基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展 基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研 究进展 第 2 5 卷 第 7 期 地 球 科 学 进 展 V o l . 2 5 N o . 7 2 0 1 0 年 7 月 J u l . , 2 0 1 0 A D V A N C E S I N E A R T H S C I E N C E 文 章 编 号 : 1 0 0 1 ? 8 1 6 6 ( 2 0 1 0 ) 0 7 ? 0 6 9 8 ? 0 8 基 于 地 表 温 度 与 植 被 指 数 特 征 空 间 ? 反 演 地 表 参 数 的 研 究 进 展 1 1 2 ? 田 苗 , 王 鹏 新 , 孙 威 ( 1 . 中 国 农 业 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学 院 , 北 京 1 0 0 0 8 3 ; 2 . 国 家 测 绘 局 测 绘 发 展 研 究 中 心 , 北 京 1 0 0 8 3 0 ) 摘 要 : 遥 感 反 演 的 地 表 温 度 ( T s ) 和 植 被 指 数 ( V I ) 构 成 的 特 征 空 间 结 合 模 型 分 析 可 以 对 显 热 通 量 、 潜 热 通 量 及 土 壤 含 水 量 等 地 表 参 数 进 行 估 算 。 这 种 方 法 比 较 实 用 , 且 不 过 多 地 依 赖 地 面 观 测 数 据 。 随 着 研 究 的 深 入 , 许 多 学 者 在 T s / V I 特 征 空 间 基 础 上 提 出 了 更 加 丰 富 的 空 间 变 量 。 基 于 此 , 以 不 同 空 间 变 量 为 标 准 , 分 类 介 绍 在 T s / V I 特 征 空 间 的 基 础 上 对 地 表 能 量 通 量 及 土 壤 水 分 等 参 数 的 反 演 。 其 中 包 括 在 T s / N D V I 特 征 空 间 基 础 上 提 出 温 度 植 被 干 旱 指 数 和 条 件 植 被 温 度 指 数 来 监 测 干 旱 ; 利 用 T s / a l b e d o 特 征 空 间 反 演 蒸 发 比 ; 用 D S T V / V I 特 征 空 间 反 演 蒸 散 量 ; 用 地 气 温 差 / 植 被 指 数 特 征 空 间 反 演 蒸 散 量 等 。 并 介 绍 了 T s / V I 特 征 空 间 与 微 波 遥 感 结 合 反 演 地 表 含 水 量 等 相 关 研 究 的 进 展 情 况 , 最 后 提 出 未 来 研 究 的 发 展 方 向 。 关 键 词 : 显 热 通 量 ; 潜 热 通 量 ; 地 表 温 度 ; 植 被 指 数 ; T s / V I 特 征 空 间 中 图 分 类 号 : P 2 3 7 ; Q 1 4 9 文 献 标 志 码 : A 近 年 来 , 一 些 学 者 综 合 利 用 遥 感 的 多 光 谱 信 息 , 1 引 言 探 讨 地 表 温 度 ( L a n d S u r f a c e T e m p e r a t u r e , T s ) 与 植 被 土 壤 水 分 、 显 热 通 量 ( s e n s i b l e h e a t f l u x , H ) 和 潜 指 数 ( V e g e t a t i o n I n d e x , V I ) 耦 合 空 间 ( T s / V I ) 的 时 空 热 通 量 ( l a t e n t h e a t f l u x , L E ) 是 气 候 、 水 文 、 生 态 、 农 变 化 规 律 与 生 态 学 意 义 , 研 究 表 明 T s / V I 的 时 空 对 业 等 领 域 重 要 的 地 表 参 数 。 这 些 参 数 在 作 物 ( 农 应 关 系 与 地 表 植 被 覆 盖 和 土 壤 水 分 状 况 等 参 数 有 着 田 ) 管 理 、 大 气 、 水 循 环 、 天 气 预 报 中 都 有 重 要 的 应 非 常 密 切 的 联 系 。 本 文 作 者 曾 于 2 0 0 4 年 对 基 于 地 [ 1 ] 用 , 在 区 域 土 地 退 化 和 荒 漠 化 的 研 究 中 也 发 挥 了 重 表 温 度 和 植 被 指 数 的 干 旱 监 测 模 型 进 行 了 综 述 。 要 作 用 。 随 着 T s / V I 特 征 空 间 研 究 的 不 断 深 入 , 在 T s / V I 特 征 最 初 L E 、 H 和 土 壤 水 分 等 是 通 过 地 面 观 测 的 方 空 间 基 础 上 发 展 出 了 更 多 的 空 间 变 量 , 以 对 上 述 参 式 获 得 的 , 这 种 方 法 只 能 获 得 小 区 域 的 数 据 , 不 仅 耗 数 进 行 更 好 的 估 计 。 比 如 利 用 T s / 反 照 率 ( a l b e d o ) 时 耗 力 , 而 且 有 时 无 法 获 得 可 靠 的 结 果 。 