一种考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法

本发明属于地表蒸散发遥感反演，具体而言，涉及考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法。

背景技术：

1、地表蒸散发将水循环和地表能量平衡联系在一起，是水资源消耗的重要组成部分。全球约60%的降水以蒸散发的形式返回大气，同时陆地表面吸收的一半以上的太阳能被用于蒸散发。水资源短缺背景下，准确估算蒸散发对合理利用水资源、农业用水管理和生态系统保护尤为重要。

2、山区约占全球陆地表面的1/4，提供水资源保护、生物多样性维护等多种生态服务。气候变化对山区的影响比其他地方更大，这对山区地貌、生态系统和社会经济系统的可持续发展造成了影响。因此，山区蒸散发的准确监测至关重要。

3、目前大多数遥感蒸散发模型主要针对平坦地区。然而，在地表起伏的复杂地形区，由于受到坡度、坡向等的影响，地表能量通量表现出与水平地表不一样的特征，现有的遥感蒸散发模型无法直接用于山区地表蒸散发的反演。

4、因此，亟需构建考虑地形效应的遥感蒸散发模型，进而提高复杂地形区地表蒸散发估算的准确性。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法，其通过耦合地形效应，实现对复杂地形区蒸散发的精准估算。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法，包括以下步骤：

4、步骤1、获取包括预处理的遥感影像数据、高程数据以及预处理的气象数据的数据集；

5、步骤2、根据步骤1的数据集，获取地表参数、地形参数和辅助数据；

6、步骤3、利用扩展的libradtran辐射传输模型、随机森林模型以及预处理后的遥感影像数据，计算耦合地形效应的山区短波净辐射；

7、步骤4、基于山区短波净辐射计算净辐射通量、感热通量和潜热通量，并利用蒸发比不变法计算日蒸散发。

8、进一步，所述步骤1中，预处理的方法包括：对遥感影像数据进行质量控制、辐射定标、大气校正和裁剪；对气象数据进行重采样。

9、进一步，所述步骤2中，地表参数包括归一化植被指数 ndvi、地表温度 ts、地表比辐射率 εg、地表反照率 α；地形参数包括局部入射角 it和天空可视因子 vd；辅助数据包括太阳天顶角 θs及观测天顶角 θv。

10、进一步，所述步骤2中，所述归一化植被指数 ndvi、地表比辐射率 εg和地表反照率 α采用以下公式获取：

11、

12、

13、

14、

15、其中， ρnir是近红外波段的地表反射率， ρred是红外波段的地表反射率； pv是植被覆盖度；是宽波段大气层顶反射率； αpath是大气程辐射；是大气单项透射率。

16、进一步，所述步骤2中，局部入射角 it按照如下方式计算：

17、

18、其中， θs是太阳天顶角； β是坡度；是太阳方位角；是坡向。

19、进一步，所述步骤3包括以下子步骤：

20、步骤3.1、将libradtran辐射传输模型与地形耦合，构建扩展的libradtran辐射传输模型，并根据以下公式计算山区短波净辐射 nsr：

21、

22、其中， α为地表反照率，、和分别是山地的直接辐射、漫射辐射和周围环境的反射辐射；

23、

24、

25、

26、其中，是阴影因子；和分别是平地的直接辐射和漫射辐射； it为局部入射角； θs是太阳天顶角； vd为天空可视因子；为平均反照率；为水平面上的下行短波辐射；

27、步骤3.2、根据扩展的libradtran辐射传输模型，获得具有不同大气、地表和地形条件的模拟数据库；

28、步骤3.3、基于模拟数据库，利用随机森林模型构建山区短波净辐射 nsr的函数关系式：

29、 nsr= f( θs, θv, z, it, vd,toa reflectance)

30、其中， θv为观测天顶角， z为高程，toa reflectance为大气层顶反射率， f表示非线性函数；

31、步骤3.4、利用遥感影像数据中大气层顶反射率以及训练好的随机森林模型，模拟山区短波净辐射 nsr。

32、进一步，所述步骤4包括以下步骤：

33、步骤4.1、利用步骤1的数据集，结合模拟的山区短波净辐射 nsr，计算净辐射 rn：

34、

35、其中，和分别是入射长波辐射和地表出射长波辐射， εg为地表比辐射率；

36、步骤4.2、根据以下公式获得感热通量 h：

37、

38、其中， a、 b、 c均为系数；

39、步骤4.3、利用地表反照率 α、地表温度 ts、归一化植被指数 ndvi和获得的净辐射 rn，计算土壤热通量 g：

40、

41、步骤4.4、根据净辐射 rn，感热通量 h和土壤热通量 g，计算潜热通量 le：

42、

43、步骤4.5、根据以下公式计算日蒸散发 et：

44、

45、其中， rn24是日净辐射通量； λ是水的汽化潜热； ef是蒸发比，计算公式如下：

46、。

47、第二方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所述考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法。

48、第三方面，本发明提供一种非暂态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如第一方面所述考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法。

49、第四方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述考虑地形的山区地表蒸散发遥感估算方法。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

51、本发明通过构建地形扩展的直接估算模型，得到考虑地形的山区短波净辐射，并根据地表辐射平衡方程，获得净辐射，然后依次利用净辐射与感热通量、土壤热通量的关系获得感热通量和土壤热通量，最后基于地表能量平衡方程，估算得到地表蒸散发，进而实现山区地表蒸散发的遥感估算。本发明能够有效解决常用的遥感蒸散发模型只能用于平坦地区的局限性，对于准确地利用遥感手段获取山区地表蒸散发具有重要意义。