本發(fā)明涉及太陽輻射
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法及裝置。
背景技術(shù)：
：從太陽發(fā)出的短波輻射沒有全部到達地表，其中有相當(dāng)一部分在經(jīng)過大氣傳輸?shù)倪^程中，被云層、大氣中的不同分子和氣溶膠顆粒反射、散射或者吸收。大氣中的水汽和低云等組分以及地表在吸收了太陽輻射以后開始向上發(fā)射長波輻射。地表凈輻射(Rn)是地表長、短波輻射的輸入量和輸出量的總和，代表著地表能量吸收、反射和散射的平衡。它作為熱源，提供地表、貼地大氣層的增溫或降溫及蒸發(fā)、蒸騰的耗熱，直接影響到人類及生物生存空間的溫度環(huán)境、濕度環(huán)境和光環(huán)境。地表凈輻射的時空分布規(guī)律是近地層空氣和耕層土壤溫度變化的直接原因，在確定農(nóng)業(yè)微氣象特征、農(nóng)田蒸散、植物生長發(fā)育過程、生物量的形成與累計等方面具有重要意義，特別是農(nóng)田蒸散的估算中必不可少。作為驅(qū)動大氣運動的主要能量來源，地表凈輻射控制著進入大氣的感熱通量和潛熱通量，地表不同的熱量和水分條件可形成不同的生態(tài)系統(tǒng)。然而，地表凈輻射數(shù)據(jù)受到技術(shù)和經(jīng)費的限制很難直接監(jiān)測到，即使可以通過氣象站點進行監(jiān)測，但也通常只能代表較小的區(qū)域，代表不了區(qū)域的空間變化特征。因此，許多研究者將他們的研究集中在區(qū)域尺度對地表凈輻射進行估算。為了能將地表凈輻射的分布進行空間制圖，結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)和地表、大氣數(shù)據(jù)是很有必要的。主要是通過從衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得的反射率、發(fā)射率和地表溫度數(shù)據(jù)來進行建模。瞬時凈輻射可根據(jù)以下公式來計算：Rni＝Rs↓i(1-α)+εRl↓i-εσTsi4(1)其中，Rs↓是下行短波輻射，單位為Wm-2，α是地表反照率(α＝Rs↑/Rs↓，Rs↑是上行短波輻射)，ε是地表發(fā)射率，Rl↓是下行長波輻射，單位為Wm-2，σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位為Wm-2K-4，Ts為地表溫度，單位為K。在上述公式，所有下標(biāo)i代表瞬時時間值。通常，α、ε和Ts可以通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方法獲得，而Rs↓和Rl↓可以通過地表測量或建模來估算。如果公式(1)可行，那么對地表凈輻射進行精確的區(qū)域制圖也有了可能性。然而，這些結(jié)果只能反映衛(wèi)星過境時的瞬時結(jié)果，而綠洲農(nóng)業(yè)應(yīng)用(如估算蒸散量)一般需要日均凈輻射(Rnd)或白天凈輻射(RnD)，二者也通稱為晝夜凈輻射。從這個意義上講，能夠計算日均凈輻射(Rnd)和白天凈輻射(RnD)，甚至?xí)円箖糨椛涞哪Ｐ秃头椒ň蜕僦稚倭?。首先，日均凈輻射可根?jù)下式求出：Rnd=CdRni=[RndRni]localRni---(2)]]>其中，Cd是日均凈輻射Rnd和瞬時凈輻射Rni之間的比值，可以從地面獲取的凈輻射數(shù)據(jù)計算得到。Cd值隨著時間、日期、或站點緯度的變化而變化，但與植被類型無關(guān)，因此對于每幅影像而言可以看做是一個確定的值。如圖1所示，為利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算日均凈輻射Rnd的模擬圖。從圖1中可以看出，在估計每日凈輻射的過程中，盡管Cd不變，但Rnd和Rni在每個像素中的值完全不同，由于常規(guī)氣象站缺乏凈輻射數(shù)據(jù)，這種方法的應(yīng)用受到很大的限制。因此，有學(xué)者又提出了一些估算Cd的方法。SeguinandItier(1983)分析了晴天的夏季白天Cd的變化范圍。從三年的數(shù)據(jù)分析中，考慮到中午瞬時值(12：00太陽時)，他們認為Cd的值為0.30±0.03。該值之后被廣泛的應(yīng)用在許多研究中，但在使用的過程中忽略了地域性和季節(jié)特征。對于未在夏季中午獲取的瞬時值，Cd的比值就需要重新計算。為了能繪制全年的Rnd圖，Rivas和Carmona(2013)提出了使用線性方程的方法。從2007年3月和2009年12月三年間在坦迪爾(37°19'S，59°05'W)獲取的凈輻射測量數(shù)據(jù)結(jié)果分析，證明凈輻射通量的比值隨年份而變，可以認為Cd＝0.43-54/Rni，其中Rni從衛(wèi)星數(shù)據(jù)估計瞬時凈輻射。同時，Sobrino等(2007)使用位于伊比利亞半島(39°21'S，0°19'W)厄爾尼諾薩勒地區(qū)氣象觀測站測得的凈輻射通量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了Cd比值與年中不同時間的日輻射值之間的關(guān)系，提出了一個二次多項式方程來計算Cd值。另一方面，一些研究人員認為只需要考慮白天的數(shù)據(jù)作為蒸發(fā)、蒸騰等活動的主要驅(qū)動力。RnD可根據(jù)如下方程獲得：RnD=CDRni=[RnDRni]localRni---(3)]]>其中，CD是白天凈輻射與瞬時凈輻射之間的比值。Samani等(2005)假定在白天期間接收的凈輻射與短波太陽輻射是成正比的，提出CD是下行短波輻射日均值與瞬時值的比值。