随 着 遥 感 构 成 的 特 征 空 间 进 行 蒸 散 量 ( E v a p o t r a n s p i r a t i o n , 技 术 的 发 展 , 开 始 运 用 遥 感 数 据 结 合 地 面 模 型 进 行 E T ) 的 估 计 等 。 大 面 积 土 壤 水 分 及 相 关 参 数 的 估 计 。 本 文 在 总 结 T s / V I 特 征 空 间 及 其 应 用 的 基 础 ? 收 稿 日 期 : 2 0 0 9 ? 1 2 ? 1 8 ; 修 回 日 期 : 2 0 1 0 ? 0 4 ? 0 9 . ? 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目 “ 基 于 条 件 植 被 温 度 指 数 的 干 旱 预 测 研 究 ” ( 编 号 : 4 0 8 7 1 1 5 9 ) ; 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 课 题 “ 作 物 水 分 胁 迫 信 息 的 遥 感 定 量 反 演 与 同 化 技 术 研 究 ” ( 编 号 : 2 0 0 7 A A 1 2 Z 1 3 9 ) ; 欧 盟 F P 7 项 目 “ T h e 7 t h f r a m e w o r k p r o g r a m m e o f t h e E u r o p e a n C o m m u n i t y f o r r e s e a r c h , t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t a n d d e m o n s t r a t i o n a c t i v i t i e s , W P ( w o r k p a c k a g e ) 9 : S a t e l l i t e b a s e d d r o u g h t m o n i t o r i n g s y s t e m o f p i l o t a r e a s o f C h i n a a n d I n d i a o f C o o r d i n a t e d A s i a ? E u r o p e a n l o n g ? t e r m O b s e r v i n g s y s t e m o f Q i n g ? h a i ? T i b e t P l a t e a u h y d r o ? m e t e o r o l o g i c a l p r o c e s s e s a n d t h e A s i a n ? m o n s o o n s y s t E m w i t h G r o u n d s a t e l l i t e I m a g e d a t a a n d n u m e r i c a l S i m ? u l a t i o n s ( C E O P ? A E G I S ) ( C a l l F P 7 ? E N V ? 2 0 0 7 ? 1 2 1 2 9 2 1 ) ” ( 编 号 : C a l l F P 7 ? E N V ? 2 0 0 7 ? 1 2 1 2 9 2 1 ) 资 助 . 作 者 简 介 : 田 苗 ( 1 9 8 4 ? ) , 女 , 河 北 保 定 人 , 博 士 研 究 生 , 主 要 从 事 定 量 遥 感 及 在 干 旱 预 测 中 的 应 用 研 究 . E ? m a i l : t m 1 3 0 4 2 0 7 @ 1 2 6 . c o m 通 讯 作 者 : 王 鹏 新 ( 1 9 6 5 ? ) , 男 , 陕 西 礼 泉 人 , 教 授 , 主 要 从 事 定 量 遥 感 及 其 在 农 业 中 的 应 用 研 究 . E ? m a i l : w a n g p x @ c a u . e d u . c n ?6 9 9 第 7 期 田 苗 等 : 基 于 地 表 温 度 与 植 被 指 数 特 征 空 间 反 演 地 表 参 数 的 研 究 进 展 上 , 根 据 近 年 来 的 研 究 成 果 , 对 以 不 同 空 间 变 量 构 造 如 图 1 所 示 , A 和 B 分 别 表 示 干 燥 裸 土 和 湿 润 的 特 征 空 间 及 其 应 用 进 行 了 分 类 介 绍 , 阐 述 了 这 些 裸 土 。 随 着 地 表 植 被 覆 盖 度 的 增 加 , 地 表 温 度 开 始 特 征 空 间 的 优 势 与 不 足 , 以 及 未 来 发 展 的 方 向 。 下 降 。 C 点 表 示 植 被 完 全 覆 盖 , 土 壤 水 分 充 足 , 这 时 候 的 蒸 散 阻 力 最 小 , 所 以 A ? C 表 示 土 壤 水 分 的 有 效 2 T s / V I 特 征 空 间 的 物 理 意 义 性 很 低 , 地 表 蒸 散 小 , 被 认 为 是 T s / V I 特 征 空 间 的 热 T s / V I 构 成 的 特 征 空 间 与 植 被 生 长 状 况 和 土 壤 边 界 ; B ? C 表 示 土 壤 水 分 充 足 , 不 是 植 被 生 长 的 限 制 水 分 有 着 密 切 的 联 系 。 