专利名称：土壤水分供给量的遥感定量反演方法
技术领域：
本发明涉及一种作物整个生育期土壤水分供给量的遥感定量反演方法，通过作物 生长动态模拟技术和遥感定量反演技术进行与农业生产领域密切相关的作物水分胁迫信 息的动态监测。
背景技术：
土壤水分与作物生长密切相关，传统的土壤水分和作物水分的监测方法是采用地 面实地观测的方法测量不同层次的土壤含水量，再通过计算获得某一时期的土壤水分供给 量及作物水分胁迫信息。作物生长动态模拟技术是根据气象条件、土壤条件、作物生长特性 以及作物栽培和管理措施模拟作物产量、水肥平衡以及作物生长和发育期间的生理生化参 数和结构参数的模型。作物生长模型可用于模拟作物生长某一时段至整个生育期的土壤水 分平衡和作物水分胁迫信息，如美国德州利用该技术进行干旱监测。上述两种方法均是基 于点上的数据获得作物水分的胁迫信息，在空间上代表性较差，且费时费力、开支较大以及 时效性较差等。土壤水分和作物水分胁迫信息的遥感定量反演技术。利用遥感对地观测数据可获 得面上大范围的土壤水分和作物水分胁迫信息，是目前遥感技术在农业中的主要应用领域 之一。根据地表覆盖状况，该反演技术可简单地分为两类一类在地表覆盖较少情况下适用 的土壤热惯量法以及微波遥感法等，这类方法在地表有植被覆盖时的应用效果较差，且是 某一较短时间内水分胁迫信息的监测结果；另一类是适用于地表覆盖条件下的监测方法， 这类方法一般是利用可见光、近红外和热红外波段的遥感数据通过反演地表温度和植被指 数等进行作物生长某一时段的作物水分胁迫信息的遥感监测，如以旬或月为周期，目前还 无法直接应用于作物整个生长期水分胁迫信息的监测，且无法与土壤水分供给量建立直接 的联系。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是克服传统的应用点上观测和模拟土壤水分和作物水 分胁迫信息的空间代表性差，甚至在某些地区很难适用和业务化运行的困难，实现作物在 整个生育期内水分胁迫信息的实时和动态监测。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤水分供给量的遥感定量反演方法， 其包括以下步骤动态模拟根据作物地面观测点上的观测数据和作物生长特性运行作物生长模 型，模拟作物生长参数和土壤剖面各层的水分含量；定量反演基于宽波段反射率、植被指数和地表温度，利用经验模型和半经验模型 反演某一时段的作物生长参数；同时，基于植被指数和地表温度，利用条件植被温度指数的干旱监测方法定量获得某一时段的作物水分胁迫信息；集成根据土壤水分动力学模型和水分平衡建立作物生长参数与作物水分胁迫信 息之间的关系模型，通过集成获得作物生长期内的土壤水分供给量。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，所述动态模拟步骤中，所述观测数 据包括气象数据，土壤属性数据，作物水肥管理数据；所述作物生长特性参数包括作物 春化作用特性参数、光周期特性参数、灌浆期特性参数、籽粒数特性参数、潜在灌浆速率参 数、花期潜在单茎穗重参数和出叶间隔特性参数；模拟的作物生长参数包括作物叶面积 指数、生物量和作物的收获产量。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，所述定量反演包括植被指数计算根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后的近红 外波段和红光波段的遥感数据计算归一化植被指数；地表温度的反演根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后的热 红外波段的遥感数据反演地表温度；作物水分胁迫信息的反演根据条件植被温度指数的定义，应用归一化植被指数 和地表温度进行卫星过境时或最大值合成时段的定量化干旱监测的计算；根据时间序列条 件植被温度指数的变化特征和作物的物候特征确定作物生长阶段的作物水分胁迫信息；作物生长参数的反演基于时间序列的归一化植被指数、地面观测的作物生长参 数和作物生长模型模拟的作物生长参数，应用经验和半经验的模型进行作物生长参数的反 演。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，在所述地表温度的反演中，对单波 段的传感器应用归一化植被指数近似计算比辐射率，然后反演地表温度；对二波段和多波 段传感器，应用分窗口算法反演地表温度。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，所述作物生长参数的反演方法为线 性回归法，或者对数关系模型，或者指数关系模型。