他使用了2007年新墨西哥州(32°36'N，106°41'W)的觀測數(shù)據(jù)證明了他的假設(shè)。其中，瞬時輻射值的取值時間是山地標(biāo)準(zhǔn)時間上午11點。在某些情況下，由于瞬時值與日平均氣溫之間的差異，導(dǎo)致高估了RnD值，因此，不得不構(gòu)建新的公式來估算RnD值。此外，Bisht等人(2005)提出了一個正弦模型來估算日均凈輻射和晝夜凈輻射。正弦模型的優(yōu)勢就是只需要衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)(Terra-MODIS)來重建晴空晝夜變化模型，并利用地面數(shù)據(jù)進行驗證，這是一個很好的方法。然而，反演得到的晝夜凈輻射和日均凈輻射都被高估，所有的結(jié)果都存在明顯的誤差?？傊?dāng)凈輻射無法測量時，現(xiàn)有的模型都受到綠洲農(nóng)田區(qū)位置、日期和衛(wèi)星過境時間的限制，很難滿足現(xiàn)有的各種需求。因此迫切的需要有一個利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)來估算綠洲農(nóng)田凈輻射的通用模型，并利用該模型實現(xiàn)凈輻射的快速反演。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明實施例的主要目的在于提出一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法及裝置，本技術(shù)方案通過地面測量數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算晝夜凈輻射的新模式，構(gòu)建區(qū)域凈輻射估算的通用物理模型，從而滿足現(xiàn)有的各種需求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法，包括：基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面，利用可見光和近紅外波段，確定地表反照率αref和地表反射率εref；利用熱紅外波段確定地表溫度Ts，基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面內(nèi)，認定地表溫度Ts與空氣溫度Ta相等，獲得白天空氣溫度Tad、時刻t2的空氣溫度衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度以及衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai；利用地面實測數(shù)據(jù)，獲得白天下行短波輻射Rs↓d、白天下行長波輻射Rl↓d、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行長波輻射Rl↓i；利用所述地表反照率αref、所述地表發(fā)射率εref、所述白天下行短波輻射Rs↓d、所述白天下行長波輻射Rl↓d、所述白天空氣溫度Tad、所述時刻t2的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai、所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射確定凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值根據(jù)凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值確定日均凈輻射Rnd、白天凈輻射RnD以及任一時間點凈輻射優(yōu)選地，所述日均凈輻射Rnd的表達式為：Rnd=[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)(1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]Rni]]>式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4。優(yōu)選地，所述白天凈輻射RnD的表達式為：RnD=[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)(N/24)(1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]Rni]]>式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；N為日照時間或白天時長的最大值，其中，ωs是弧度日落時角，φ是緯度，δ是太陽赤緯；DOY為一年中的某一天；凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4。