T s 是 大 气 ? 土 壤 ? 植 被 系 因 素 , 地 表 蒸 散 等 于 潜 在 蒸 散 , 被 认 为 是 T s / V I 特 征 [ 1 ] 统 内 物 质 和 能 量 交 换 的 结 果 , 可 以 反 映 地 表 含 水 量 空 间 的 冷 边 界 。 由 此 可 见 , 这 种 假 设 对 研 究 区 域 的 变 化 , 进 而 揭 示 植 被 生 长 情 况 , 同 时 还 可 以 用 来 间 的 要 求 较 高 , 在 应 用 前 要 考 虑 研 究 区 域 是 否 符 合 上 接 判 断 地 表 蒸 散 状 况 。 作 物 受 到 水 分 胁 迫 时 , 叶 片 述 条 件 。 [ 5 ] 气 孔 自 卫 性 关 闭 , 减 少 了 蒸 腾 引 起 的 水 分 散 失 , 导 致 从 理 论 上 N e m a n i 等 认 为 地 表 温 度 和 植 被 指 [ 6 ] L E 减 少 。 根 据 能 量 平 衡 原 理 , H 必 然 增 加 , 因 而 叶 数 之 间 是 梯 形 区 域 分 布 关 系 , M o r a n 等 进 一 步 利 面 温 度 会 上 升 。 T s 对 这 种 热 反 应 非 常 敏 感 , 它 在 植 用 地 表 ? 空 气 温 差 和 植 被 覆 盖 度 之 间 的 关 系 , 在 作 被 覆 盖 度 降 低 甚 至 植 被 光 谱 指 数 发 生 变 化 之 前 就 会 物 缺 水 指 数 ( C r o p W a t e r S t r e s s I n d e x , C W S I ) 基 础 上 , 发 生 变 化 , 因 此 T s 是 植 物 生 长 状 态 的 良 好 表 征 。 而 定 义 了 植 被 温 度 梯 形 图 ( V e g e t a t i o n I n d e x / T e m p e r ? V I 是 通 过 绿 色 植 物 在 红 光 和 近 红 外 波 段 不 同 反 射 率 a t u r e T r a p e z o i d , V I T T ) 。 其 中 植 被 覆 盖 度 与 植 被 指 的 各 种 组 合 实 现 对 植 被 状 态 的 表 达 , 在 一 定 条 件 下 能 数 之 间 存 在 线 性 的 关 系 , 梯 形 4 个 顶 点 的 地 表 ? 空 定 量 地 表 征 植 被 的 生 理 参 数 , 如 生 物 量 和 覆 盖 度 等 。 气 温 差 也 就 是 对 应 的 裸 土 和 植 被 的 表 面 温 度 , 但 这 T s / V I 二 维 散 点 图 的 分 布 可 能 存 在 2 种 关 系 , 三 种 方 法 必 须 知 道 相 关 的 气 象 条 件 , 包 括 水 气 压 、 风 速 [ 2 ] 角 形 区 域 分 布 和 梯 形 区 域 分 布 。 P r i c e 和 C a r l s o n 和 空 气 动 力 学 阻 抗 等 , 且 这 种 关 系 还 不 能 很 好 地 定 [ 3 , 4 ] 等 分 析 了 不 同 传 感 器 得 到 的 N D V I 和 T s 数 据 , 量 描 述 土 壤 水 分 含 量 和 植 被 覆 盖 。 因 此 将 相 关 的 气 认 为 它 们 构 成 的 空 间 关 系 为 三 角 形 区 域 分 布 , 并 利 象 参 数 统 一 考 虑 , 并 用 简 单 的 经 验 估 计 来 描 述 T s / V I 用 这 个 特 征 空 间 结 合 土 壤 ? 植 被 ? 大 气 传 输 模 型 空 间 是 目 前 常 用 的 方 法 。 实 际 应 用 中 究 竟 采 用 三 角 ( S o i l V e g e t a t i o n A t m o s p h e r e T r a n s f e r m o d e l , S V A T ) 反 形 还 是 梯 形 区 域 分 布 应 根 据 研 究 区 域 的 植 被 覆 盖 状 演 土 壤 含 水 量 , 并 与 微 波 遥 感 数 据 得 到 的 结 果 和 地 [ 7 ] 况 和 遥 感 数 据 的 获 取 方 式 来 决 定 。 面 观 测 的 结 果 进 行 了 比 较 验 证 。 但 T s / V I 特 征 空 间 呈 三 角 形 区 域 分 布 的 假 设 要 求 研 究 区 域 足 够 大 , 土 3 地 表 能 量 通 量 和 土 壤 水 分 的 反 演 壤 表 层 含 水 量 应 从 萎 蔫 含 水 量 到 田 间 持 水 量 , 且 地 3 . 1 地 表 温 度 与 植 被 指 数 特 征 空 间 ( T s / V I ) 表 覆 盖 应 从 裸 土 到 植 被 完 全 覆 盖 ( 图 1 ) 。 [ 8 ] [ 9 ] R i d d 和 C a r l s o n 等 证 明 随 着 研 究 区 域 生 物 物 理 特 性 的 不 同 , T s / V I 特 征 空 间 的 三 角 形 / 梯 形 区 [ 6 ] 域 分 布 会 发 生 不 同 的 变 化 , 同 时 M o r a n 和 C a r l s o n [ 9 ] 等 使 用 不 同 数 据 源 构 造 T s / V I 特 征 空 间 , 并 利 用 三 角 形 / 梯 形 的 边 界 来 提 取 与 地 表 能 量 通 量 和 土 壤 [ 1 0 ] 水 分 含 量 相 关 的 信 息 。 