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，所述集成包括根据所述动态模拟的植物生长参数和作物水分胁迫信息，将作物生长划分为若干 阶段，并将所述若干阶段的植物生长参数随时间的变化规律用线性或非线性的数学公式表 达；应用所述线性或非线性的数学公式建立土壤水分动力学模型；在面上运行土壤水分动力学模型，获得土壤剖面水分在面上随时间的变化规律；根据土壤剖面水分的变化规律计算作物生长期内的土壤水分供给量。上述土壤水分供给量的遥感定量反演方法中，所述作物生长参数包括作物叶面积 指数、生物量和作物的收获产量。(三)有益效果本发明将作物水分胁迫信息的动态模拟技术与遥感定量反演技术相结合，利用地 面观测的气象数据、土壤数据、作物生长特性以及作物栽培和管理措施动态地模拟作物叶 面积指数、生物量、产量、水肥平衡以及作物水分胁迫信息等参数，利用星载卫星遥感数据 反演叶面积指数、生物量、产量以及作物水分胁迫等信息，通过土壤水分平衡及动力学方程 建立两者之间的联系，实现作物生长期内土壤水分供给量的遥感综合定量反演，将应用遥感技术监测某一时段作物水分胁迫信息的方法动态地推广到作物整个生育期，达到作物水 分胁迫信息实时和动态监测的目的，并且该方法所实现的土壤水分供给量的监测在时间上 是动态的，在空间上是连续的。
图1是本发明土壤水分供给量的遥感定量反演方法的工作流程简图；图2是本发明土壤水分供给量的遥感定量反演方法实施例的反演结果示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明方法集成了作物生长动态模拟技术和遥感定量反演技术及其发展的需要， 研究了作物整个生长期土壤水分供给量的反演方法，并应用计算机程序实现了后续的数据 处理软件�？椋纬闪艘惶捉衔低车耐寥浪止└康囊８卸糠囱菹低常孟低晨捎� 于作物生长期间从某一时段到整个生长期土壤水分供给量的反演，提高了作物水分胁迫信 息的遥感反演的技术含量及其监测的时效。如图1所示，本发明土壤水分供给量的遥感定量反演方法包括以下流程(1)动态模拟作物生长模型在现阶段的应用较为广泛，是根据气象条件、土壤条件以及作物栽 培和管理措施模拟作物产量、水肥平衡以及作物生长和发育期间的生理生化参数和结构参 数的模型。作物生长模型一般以天为时间步长动态地描述作物生长、发育和产量形成过程 及其对环境的响应，能定量地描述作物的基本生理生态过程，把“作物_ 土壤_气候”作为 一个整体加以描述，能较为准确地描述光、温、水、肥等因子以及田间栽培和管理措施对作 物生长和发育的影响。本发明方法利用作物生长模型不仅要使模拟的作物物候特征、叶面积指数、生物 量和产量等参数与地面观测的相一致，而且使模拟的土壤水分平衡信息与地面观测的相一 致。在本发明方法中，动态模拟是根据点上的观测数据和作物生长特性运行作物生长 模型，模拟的结果一般只能代表一个点上的作物生长信息。点上的观测数据包括(1)气象 数据包括日最高和最低气温，日降水量，日日照时数等；⑵土壤属性数据包括土壤剖面 播种前所测定的土壤养分和水分信息以及土壤理化性状等；(3)作物管理措施包括通过 地面调查获得的作物水肥管理等数据。作物生长特性参数包括根据(1)、(2)、(3)中获得 的数据，应用多年气象数据通过运行作物生长模型逐项获得作物生长特性参数，包括春化 作用特性参数、光周期特性参数、灌浆期特性参数、籽粒数特性参数、潜在灌浆速率参数、花 期潜在单茎穗重参数和出叶间隔特性参数，应用实际观测的作物物候特征、近年来的产量 和收获日期判断所获得作物生长特性参数是否正确。动态模拟的输出数据包括土壤水分 和作物水分数据以及土壤水分和作物水分平衡数据，土壤氮营养和作物氮营养数据以及土 壤氮营养和作物氮营养平衡数据，以及作物生长参数，其中作物生长参数包括叶面积指数 (Leaf Area Index，LAI)、各组成部分的生物量、叶片数和产量，作物生长率和枯萎率等。
