地表能量平衡切分方法、系统、电子设备及介质

技术领域

本发明涉及地表能量平衡分量测量方法技术领域，尤其是涉及一种考虑地面基准温度的地表能量平衡分量测量方法、系统、电子设备及介质。

背景技术

地表能量平衡是描述陆地表面辐射、水分及能量交互作用的基本方程，能够很好地表征地表辐射与能量各个分量的配额情况，是科学配置水、热、光等自然资源的物理基础，在生态学、水文学、气象学、地理学及农学等众多学科中占有核心地位，在水资源管理、农业生产、生态文明建设等社会经济领域都发挥着重要作用。地表能量平衡包括土壤热通量、土壤蒸发、植被蒸腾、土壤显热及植被显热等分量，这些分量发生于陆地表面下垫面不同的组成部分，所产生的物理机理也很不相同，因此，准确测量能量平衡各个分量并非易事。遥感技术的飞速发展，为准确测量地表水、热及能量相关的物理参量提供了极大可能，与地面气象台站观测资料相结合，可以准确估计地表能量平衡的各个分量。

当前，地表能量平衡各分量遥感测量的难点在于显热通量和地表蒸散及其组分，主要遥感方法包括：1)统计方法，依据地表显热与地表蒸散观测与地表参量遥感产品之间的统计模型估算地表能量平衡的各个分量，原理简单、操作方便、但是因为统计建模中假设过于简化，适用范围具有相当的局限性，实际估算结果误差较大；2)特征空间法，通过植被指数与地表温度、地表反照率分别构成散点空间，在土壤可利用水分等值线的假设下，通过定位对应零和潜在蒸散的裸土和冠层，利用裸土温度、冠层温度与地表温度之间的线性插值求取地表能量平衡的各个分量，该方法不需要过多的气象要素，但如何获取理想的干边和湿边成为特征空间法进一步发展的重要障碍；3)耦合遥感的传统方法，结合遥感提供的净辐射、土壤热通量、阻抗等地表参数，将针对单点或田间尺度的物理概念明确的传统方法拓展到非均匀区域，但涉及植被生理等众多参数不宜通过遥感手段获得，复杂下垫面土壤和冠层阻抗网络计算比较经验化；4)双源模型，需要多角度热红外数据反演组分温度，很多遥感不具备多角度观测能力，在实际应用中受到很大限制。

为了基于坚实理论基础实现能量平衡的快速切分，避免地表组分温度分解需要多角度观测的尴尬，降低干湿边定位所导致的地表能量平衡分量估算误差，充分利用遥感技术强大的地表参量观测能力，为了减少地表能量平衡分量估算中对输入数据的需求，为了方便快捷地测量地表能量平衡分量，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地表能量平衡切分方法、系统、电子设备及介质，以期克服或者部分克服现有地表能量平衡切分方法存在的不足。

为克服上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

第一方面，本发明实施例提供了一种地表能量平衡切分方法，包括如下步骤：

S1：地表温度组分分解；

S2：基于S1构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程；

S3：基于S2的平衡方程求解地面基准温度；

S4：基于S3地面基准温度切分地表能量平衡。

在一个实施例中，所述S1：地表温度组分分解，具体为：

式中，T

在一个实施例中，所述S2：基于S1构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程，包括：

构建地表蒸散及其组分之间的平衡方程，具体为：

式中，SR↓表示向下的太阳入射短波辐射(W/m

上式的左边是利用研究区极干裸土基准温度、极湿裸土基准温度、极干植被基准温度、极湿植被基准温度四个地面基准温度切分地面净辐射获取的地表蒸散(W/m

构建地表显热通量及其组分之间的平衡方程，具体为：

上式的左边是利用研究区极干裸土基准温度、极湿裸土基准温度、极干植被基准温度、极湿植被基准温度四个地面基准温度切分地面净辐射获取的地表显热通量(W/m

在一个实施例中，所述S3：基于S2的平衡方程求解地面基准温度，可以基于地表蒸散及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度，具体为：

式中，I表示参与计算的数据组数，i表示参与计算的第i组数据，k表示迭代次数；

也可基于地表显热通量及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度，具体为：

式中，I表示参与计算的数据组数，i表示参与计算的第i组数据，k表示迭代次数。

在一个实施例中，所述S4：基于S3地面基准温度切分地表能量平衡，具体为：

式中，ET

第二方面，本发明实施例提供了一种地表能量平衡切分系统，用于执行上述第一方面所述的一种地表能量平衡切分方法，包括：温度组分模块、组分平衡模块、基准温度模块、切分能量模块；

所述温度组分模块，用于执行上述第一方面所述的地表温度组分分解；

所述组分平衡模块，用于执行上述第一方面所述的基于地表温度组分构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程；

所述基准温度模块，用于执行上述第一方面所述的基于地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度；

所述切分能量模块，用于执行上述第一方面所述的基于地面基准温度切分地表能量平衡。

第三方面，本发明实施例提供了一种地表能量平衡切分电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序时实现上述第一方面所述地表能量平衡切分方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种地表能量平衡切分计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述地表能量平衡切分方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)基于地表热通量及其组分之间的能量平衡，实现了地表能量平衡分量传统遥感模型中干湿限的迭代求解，所求地面基准温度既满足能量平衡，又满足地表辐射平衡；