J i a n g 等 在 T s / V I 特 征 空 间 中 引 入 P r i e s t l e y ? T a y l o r 参 数 来 反 演 L E 。 该 方 法 假 设 P r i e s t l e y ? T a y l o r 参 数 只 与 地 表 温 度 和 植 被 指 数 有 关 , 并 通 过 T s / N D V I 特 征 空 间 对 其 进 行 估 计 , 没 有 考 虑 地 表 空 气 运 动 对 L E 的 影 响 。 [ 1 1 ] S a n d h o l t 等 在 研 究 土 壤 湿 度 时 发 现 T s / N D V I 图 1 归 一 化 植 被 指 数 ( N D V I ) 与 地 表 温 度 ( T s ) 构 成 特 征 空 间 中 有 很 多 等 值 线 , 于 是 在 T s / N D V I 特 征 空 的 三 角 形 区 域 分 布 示 意 图 间 的 基 础 上 提 出 了 一 个 反 映 区 域 土 壤 干 湿 状 况 的 指 F i g . 1 S u m m a r y o f t h e k e y d e s c r i p t o r s a n d p h y s i c a l 数 ? ? ? 温 度 植 被 干 旱 指 数 ( T e m p e r a t u r e V e g e t a t i o n i n t e r p r e t a t i o n s o f t h e T s / V I f e a t u r e s p a c e D r y n e s s I n d e x , T V D I ) , 其 定 义 为 :7 0 0 地 球 科 学 进 展 第 2 5 卷 T s - T s 考 虑 了 在 N D V I 值 相 同 条 件 下 T s 的 变 化 。 如 何 确 定 m i n T V D I = ( 1 ) T s - T s 冷 边 界 和 热 边 界 是 计 算 V T C I 的 关 键 。 在 王 鹏 新 m a x m i n [ 1 6 ] 其 中 : T s 表 示 最 小 地 表 温 度 , 对 应 的 是 冷 边 ; T s 是 m i n 等 的 早 期 研 究 中 , 冷 热 边 界 的 确 定 方 法 如 下 : 选 任 意 像 元 的 地 表 温 度 , T s = a + b N D V I 为 某 一 N D ? 择 陕 西 关 中 平 原 地 区 天 空 晴 朗 时 且 卫 星 过 境 时 的 6 m a x V I 值 对 应 的 最 大 地 表 温 度 , 即 热 边 ; a , b 是 热 边 拟 合 天 A V H R R 数 据 , 首 先 生 成 每 天 N D V I 影 像 和 T s 影 方 程 的 系 数 。 在 热 边 上 T V D I = 1 , 在 冷 边 上 T V D I = 像 , 然 后 用 最 大 值 合 成 法 生 成 旬 N D V I 和 T s 的 最 大 0 。 T V D I 越 大 , 土 壤 湿 度 越 低 , T V D I 越 小 , 土 壤 湿 度 值 合 成 影 像 , 基 于 N D V I 和 T s 的 最 大 值 合 成 影 像 生 越 高 。 成 散 点 图 , 确 定 冷 、 热 边 界 。 由 于 T V D I 在 一 定 程 度 上 能 够 指 示 土 壤 干 湿 情 上 述 方 法 确 定 的 热 边 界 比 较 合 理 , 但 是 冷 边 界 [ 1 2 ] [ 1 6 ] 况 , 所 以 在 国 内 外 得 到 广 泛 应 用 , 齐 述 华 等 利 用 通 常 会 高 于 实 际 情 况 。 孙 威 等 对 V T C I 冷 边 界 的 T V D I 进 行 全 国 旱 情 监 测 。 用 N O A A ? A V H R R 资 料 确 定 方 法 进 行 了 完 善 , 提 出 应 用 多 年 的 旬 N D V I 最 提 取 N D V I 和 T s , 对 中 国 2 0 0 0 年 3 月 和 5 月 各 旬 的 大 值 合 成 产 品 和 T s 最 大 ? 最 小 值 合 成 产 品 确 定 每 [ 1 3 ] 旱 情 进 行 了 研 究 。 姚 春 生 等 用 T V D I 反 演 新 疆 土 旬 多 年 共 同 冷 边 界 的 方 法 , 并 通 过 多 年 的 累 计 降 水 [ 1 4 ] [ 1 7 ] 壤 湿 度 。 冉 琼 等 用 数 字 高 程 模 型 ( D E M ) 对 T s 进 量 数 据 和 土 壤 含 水 量 等 数 据 进 行 验 证 。 上 述 成 行 订 正 , 从 而 减 少 了 大 气 温 度 对 地 表 温 度 的 影 响 , 再 果 证 实 了 V T C I 是 一 种 可 行 的 、 近 实 时 的 干 旱 监 测 方 [ 1 8 ] 用 D E M 订 正 后 的 T s 来 计 算 T V D I , 更 好 地 反 映 了 土 法 。 