(2)定量反演利用卫星遥感数据反演宽波段反射率、植被指数和地表温度等的遥感定量反演技 术已较为成熟；反演作物物候特征、叶面积指数、生物量和产量等参数的技术还在不断地完 善之中，且这些参数的反演时间尺度多为天或某一时段。本发明方法采用的遥感定量反演技术之一是基于宽波段反射率、植被指数和地表 温度等，利用经验模型和半经验模型反演某一时段，如一天，的叶面积指数和生物量，以及 作物的收获产量等；另一定量反演技术是基于植被指数和地表温度，利用条件植被温度指 数的干旱监测方法定量地获得某一时段，如旬，的作物水分胁迫信息。结合时间序列条件植 被温度指数的干旱监测结果，并与物候特征和动态模拟结果相结合，可提供作物主要生育 期，尤其是处于高覆盖生育期的作物水分胁迫信息。本发明方法的定量反演主要包括以下过程(a)植被指数的计算根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后 的近红外波段和红光波段的遥感数据计算归一化植被指数(Normalized Differential Vegetation Index, NDVI)。对于时间分辨率高的遥感数据，还要应用最大值合成技术生成NDVI的最大值合 成数据产品。或者，还可以应用现有的有关遥感传感器(如中分辨率成像光谱仪 (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer,M0DIS)) ^ NDVI WM^mMMWif 植被指数的计算。根据NDVI随作物生长时间序列变化的规律，确定作物的物候特征，如NDVI最大值 对应的生育期。(b)地表温度的反演根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后 的热红外波段的遥感数据反演地表温度(Land Surface Temperature,LST)；对单波段的传 感器应用NDVI近似地计算比辐射率，然后再进行温度反演；对二波段和多波段传感器，主 要应用分窗口算法反演LST;对于时间分辨率高的遥感数据，还要应用最大值合成技术生 成LST的最大值合成数据产品。或者，还可以应用有关遥感传感器的LST数据产品直接进行地表温度的反演。(c)作物水分胁迫信息的反演根据条件植被温度指数的定义，应用归一化植被 指数和地表温度进行卫星过境时或最大值合成时段的定量化干旱监测的计算；根据时间序 列条件植被温度指数的变化特征和作物的物候特征确定作物生长阶段的作物水分胁迫信 肩、ο根据时间序列条件植被温度指数的变化特征和作物的物候特征确定作物主要生 长阶段的作物水分胁迫信息及其对作物生产的影响。(d)作物生长参数的反演基于时间序列的NDVI数据、地面观测的作物生长参数 和作物生长模型模拟的作物生长参数，应用经验和半经验的模型进行作物生长参数的反 演，反演方法优选线性回归法、或对数关系模型，或指数关系模型。或者，还可以应用有关遥感传感器的作物生长参数等数据产品直接进行作物生长 参数的反演。(3)集成
土壤含水量与作物生长参数之间存在着相互依赖和相互制约的关系，传统的土壤 含水量的研究主要是基于点上的观测数据，研究土壤水分与作物生长参数之间的关系，土 壤水分动力学模型通常将作物生长参数作为模型的输入，不仅能够解释作物LAI和生物量 等与土壤水分之间的关系，而且还考虑到光照和气温对作物生长参数的影响本发明方法以土壤水分平衡和动力学方程为基�。Ｄ獾挠胍８蟹囱莸淖� 物生长参数和水分胁迫信息密切地联系在一起，通过面上运行土壤水分动力学方程，实现 大范围土壤水分供给量的定量反演。本发明方法动态模拟和定量反演所得结果中，作物生长参数均为模型的输出。对 作物生长模型动态模拟的作物生长参数来说，可以得到以天为步长的点上的动态模拟结 果，对遥感定量反演的作物生长参数来说，通常得到的是卫星过境时的面上的反演结果。在 运行土壤水分动力学模型时，首先根据作物生长模型模拟的叶面积指数、生物量等参数和 土壤水分的动态变化规律，将作物生长划分为若干阶段，且这些阶段的叶面积指数和生物 量等随时间(天)的变化规律可以用线性或非线性的数学公式表达；然后根据卫星过境时 刻或最大值合成时段获得的作物LAI和生物量等，利用这些分阶段的数学表达公式对土壤 水分动力学模型中的相关变量进行替代或同化，建立分阶段的土壤水分动力学方程；在遥 感数据获取时刻，基于植被指数反演叶面积指数和生物量等参数，并参考条件植被温度指 数所反映的作物水分胁迫信息，将这些参数代入土壤水分动力学方程，在面上运行土壤水 分动力学方程；面上土壤水分动力学模型的运行，可以获得土壤剖面水分在面上随时间的 变化规律，最后根据土壤剖面水分的变化规律计算作物生长期内某一时段至整个生育期的 土壤水分供给量。本发明所述土壤水分供给量的遥感定量反演方法，将作物水分胁迫信息的动态模 拟技术与遥感定量反演技术相结合，利用地面观测的气象数据、土壤数据、作物生长特性以 及作物栽培和管理措施动态地模拟作物叶面积指数、生物量、产量、水肥平衡以及作物水分 胁迫信息等参数，利用星载卫星遥感数据反演叶面积指数、生物量、产量以及作物水分胁迫 等信息，通过土壤水分平衡及动力学方程建立两者之间的联系，实现作物生长期土壤水分 供给量的遥感综合定量反演，将应用遥感技术监测某一时段作物水分胁迫信息的方法动态 地推广到作物整个生育期，达到作物水分胁迫信息实时和动态监测的目的。