2)实现了地表能量平衡分量的一体化求解，即实现了地表能量平衡分量的切分，又实现了地表能量平衡分量组分的切分，所求地表能量平衡分量与其组分之间分别满足能量平衡；

3)提出的地表能量平衡切分方法对气象资料的依赖程度较小，仅需要空气温度和空气相对湿度两个变量，从而具有较强的可操作性，便于在大空间尺度上应用推广；

4)本发明提出了一种用于获取地表温度组分的多角度方法的替代方案，利用地表温度及其组分之间参数化方案实现了地表温度组分的解析求解；

5)本发明提出了一种求解地表能量平衡分量的迭代模式，加深了对地表能量分配的物理认识，拓展了人们获取地表能量平衡分量的技术手段。

附图说明

此处附图为本发明实施例中的技术流程图，下面将依据此处附图进一步说明本发明实施例的技术方案。易于理解，所述附图和实施例仅示出了本发明的一部分，也并非用于限制本发明，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下，还可以依据此处附图获得其他相关附图。

图1为本发明实施例提供的一种地表能量平衡切分方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的又一种地表能量平衡切分方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的再一种地表能量平衡切分方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种地表能量平衡切分系统的结构示意图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种地表能量平衡切分方法的流程示意图，包括以下步骤：

S1：地表温度组分分解；

S2：基于S1构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程；

S3：基于S2的平衡方程求解地面基准温度；

S4：基于S3地面基准温度切分地表能量平衡。

基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图1所示，所述S1：地表温度组分分解，一种实现方式具体为：

式中，T

式中，所述T

式中，VI的计算式为：

式中，ρ

式中，ε

式中，N表示研究区内像元个数，

地表温度及其组分之间保持辐射平衡，具体为：

地表温度及其组分之间还按照卫星遥感传感器辐射计视场中植被和土壤的面积比保持平衡，具体为：

所述两式联立可直接求解T

基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图2所示，所述S2：基于S1构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程，一种实现方式包括：

构建地表蒸散及其组分之间的平衡方程，具体为：

式中，SR↓表示向下的太阳入射短波辐射(W/m

上式的左边是利用研究区极干裸土基准温度、极湿裸土基准温度、极干植被基准温度、极湿植被基准温度四个地面基准温度切分地面净辐射获取的地表蒸散(W/m

构建地表显热通量及其组分之间的平衡方程，具体为：

上式的左边是利用研究区极干裸土基准温度、极湿裸土基准温度、极干植被基准温度、极湿植被基准温度四个地面基准温度切分地面净辐射获取的地表显热通量(W/m

式中，所述G↓、SR↓、LR↓可参考文献进行计算，所述α

式中，

基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图3所示，所述S3：基于S2的平衡方程求解地面基准温度，一种实现方式为基于地表蒸散及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度，具体为：

式中，I表示参与计算的数据组数，i表示参与计算的第i组数据，k表示迭代次数，迭代停止条件可设为四个地面基准温度两次迭代

另一种实现方式为基于地表显热通量及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度，具体为：

式中，I表示参与计算的数据组数，i表示参与计算的第i组数据，k表示迭代次数，迭代停止条件可设为四个地面基准温度两次迭代

所述数据组数I是指以像元为单位包括但不限于地表温度、地表反照率、地表比辐射率等组成的数组的个数，所述组成数组的像元应以目标像元为中心包括目标像元在内的像元组成，所述I值应大于等于4。

基于上述实施例，在本发明的一些实施例中，进一步的，如图3所示，所述S4：基于S3地面基准温度切分地表能量平衡，一种实现方式具体为：

式中，ET

综上，可实现地表能量平衡切分。

在一个实施例中，如图4所示，提供了一种地表能量平衡切分系统，用于执行上述实施例所述的一种地表能量平衡切分方法，包括：温度组分模块1、组分平衡模块2、基准温度模块3、切分能量模块4；

所述温度组分模块1，用于执行上述实施例所述的地表温度组分分解；

所述组分平衡模块2，用于执行上述实施例所述的基于地表温度组分构建地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程；

所述基准温度模块3，用于执行上述实施例所述的基于地表能量平衡分量及其组分之间的平衡方程求解地面基准温度；

所述切分能量模块4，用于执行上述实施例所述的基于地面基准温度切分地表能量平衡。

本发明实施例提供了一种地表能量平衡切分电子设备，包括：存储器、处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行存储器存储的计算机程序时实现图1任一所示方法实施例的技术方案，其技术原理和有益效果类似，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种地表能量平衡切分计算机可读存储介质，所述介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可实现图1任一所示地表能量平衡切分方法的技术方案，其技术原理和有益效果类似，此处不再赘述。

本发明提出的一种地表能量平衡切分方法的有益效果为：

1)实现了地表能量平衡分量及其组分的联合估算，估算结果在分量及组分两个层面均能满足能量平衡，能够保证能量的闭合性；

2)基于地表温度及其组分之间的物理联系实现了组分温度的直接求解，从而实现了地表能量平衡中地表净辐射的切分；

3)基于地面基准温度的地表能量平衡切分能够降低特征空间法中因干湿边选取不当所导致的能量分配误差，实现了地表能量平衡切分的自动化；

4)进一步降低了地表能量平衡估算对气象资料的依赖性，仅需空气温度与空气相对湿度即可实施，具有较强的区域推广性；

5)能够为水资源管理、农业生产、生态文明建设等社会经济领域中地表能量平衡估算提供技术服务。

地表能量平衡切分系统、电子设备及介质中实施例与方法实施例相近，所以未详细描述，请参阅方法实施例。本领域普通技术人员根据本发明的原理，可以对本发明进行润饰、修改，但这些也在本发明的保护范围之内。