此 外 王 鹏 新 等 对 比 分 析 了 基 于 N D V I 和 T s 壤 湿 度 。 的 几 种 干 旱 监 测 方 法 在 关 中 平 原 地 区 的 应 用 , 包 括 [ 1 5 ] 王 鹏 新 等 基 于 T s / N D V I 特 征 空 间 提 出 了 条 条 件 植 被 指 数 、 条 件 温 度 指 数 、 距 平 植 被 指 数 和 条 件 件 植 被 温 度 指 数 ( V e g e t a t i o nT e m p e r a t u r e C o n d i t i o n 植 被 温 度 指 数 等 , 研 究 了 各 种 方 法 的 优 缺 点 , 并 证 实 I n d e x , V T C I ) 的 概 念 , V T C I 定 义 为 : V T C I 更 适 合 于 关 中 平 原 地 区 的 干 旱 监 测 。 T s - T s 但 是 在 T s / N D V I 特 征 空 间 中 , N D V I 容 易 达 到 饱 N D V I m a x N D V I i i V T C I = ( 2 ) T s - T s 和 , 这 时 对 植 被 描 述 的 敏 感 性 就 会 降 低 , 因 为 N D V I N D V I m a x N D V I m i n i i 其 中 : T s = a + b N D V I ( 3 ) 达 到 饱 和 时 , 植 被 的 叶 面 积 指 数 ( L e a f A r e a I n d e x , N D V I m a x i i T s = a ′ + b ′ N D V I ( 4 ) L A I ) 还 在 不 断 的 增 加 , 随 着 L A I 的 增 大 , 植 被 的 蒸 腾 N D V I m i n i i [ 1 9 ] 式 ( 2 ) 中 , T s , T s 分 别 表 示 在 研 究 区 量 也 不 断 增 加 。 杨 曦 等 比 较 了 N D V I 和 增 强 型 植 N D V I m i n N D V I m a x i i 域 内 , 当 N D V I 等 于 某 一 特 定 值 时 的 T s 的 最 小 值 和 被 指 数 ( E n h a n c e d V e g e t a t i o n I n d e x , E V I ) 构 建 的 T s / i 最 大 值 , 即 随 着 N D V I 的 变 化 构 成 冷 热 边 界 ; T s N D V I 和 T s / E V I 特 征 空 间 的 差 异 , 基 于 研 究 区 1 0 7 N D V I i 表 示 某 一 像 元 的 N D V I 值 为 N D V I 时 的 地 表 温 度 。 个 土 壤 湿 度 站 点 的 数 据 , 讨 论 了 分 别 由 T s / N D V I 和 i T s / E V I 特 征 空 间 计 算 得 到 的 T V D I , 并 用 土 壤 湿 度 站 式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 中 a 、 b 、 a ′ 和 b ′ 为 待 定 系 数 , 待 定 系 数 由 点 所 测 数 据 对 其 进 行 了 检 验 。 结 果 表 明 , 二 者 均 能 研 究 区 域 的 N D V I 和 T s 散 点 图 近 似 获 得 ( 图 2 ) 。 够 体 现 土 壤 湿 度 状 况 , T s / E V I 特 征 空 间 计 算 得 到 的 T V D I 能 更 好 地 表 征 土 壤 湿 度 状 况 。 [ 2 0 ] 李 正 国 等 研 究 发 现 , 热 边 随 着 季 节 不 同 而 发 生 变 化 , T s 与 N D V I 在 1 月 呈 较 强 的 正 相 关 , 4 月 m a x 相 关 系 数 减 弱 , 7 月 呈 负 相 关 , 1 0 月 相 关 系 数 亦 减 [ 2 1 ] 弱 。 孙 威 等 研 究 显 示 冷 、 热 边 均 会 随 季 节 的 变 化 而 变 化 。 在 应 用 该 特 征 空 间 时 , 要 考 虑 多 方 面 的 影 响 因 素 。 3 . 2 地 表 温 度 与 反 照 率 特 征 空 间 ( T s / a l b e d o ) 地 表 反 照 率 是 影 响 气 候 的 最 重 要 的 地 表 参 数 之 图 2 V T C I 示 意 图 一 , 它 直 接 控 制 了 太 阳 辐 射 能 在 地 表 和 大 气 之 间 的 F i g . 2 I l l u s t r a t i o n o f t h e p h y s i c a l p r i n c i p l e s o f t h e V T C I 分 配 , 这 种 分 配 进 而 影 响 了 地 表 热 量 平 衡 和 水 循 环 过 程 , 并 对 植 物 光 合 作 用 、 呼 吸 作 用 等 多 种 生 物 化 学 V T C I 的 定 义 既 考 虑 了 区 域 内 N D V I 的 变 化 , 又 过 程 起 到 重 要 作 用 。 