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，包括以下步骤动态模拟根据作物地面观测点上的观测数据和作物生长特性参数运行作物生长模型，模拟作物生长参数和土壤剖面各层的水分含量；定量反演基于宽波段反射率、植被指数和地表温度，利用经验模型和半经验模型反演某一时段的作物生长参数；同时，基于植被指数和地表温度，利用条件植被温度指数的干旱监测方法定量获得某一时段的作物水分胁迫信息；集成根据土壤水分动力学模型和水分平衡建立作物生长参数与作物水分胁迫信息之间的关系模型，通过集成获得作物生长期内的土壤水分供给量。
2.如权利要求1所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，所述动态 模拟步骤中，所述观测数据包括气象数据，土壤属性数据，作物水肥管理数据；所述作物 生长特性参数包括作物春化作用特性参数、光周期特性参数、灌浆期特性参数、籽粒数特 性参数、潜在灌浆速率参数、花期潜在单茎穗重参数和出叶间隔特性参数；模拟的作物生长 参数包括作物叶面积指数、生物量和作物的收获产量。
3.如权利要求1所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，所述定量 反演包括植被指数计算根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后的近红外波 段和红光波段的遥感数据计算归一化植被指数；地表温度的反演根据星载传感器的定标系数，应用大气校正和几何校正后的热红外 波段的遥感数据反演地表温度；作物水分胁迫信息的反演根据条件植被温度指数的定义，应用归一化植被指数和地 表温度进行卫星过境时或最大值合成时段的定量化干旱监测的计算；根据时间序列条件植 被温度指数的变化特征和作物的物候特征确定作物生长阶段的作物水分胁迫信息；作物生长参数的反演基于时间序列的归一化植被指数、地面观测的作物生长参数和 作物生长模型模拟的作物生长参数，应用经验和半经验的模型进行作物生长参数的反演。
4.如权利要求3所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，在所述地 表温度的反演中，对单波段的传感器应用归一化植被指数近似计算比辐射率，然后反演地 表温度；对二波段和多波段传感器，应用分窗口算法反演地表温度。
5.如权利要求3所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，所述作物 生长参数的反演方法为线性回归法，或者对数关系模型，或者指数关系模型。
6.如权利要求1所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在于，所述集成 包括根据所述动态模拟的植物生长参数和作物水分胁迫信息，将作物生长划分为若干阶 段，并将所述若干阶段的植物生长参数随时间的变化规律用线性或非线性的数学公式表 达；应用所述线性或非线性的数学公式建立土壤水分动力学模型；在面上运行土壤水分动力学模型，获得土壤剖面水分在面上随时间的变化规律；根据土壤剖面水分的变化规律计算作物生长期内的土壤水分供给量。
7.如权利要求1-6中任一项所述的土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其特征在 于，所述作物生长参数包括作物叶面积指数、生物量和作物的收获产量。
全文摘要
本发明公开了一种土壤水分供给量的遥感定量反演方法，其包括作物生长的动态模拟、遥感定量反演、以及土壤水分平衡和动力学方程相结合的集成，从而获得作物生长期内某一时段至整个生长期内的土壤水分供给量。本发明集成了作物水分胁迫信息的动态模拟技术与遥感定量反演技术的特色，实现了作物生长期土壤水分供给量的实时和动态监测，其最大的优点为其监测的土壤水分供给量在时间上来说是动态的，在空间上来说是连续的。
文档编号G01N33/24GK101949916SQ20101025250
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月12日 优先权日2010年8月12日
发明者刘峻明, 刘春红, 王鹏新, 苏涛 申请人:中国农业大学
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