定量遥感地表通量讲座.pdf

定量辿感地表通量中国科学院地理科学 与资源研究所遥感信息界茴是地球系统 地圈生物圈大气圈的纽带ELEMENTS OF SURFACE HYDROLOGY 1 5Springs or seeps Direction of movement of water or vaporFig.2-1 The hydrologic cycle.(Courtesy of Texas Water Commission.)区域地表通量涉及全球变化三大主题 碳循环、水资源和食物纤维中的核心问题Carbon Cycle121.3:ossil Fuels&ement Production4,000Soils 1,580Surface Ocean 1,020Marine Biota 3Dissolved Organic Carbon F-Evapotranspiration植被二氧化碳同化通量模型ELA In=K LA In Ds=C-d)2%2(p82 Jz2 m(T)2(ra+rc+rm)zzk K?(z-d)2 乌图07 位+1+G)电一屹一）E=Z2Z Kra u e.-T-dzra+rc)z z2(z-d)2Om(T)2(z-d)2公任)2(%+1)(147)(00)二 G（02一%）E（二 十 匕）一 4（062）用+电）遥感地表通量监测系统反演界面之一司 Separation of LEs andUv凶this step for calculationsof seperation of LEs and LEv.physical parameters|Save in memoryC Save as fileI _Formula LEsFormula LEvbl*(1-pl)-(p2*p3)*(b3-b4)/b2)b5*(l-p4)-(p2*p3)*C(b6-b4)/b2)土壤水分利用率模型1 _ 1丁中一%=(1sp-T呼)=(T1ra-TQ+P(S,D,VAt9,as)-1-=t&v+(Lt)%+NDVI-NDVL f=-MNDVI-NDVL v UJ7 X0.061 dmp-1 dma我国北方东部九八年四月二日 气象卫 星的彩色合成影像图南四湖我国北方东部九八年四月二日 地表反射率分布图我国北方东部九八年四月二日叶积指数分布图我国北方东部九八年四月二曰 混合象元分 解的土壤表面 温度我国北方东部九八年四月二日 混合象元分解的冠层表面温度我国北方东部九八年四月二日下午二时土壤蒸发分布图我国北方东部九八年四月二日 下午二时作物蒸腾分布图我国北方东部九八年四月二日 土壤水分有效利用率分布图我国北方东部九八年四月二日 作物缺水指数分布图华北部分地区2000年3月21日14时作物蒸腾区域分异0-5050-100100-150150-200200-250250-300口华北部分地区2000年4月16日14时作物蒸腾区域分异 1 0-50m 50-100100-150 150-200|1 200-250|1 350-30000-350华北部分地区2000年4月16日14时土壤水分利用率分布0-0.102030405060708090.9-1.4,定量遥感反演作物蒸腾及 植被二氧化碳同化通量（思路2）要点 提出了有别于同南国际上多角度选感分解混合 像元地表温度的全新思路：PCACA算法以及理 论定住算法,.并a提出了二层分层能量切割算法，摆脱了难以逐个象元获取的通量阻力网参数.分解了混合象元的反黑率.联合二层分层能量 切割算法，分斛了混合象元的净辐射通量.克服了传统以Beer定律分解净辐射通量的不确 定性.