd為參考土壤的表面溫度,單位為K;Ta為氣溫,單位為K。
凈輻射值Rp、Rnp、Rn、Rnd可以利用凈輻射儀自行測量或者根據(jù)當日最大輻射值計算得出,或者從官方氣象站獲得此數(shù)據(jù)。土壤熱通量G如果無法獲取,可另其等于20%的凈輻射值Rn。
蒸發(fā)土壤面的表面溫度Ts、參考土壤的表面溫度Tsd為其平均值。
步驟S4,根據(jù)所述植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E得到屋頂植被蒸散發(fā)速率ET,以及進一步得到屋頂植被蒸散發(fā)量Ev。
具體的,所述屋頂植被蒸散發(fā)速率ET根據(jù)以下公式得到:
ET=(1-f)*E+f*T;
其中,ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率,單位為W/m2;E為土壤蒸發(fā)速率,單位為W/m2;T為植物蒸騰速率,單位為W/m2;f為植被覆蓋率。
植被覆蓋率f若為100%,可忽略土壤蒸發(fā)率E,認為綠色屋頂蒸散發(fā)量等于植被蒸騰量。
進一步,所述屋頂植被蒸散發(fā)量Ev根據(jù)以下公式得到:
Ev=ET*T*S/[2500.78-2.36*(Ta-273.15)*106];
其中,Ev為屋頂植被蒸散發(fā)量,單位為g;ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率,單位為W/m2;T為觀測時間,單位為s;S為屋頂總面積,單位為m2;Ta為氣溫,單位為K。
所述觀測時間T應不大于120分鐘,否則長時間的測量會出現(xiàn)結(jié)果偏差。
具體實施例一:
請參閱圖2,為本發(fā)明實施例中待計算其蒸散發(fā)量的綠色屋頂植被的紅外遙感圖像,拍攝時間為上午8點整,在拍攝植被熱紅外圖像時,要盡量在植被上方垂直向下拍攝。
具體步驟如下:
一、利用紅外遙感技術,在綠色屋頂種植區(qū)域正上方拍攝熱紅外圖像;根據(jù)植被覆蓋率f,判斷是否需要將土與植被分離。從而分別進行計算。若植被覆蓋率f幾乎為100%,可忽略土壤水分的蒸發(fā)速率E,視研究區(qū)域蒸散發(fā)速率ET約等于植被蒸騰速率T,無需分離土壤與植被;若植被覆蓋率f較低,視研究區(qū)域蒸散發(fā)速率ET等于植被蒸騰速率T和土壤水分蒸發(fā)速率E的和,需要利用Envy軟件將植被和土壤區(qū)域分離,然后分別計算。在本實例中,植被覆蓋率f約為100%,無需分別植被和土壤,即:ET=T。
二、從氣象站獲取相關氣象數(shù)據(jù),包括研究區(qū)域氣溫Ta、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量Rn、無蒸發(fā)土壤參考土壤的凈輻射量Rnd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、無蒸發(fā)土壤參考土壤的土壤熱通量Gd、植被的凈輻射量Rn、參考植被凈輻射量Rnp。本實例中,氣溫Ta值為295.55K,植被的凈輻射量Rn等于參考植被凈輻射量Rnp,值為134W/m2。
三、利用三溫模型計算綠色屋頂蒸散發(fā)量。本實例中,研究區(qū)域植被的相關溫度Tp和Tc均通過Envy軟件和紅外熱成像儀配套軟件SmartView,處理植被熱紅外遙感圖像獲得,其中,參考植被冠層表面溫度Tp值,取研究區(qū)域植被溫度最大值,為298.71K;植被冠層表面溫度溫度Tc用研究區(qū)域植被冠層平均溫度表示,為296.32K。則綠色屋頂瞬時蒸發(fā)速率ET:ET=T=Rn-Rnp(Tc-Ta)/(Tp-Ta)=101.35W/m2
四、計算綠色屋頂蒸散發(fā)量。本實例中,觀測時間T取3600s,觀測區(qū)域面積是是一塊半徑為0.25m的原型樣地,因此綠色屋頂面積S值為0.049m2,氣溫Ta同步驟二中氣溫值。帶入公式,可計算出此樣地上午8點到9點蒸散發(fā)總量:
Ev=ET*T*S/[2500.78-2.36*(Ta-273.15)*106]=29.250g。
為驗證本專利方法的可靠性,從上午8點到下午5點,利用本方法和土壤蒸滲儀法(通常應用于實驗室條件下測定植被蒸散發(fā)量,應用范圍小,但結(jié)果準確,認為其測定值為真實值)同時對綠色屋頂樣地的蒸散發(fā)量進行測定,兩者線性相關系數(shù)R為0.7393。因此,本專利提出的利用熱紅外技術測定綠的屋頂蒸散發(fā)量的方法不僅結(jié)果精確,同時步驟簡單、適用范圍廣。
以上所述本發(fā)明的具體實施方式,并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術構(gòu)思所做出的各種其他相應的改變與變形,均應包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。