反 照 率 变 化 可 以 引 起 地 气 热 交7 0 1 第 7 期 田 苗 等 : 基 于 地 表 温 度 与 植 被 指 数 特 征 空 间 反 演 地 表 参 数 的 研 究 进 展 换 和 地 表 温 度 的 变 化 , 并 通 过 水 热 耦 合 效 应 影 响 土 数 据 , 温 度 的 最 大 、 最 小 值 随 着 反 照 率 的 变 化 会 发 生 [ 2 2 ] 壤 植 被 的 蒸 散 。 基 于 此 , R o e r i n k 等 提 出 用 T s 和 相 应 的 变 化 。 该 方 法 需 要 无 云 状 态 下 可 见 光 、 近 红 a l b e d o 构 成 的 特 征 空 间 来 反 演 地 表 能 量 通 量 , 并 将 外 和 热 红 外 波 段 的 影 像 来 反 演 a l b e d o , T s 和 V I 。 由 这 种 方 法 命 名 为 单 一 地 表 能 量 平 衡 指 数 ( S i m p l i f i e d 这 些 参 数 就 可 以 将 地 表 能 量 通 量 计 算 出 来 : S u r f a c e E n e r g y B a l a n c e I n d e x , S ? S E B I ) 。 对 于 1 个 R = G + H + λ E ( 5 ) 0 0 给 定 的 a l b e d o , 变 量 T s 在 冷 、 热 边 界 之 间 的 位 置 主 式 中 : R 为 净 辐 射 , G 为 土 壤 热 通 量 , H 为 显 热 通 量 , 0 0 要 取 决 于 土 壤 表 层 可 给 水 分 的 含 量 ( 图 3 ) 。 L E 为 潜 热 通 量 。 潜 热 与 显 热 通 量 不 能 直 接 计 算 , 将 两 者 作 为 整 体 , 以 E F 的 形 式 表 示 : T - T L E H 0 E F = = ( 6 ) L E + H T - T H L E 其 中 : T = a + b r , T = a + b r 。 H H H 0 L E L E L E 0 通 过 T s / a l b e d o 特 征 空 间 的 冷 、 热 边 界 求 得 a 和 b , 进 而 得 到 E F 的 值 。 结 合 G 和 R 可 得 到 H 与 L E 。 0 0 [ 2 3 ] G o m e z 等 对 S ? S B E I 方 法 进 行 了 扩 展 , 并 反 [ 2 4 ] 演 了 以 天 为 单 位 的 L E 通 量 。 S o b r i n o 等 对 G o m e z 的 方 法 进 一 步 扩 展 , 使 用 高 空 间 分 辨 率 数 据 进 行 实 验 , 反 演 的 日 L E 通 量 总 量 精 度 在 1 m m / d 。 M a l l i c k [ 2 5 ] 等 运 用 T s / a l b e d o 特 征 空 间 得 到 E F , 进 而 构 造 [ 2 0 ] 图 3 与 S ? S E B I 方 法 相 结 合 的 T s / a l b e d o 关 系 示 意 图 E F / N D V I 特 征 空 间 , 降 低 了 L E 反 演 的 不 确 定 性 。 F i g . 3 S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e r e l a t i o n s h i p 构 造 E F / N D V I 特 征 空 间 可 以 反 映 出 各 部 分 影 响 因 b e t w e e n a l b e d o a n d t o g e t h e r w i t h t h e b a s i c 素 对 热 通 量 的 贡 献 。 冷 边 界 代 表 冠 层 蒸 腾 对 E F 的 p r i n c i p l e s o f S ? S E B I 贡 献 。 任 何 高 于 冷 边 界 的 点 反 映 出 其 中 包 括 土 壤 蒸 发 对 E F 的 作 用 , 热 边 界 代 表 只 有 土 壤 蒸 发 对 E F 有 由 图 3 , 反 照 率 比 较 低 的 时 候 , 表 示 该 地 区 水 分 贡 献 。 在 植 被 覆 盖 区 , 土 壤 水 分 不 变 的 情 况 下 E F 充 足 , 所 有 可 用 能 量 都 用 来 蒸 发 , 地 表 温 度 随 着 反 照 随 着 植 被 覆 盖 度 的 增 加 而 增 大 。 随 着 地 面 覆 盖 类 型 率 的 增 大 表 现 相 对 稳 定 。 反 照 率 再 高 一 点 的 地 区 , 的 不 同 , T s 和 a l b e d o 散 点 图 的 面 积 和 位 置 也 会 发 生 由 于 较 少 的 土 壤 水 分 可 用 , 引 起 蒸 发 的 减 少 , 进 而 导 相 应 的 变 化 。 致 温 度 的 变 化 , 温 度 开 始 随 着 反 照 率 的 增 大 而 增 大 , 3 . 3 昼 夜 温 差 与 植 被 指 数 特 征 空 间 ( D S T V / V I ) [ 2 6 ] 这 时 表 面 温 度 可 以 理 解 为 受 蒸 散 的 控 制 。 