元一像、J“等覆盖率线绝对干线合元面度 混像表温0 0.30 0.60 0.90覆盖率图1像元排序对比算法(PCACA)的 梯形结构和各种线和点的理论定位I I i I I I i i I I I I0.00 0.25 0.50 0.7S 10图6植被冠层表面温度一覆盖率相关散点图元被层面度K 像植冠表温0.79:5(1-而）+叫p C+-L r 4%VWp c+0.79crZ 4%0.7 S(l a3M)+oqT蚓h-(Tg/4a A0.7S(l-0 so)+bqRy +rSDa空+0.7crTSDaVDo.79S(1-%)+*力+PCpPCp+0.79次7工可操作二层蒸散模型的优化的效果308307306305 肥 嵋304303302丛 JkJMIk301 10 0.2 0.4 0.6 0,8 1 1.2覆盖率3010 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5覆盖率可操作二层蒸散模型的优化的效果 1 04 04 l i i i i i it-Dat e可操作模型的优化的效果可操作二层蒸散模型的优化的效果(1)以等零植被线和100%植被线上的气象数据和热 量平衡方程的计算，实现了干线的正确定位。以研究 区内大范围水体进行定标的方法实现了湿线的正确定 位。由于梯形框架中干线和湿线得到准确定位，从而 决定了整个梯形框架的位置，使得像元排序对比法和 分层能量切割法得以更正确开展；(2)运用地表温度非土壤水分影响参数的区域反演以 及研究区内它们的均值计算新的地表温度的方法，获 取了只受土壤水分控制的区域地表温度，从而能够使 建立的斜率方程具有坚实的物理基础，为调整前混合 像元地表温度分解(第二次地表温度分解)铺平道 路；解决了进行准确分解混合像元地表温度的关键问 题。3,通过模型的优化及其地面验证，证明了二层 模型的像元排序对比方法(PCACA)的应用 价值：也就是在模型反演中尽量避免非遥感参 数，即气温、气湿、空气动力学阻抗和水汽阻 抗。尽量利用遥感参数及其像元之间的比较，即反照率、表面温度、粗糙度、植被指数和覆 盖率和表面温度一覆盖率的散点图。虽然在非 土壤水分因素对地表温度的影响的排除中，我 们仍利用了像元尺度的非遥感参数，但是在非 遥感参数的空间扩展方法中尽量采用了像元排 序对比方法，充分发挥遥感参数在像元对比后 的相对值具有较高精度的优势通过模型的优化及其地面验证，基本证实了可 操作二层模型的基本假使的可用性：也就是热量平衡界面分为土壤表面和植被冠层 表面两层，即反照率、表面温度、粗糙度、空 气动力学阻抗、剩余阻抗、植被指数和覆盖率 分为两层；界面上空的气温、气湿和风速混合 为一层。界面以下的土壤水分供给率假设为同 源。土壤表面和植被表面的水汽阻抗在80%田 间持水量以上高端和凋萎系数以下低端均相 等。从而可以大大简化模型的反演步骤，使其 具有可操作性。jEs/m2)44.1.1-53.2L 2-60.8.8-68.4 4-74.5S80.5.5-86.6.6-927.7-97.3.3-103.33.3-112.52.5-1 21.6 1.6-1 36.8 6.8-1 62.6 2.6-387.7利用.新可操作二层模型反 演的土壤蒸发分布图LEvW/m2)o0-55.555.5-68.9 68.9-77.877.8-867 86.7-95.595.5-104.4 104.4-113.3113.3-124.5 124.5-133.3 133.3-144.5 144.5-155.6 155.6-166.8 166.8-182.3 182.3-211.2 211.2-566.9利用新可操作二层模型反 演的植被蒸腾分布图0O 0.0 5-0.06 0-0.02 O 0.06-0.08 O0.0Z-0.03 O 0.08-0.0EZZ 0.03-0.05 口 0.020.1ln 0.11-0.1Z rn o.iz-o.i4 rs n o.i*o.i5 o 0.15-0.17 0.17-0.H0.190.Z10.Z1-0.Z30.Z3-0.Z5利用新可操作二层模型反演 的植被二氧化碳同化通量Ill,今后在发展定量遥感地表通量的几个关键问题（克服遥感信 息局限性）逢威信息的局喔性b 造感数据是表面电磁波信息，具有表达界面 热量平衡状况的综合信息，然而，表达地冤相互 作用信息时，需要其他信息辅佐和建模2,送盛信息表达空间分布的优势和表达时间过程的劣势3,我国地质部对送感认识的曲折过程4,以辩证的观点对待造威，遥感不是万能也不 是无能5,造感是交叉科学、实验科学,多数反演方程是 病态的，需要多做实验，积累先验知识。