当 反 照 率 C h e n 等 提 出 可 以 用 昼 夜 温 差 ( D i u r n a l S u r ? 达 到 r 的 时 候 , 土 壤 含 水 量 非 常 少 , 没 有 蒸 散 现 象 发 f a c e T e m p e r a t u r e V a r i a t i o n , D S T V ) / 植 被 指 数 特 征 空 2 生 了 , 因 此 可 用 能 量 单 纯 的 用 来 增 大 地 表 温 度 , 随 着 间 估 计 实 际 蒸 散 量 。 许 多 学 者 研 究 发 现 昼 夜 温 差 与 [ 2 6 ] 反 照 率 的 增 加 , 而 使 净 辐 射 减 少 , 导 致 可 用 能 量 的 减 土 壤 含 水 量 有 较 强 的 相 关 性 , C h e n 等 在 前 人 研 少 , 因 此 温 度 随 着 反 照 率 的 增 大 而 减 小 , 此 时 的 温 度 究 的 基 础 上 提 出 了 D S T V / N D V I 三 角 形 方 法 ( 图 4 ) 。 受 到 净 辐 射 的 控 制 。 图 中 三 角 形 的 3 个 顶 点 分 别 代 表 3 个 极 端 成 分 : 全 图 3 中 D ? C 边 代 表 H 达 到 最 大 , 此 时 L E = 0 , 同 植 被 覆 盖 区 域 、 湿 润 裸 土 和 干 燥 裸 土 区 域 。 样 M ? N 表 示 L E 达 到 最 大 , H = 0 ; 其 中 T 是 H 为 最 由 于 遥 感 数 据 分 辨 率 的 限 制 , 所 得 到 的 每 个 像 H 大 时 的 温 度 , T 是 L E 为 最 大 时 的 温 度 。 T 表 示 当 元 的 地 表 温 度 和 植 被 指 数 都 是 混 合 地 物 的 综 合 效 L E 0 [ 2 6 ] 反 照 率 为 r 时 某 像 元 的 温 度 。 假 设 太 阳 辐 射 和 大 气 应 。 为 了 简 单 起 见 , C h e n 等 将 混 合 像 元 看 成 是 0 温 度 是 一 个 常 数 , T s 和 a l b e d o 建 立 起 来 的 散 点 图 呈 植 被 全 覆 盖 , 干 燥 裸 土 和 湿 润 裸 土 3 种 极 端 的 地 表 覆 盖 类 型 的 综 合 效 应 , 将 各 像 元 的 对 应 值 表 示 成 3 三 角 形 区 域 分 布 , 在 这 个 特 征 空 间 中 , 如 果 冷 、 热 边 种 地 物 的 加 权 和 形 式 : 界 上 的 像 元 足 够 多 , 即 可 用 来 估 计 该 地 区 的 蒸 发 比 T = ω T + ω T + ω ω ( 7 ) ( E v a p o r a t i v e F r a c t i o n , E F ) 。 v v w w d d N D V I = N D V I + N D V I + N D V I ( 8 ) ω ω ω S ? S E B I 方 法 计 算 能 量 通 量 时 不 需 要 其 他 辅 助 v v w w d d7 0 2 地 球 科 学 进 展 第 2 5 卷 其 中 : 为 权 系 数 , v 代 表 植 被 , w 代 表 湿 润 裸 土 , d 行 差 值 , 并 利 用 D S T V / N D V I 特 征 空 间 估 计 P r i e s t l e y ? ω [ 2 7 ] [ 2 7 ] 代 表 干 燥 裸 土 。 T a y l o r 参 数 。 最 后 W a n g 等 对 改 进 前 后 的 结 果 进 行 了 对 比 , 改 进 后 的 方 法 得 到 的 结 果 有 了 较 大 的 改 善 , 平 均 相 对 误 差 达 到 1 7 % 。 3 . 4 地 气 温 差 / 植 被 指 数 ( ( T s - T a ) / V I ) T s ? T a 表 示 表 面 可 用 能 量 没 有 被 蒸 散 所 消 耗 的 [ 6 ] 部 分 , 可 以 表 征 地 表 能 量 交 换 的 情 况 。 M o r a n 等 构 造 了 地 表 与 大 气 温 差 ( T s ? T a ) / 土 壤 调 整 植 被 指 数 ( S o i l A d j u s t e d V e g e t a t i o n I n d e x , S A V I ) 特 征 空 间 , 并 结 合 P e n m a n ? M o n t e i t h 方 程 估 计 水 分 亏 缺 指 数 ( W a ? t e r D e f i c i t I n d e x , W D I ) ( 图 5 ) 。 W D I 定 义 为 : E T [ 2 4 ] 图 4 用 D S T V / N D V I 散 点 图 反 演 L E 的 示 意 图 W D I = 1 - = [ ( T - T ) - ( T - T ) ] / s a m s a r E T P F i g . 4 E s t i m a t i o n o f L E f l u x e s f r o m t h e [ ( T - T ) - ( T - T ) ] ( 1 0 ) s a m s a x D S T V / N D V I a p p r o a c h 式 ( 1 0 ) 中 E T 表 示 地 表 蒸 散 量 , E T 表 示 潜 在 蒸 散 P [ 2 6 ] 量 。 m 、 x 、 r 表 示 最 小 值 、 最 大 值 和 测 量 值 。 随 后 C h e n 等 定 义 了 植 被 水 分 系 数 V M C ( V e g e t a t i o n a n d M o i s t u r e C o e f f i c i e n t ) , 即 实 际 蒸 散 量 与 潜 在 蒸 散 量 的 比 值 , 因 为 V M C 不 仅 与 植 被 覆 盖 类 型 相 关 , 而 且 还 与 土 壤 湿 度 相 关 , 故 将 像 元 的 V M C 值 分 别 表 示 成 植 被 全 覆 盖 , 湿 润 裸 土 和 干 燥 裸 土 3 种 极 端 类 型 的 加 权 和 : V M C ( D S T V , N D V I ) = V M C + V M C + V M C ω ω ω v v w w d d ( 9 ) 其 中 v 、 w 、 d 分 别 代 表 植 被 , 湿 润 裸 土 和 干 燥 裸 土 。 图 4 是 D S T V 和 N D V I 区 域 分 布 示 意 图 , 不 同 地 物 类 型 在 分 布 图 中 的 位 置 不 同 , 利 用 这 个 图 可 以 得 图 5 T s ? T a 与 S A V I 的 梯 形 关 系 图 解 到 植 被 , 干 燥 和 湿 润 裸 土 贡 献 的 比 率 ( 即 9 ~ 1 1 式 F i g . 5 T r a p e z o i d a l s h a p e o f r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e 中 的 ) , 从 而 计 算 得 到 V M C , 进 而 根 据 实 地 测 量 的 ω d i f f e r e n c e o f s u r f a c e t e m p e r a t u r e t o a i r t e m p e r a t u r e 潜 在 蒸 散 量 , 得 到 实 际 蒸 散 量 。 ( T s ? T a ) a n d s o i l a d j u s t e d v e g e t a t i o n i n d e x ( S A V I ) V M C 方 法 的 使 用 需 要 较 少 的 地 面 参 数 , 可 以 估 算 地 表 覆 盖 类 型 不 均 一 的 地 表 实 际 蒸 散 情 况 , 而 不 图 5 中 S A V I ( 从 裸 土 的 0 . 1 到 植 被 全 覆 盖 时 候 用 建 立 过 多 的 地 面 观 测 站 。 但 这 种 方 法 也 有 一 定 的 的 0 . 8 ) 与 T s ? T a 形 成 的 散 点 图 呈 梯 形 区 域 分 布 , 局 限 性 , 它 需 要 计 算 白 天 和 夜 晚 2 次 温 度 , 并 且 要 清 W D I 为 图 中 F G 与 E G 的 比 值 , 所 以 测 得 F 点 的 T s ? 楚 研 究 区 域 的 地 面 覆 盖 类 型 , 尤 其 是 对 3 种 纯 像 元 T a 的 值 , 结 合 冷 热 边 界 , 就 可 以 得 到 W D I 的 值 , 进 的 分 类 精 度 要 高 。 而 由 潜 在 蒸 散 的 测 量 值 , 计 算 得 到 实 际 蒸 散 的 值 。 [ 2 7 ] [ 1 0 ] 随 后 W a n g 等 基 于 美 国 南 部 大 平 原 多 年 的 J i a n g 等 构 造 了 ( T s ? T a ) / F r 特 征 空 间 估 计 M O D I S 数 据 利 用 D S T V / N D V I 特 征 空 间 估 算 了 区 域 E F , F r 定 义 如 下 : [ 2 6 ] ? 2 的 E T 和 E F 。 他 的 方 法 与 C h e n 等 的 不 同 , 他 通 F r = ( N D V I ) ( 1 1 ) 过 P r i e s t l e y ? T a y l o r 参 数 对 E T 和 E F 进 行 估 计 , 并 对 N D V I - N D V I ? m i n N D V I = ( 1 2 ) P r i e s t l e y ? T a y l o r 参 数 进 行 了 扩 展 , 它 假 设 D S T V / N D ? N D V I - N D V I m a x m i n V I 散 点 图 呈 三 角 形 的 区 域 分 布 , 根 据 实 验 区 的 N D ? 其 中 , N D V I 为 N D V I 的 最 小 值 , 在 裸 土 地 区 大 约 为 m i n V I 和 T s , 将 P r i e s t l e y ? T a y l o r 参 数 在 0 ~ 1 . 2 6 之 间 进 0 . 2 , N D