关键问题b大卷辐射传输（M0DRAN4）,均匀定标场的定 标和利用大专4身波谱信息的屏畲技术2,为了模型的反演和验证基本参数的更精 确测定3,像无尺度的地表通量空间代表性的获取-I（测定像元尺度代表性地表通量值）像无尺度的地表通量会间代表性的获取一 II4,非遗感参数的同化5,空间尺度转换的基础研究6,时间尺度的尺度转换和陆面过程模型7,定量道意模型的简化和可操作化关键问题1,克服大卷辐射干扰均匀定标场的定标和 大气波谱信息的利用2,为了模型的反演和验证基本参数的更精 确测定3,像元尺度的地表通量会间代表性的获取-I（测定像元尺度代表性地表通量值）像元尺度的地表通量空间代表性的获取 一 n4,非谶感参数的同化5,变间尺度转换的基础研究6,时间尺度的尺度转换和陆面过程模型7定量遥感模型的精确化和可操作化1,克服大气辐射模型、地面定标和利用大气波谱信息的劈雷技术高、中、低反射率三靶定标法高、中、低表面温度三靶定标法劈窗技术CSWTJ劈窗技术和MODRAN4大专辐射传输法 的结合坚持长期东平湖水面定标场观测的意义东平湖星地同步观测场住于山东省东平 湖湖面.我们在2000年10月开始组织固定现 测人员进行长期定住观测.从与NOAA-AVHRR卫星同步观测发展到同时与NOAA 一 AVHRR卫星以及M01DS卫i同步观测.当这两颗卫星过境时，观测人员驾驶非机 动船，从岸边城向湖心，边3支边观测.约15 分钟.到达湖心时正值卫星过境，然后返回 岸边，也是边3史边观测.观测讲间共约30分 钟.东平湖同步观测和地面定标和验证2,为了模型的反演和验证 基未参数的更精确测定 地物出辐射率的精确测定 地物热辐射方向性的测定 地表空卷动力学阻抗的测定 地表等以粗糙度的遥感测定便携式比辐射率测定装置利用二氧化碳激光在飞机上直接测定 比辐射率二维分布的恩各地表辐射的非朗伯体CLambetJ 效应及其转换 参与热量平衡的是反照率和半球比辐射 率 方向反射率转换反照率 方向比辐射率转换为半球比辐射率 多角度逢感是信息挖掘的重要步骤地物辐射方向性观Ml,史与动力学阻力与等敕粗糙度的获取 史河分布复杂及非线性 边界层专象计算复杂：风速、粗糙度、稳定 度的曲数 模型多，急需有直接测定法的验证 直接测定装置的矢好效果 粗糙度的选感途桎，粗糙度逍感的三个阶段空军动力学阻力直接测定装置图例风速剖面测站点试验区边界线非均匀地表 空军动力学粗犍皮的新概念空气动力学地表粗糙度是指在中性稳定 大军条件下，地表上方风速为零的高度。在非中性稳定大完条件时，它受到热力 学因子的影响。人们认识和确定地表粗糙度的第阶段 是在风浪区地表完全均匀的条件下建立 的。因此，以风速和气温梯皮确定均匀 地表的风浪区空军动力学粗糙度的方法 直延续到现在。80年代末，认识进入第二阶段Taylor P.A研究发现对于水平尺皮与垂 直尺度相当的规则波浪起伏地对气流有 拖拉作用，不能运用上述均匀风浪区的 粗糙度确定方法，也不能作为抬高层嵩 度。因此提出了在较大尺皮上的等效几 何粗糙度的概念，发救了从这种起伏地 形的等效几何粗糙度估算模型。在地面 粗糙元素均匀分布时，Blumberg D.G#经建立和引用过些计算的经验模型，由于上述计算模型或算法不能估 算点表粗破元素的结而，种类，分 布的复杂性，对多地的、木规 贝L非均匀（的下垫面）地表的等 效几何粗糙度。不能考虑如何从 等效几何粗糙度转换到空军动力 事粗糙度的方法和模型。我们提出了研究复杂地表结构的 空军动力学粗糙度的新概念和计 算模型，研究已进入第三阶段。试验区地表类别图图例 水域 树 小麦 居民地与道路 裸耕地 硬质空地图2 土壤表面几何剖面摄影图像风速剖面测量实景图配准后的后向散射系教图几何特征复合因子 最高值7.75最低值0.00像元等效几何粗糙度 最高值:2714.99(cm)最低值:0.50(cm)Zad=4 浦+J。令:rj=Q 100.X Z h(x,y).(x y=01ny)+dmQ 100.(x y=01nA 7(x,y)7(x,y)m3,像元尺度的地表通量空间代表性的获取-I r测定像元尺度代表性地表通量值）以涡度相关和波文比系统作地面验证大扎径闪煌显热通量测定装 big aprtuie sciitiZom tsr)LAS 的应用原理介绍，优点缺点、使用效果注意事项,大扎径闪烁显热通量刎定装置lasA AKLAS-感热通量日变化(3.26-4.02)500450400LAS-CJ 日变化(3.26-130),cn2HECHl LA SH2 LA SThe comparison of sensible heat flux obtained by EC and LAS methods6000100400s1 300史2005000200 400H ec6003,像元尺度的地表通量空 间代表性的获取-II（克服非均匀地平流干扰的试验J华北非均匀下垫面的现实 风浪区（Fetch）的地气相互作用的原理和地表通量观测数据代表性 干热平流湿想平流干冷平流湿冷平流克服非均匀地平流干扰的试验4,非谖感参数的同化关键非超感参数：空卷温度、风速、地表粗糙度的数据融合-8维同化方法：简单线性数据内插纯教学的非线性内插考虑下垫面反债的非线性内插地专相互作用的动力学非线性内插非谖 感参数的获取代表性非送感参数的获取方法5,空间尺度转换的基础研究首先发展不同尺度的信息同时存在 的空间尺度转换运用各种手段r分形、小波等）发 使以一种尺度信息转换为另一种尺 度不同尺度的信息同时存在的空间尺度 转换的普逡模型G 户2=77 nS a t 3n-E aixi7=1nE aiyi 7=15 2 5 1 nz,11 o o o oz工 一工5 o oS5 3 3 oo0.090.080.070.060.050.040.030.020.010-0.01xl=300,x2=310；yl,y2=290：33*K)0oo 2300 5 10 15 20 25yl,y2的均方差(K)Y变量方差SPATIAL SCALING OF ALBHDO A而 LAf 23521Orn；500mLA，LAk VflitanceFIGURE 5 Relationship hlwzn LAI diflftces and tbci*vftrianoots.o曾弓 IQ AD 5a N)w 0 L 23 K L q*LI)0.00PUU3：esizeG(Band 0m):Resize0.82 resize1J0.23.25 zvariance7 J Q1 166o.血渭 gQsl*ReE o g Q I h r n M P乂 Lq*7)一0J 9P U aQQD,Resize(Band腐命用设幼味岛也Band Math(#z)monfet_LA8omN d oa H声 oZ4O La，-90r0-90r0L0噂豺EDk需仪山。堂那gnu机守 pu叫J_U_1L_a_L_j_j _ _I_a_j_1_为尺度转换自行研制的组分比辐射率测定装置6,时间尺度转换和陆面过程模 型（与陆面观测的结合，进行时间尺度转 换）蒸发比的日变化研究 波文比的日变化研究 有云覆盖时的微波逡感的辅佐陆面过程模型与 逡感模型的结合研究方法和技术路经不同时间尺度的区域陆面蒸散发量度湿流水 壤径降 土无限风光在险峰