優(yōu)選地，所述任一時間點凈輻射的表達式為：式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；t1時刻的凈輻射通過凈輻射通量Rni確定，凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4；將凈輻射通量Rni的表達式中的i取t1時即為t1時刻的凈輻射對應(yīng)地，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的裝置，包括：地表反照率和地表反射率確定單元，用于基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面，利用可見光和近紅外波段，確定地表反照率αref和地表反射率εref；地表溫度和空氣溫度確定單元，用于利用熱紅外波段確定地表溫度Ts，基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面內(nèi)，認定地表溫度Ts與空氣溫度Ta相等，獲得白天空氣溫度Tad、時刻t2的空氣溫度衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai以及衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的地表溫度Tsi；短波輻射和長波輻射確定單元，用于利用地面實測數(shù)據(jù)，獲得白天下行短波輻射Rs↓d、白天下行長波輻射Rl↓d、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行長波輻射Rl↓i；計算單元，用于利用所述地表反照率αref、所述地表發(fā)射率εref、所述白天下行短波輻射Rs↓d、所述白天下行長波輻射Rl↓d、所述白天空氣溫度Tad、所述時刻t2的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai、所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射確定凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值輻射確定單元，用于根據(jù)凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值確定日均凈輻射Rnd、白天凈輻射RnD以及任一時間點凈輻射優(yōu)選地，所述輻射確定單元確定的日均凈輻射Rnd的表達式為：Rnd=[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)(1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]Rni]]>式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4。優(yōu)選地，所述輻射確定單元確定的白天凈輻射RnD的表達式為：RnD=[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)(N/24)(1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]Rni]]>式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；N為日照時間或白天時長的最大值，其中，ωs是弧度日落時角，φ是緯度，δ是太陽赤緯；DOY為一年中的某一天；凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4。優(yōu)選地，所述輻射確定單元確定的任一時間點凈輻射的表達式為：Rnt2=Rnt1[(1-αref)Rs↓t2+ϵref(Rl↓t2-σTa4t2)(1-αref)Rs↓t1+ϵref(Rl↓t1-σTa4t1)]]]>式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，單位是Wm-2K-4；t1時刻的凈輻射通過凈輻射通量Rni確定，凈輻射通量Rni的表達式為：Rni＝Rs↓i(1-αref)+εrefRl↓i-εrefσTai4；將凈輻射通量Rni的表達式中的i取t1時即為t1時刻的凈輻射上述技術(shù)方案具有如下有益效果：本技術(shù)方案使用了來自TM傳感器(陸地衛(wèi)星7)獲得的影像和輔助氣象數(shù)據(jù)來估算太陽凈輻射，這對綠洲農(nóng)田蒸散模型的應(yīng)用至關(guān)重要，該方法不局限于緯度，日期，或衛(wèi)星過境時間。因此，只要通過衛(wèi)星影像的可見光，紅外和熱紅外波段獲得瞬時凈輻射，本發(fā)明所提出的模型就可以應(yīng)用于過去，現(xiàn)在或未來。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)計算日均凈輻射Rnd的模擬圖；圖2為本發(fā)明提出的一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法流程圖；圖3為日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd的估算方法示意圖；圖4為本發(fā)明提出的一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的裝置框圖；圖5為本實施例的實驗區(qū)示意圖。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，本發(fā)明的實施方式可以實現(xiàn)為一種系統(tǒng)、裝置、設(shè)備、方法或計算機程序產(chǎn)品。因此，本公開可以具體實現(xiàn)為以下形式，即：完全的硬件、完全的軟件(包括固件、駐留軟件、微代碼等)，或者硬件和軟件結(jié)合的形式。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提出了一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法及裝置。在本文中，需要理解的是，所涉及的術(shù)語中：1、太陽輻射：太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，稱太陽輻射(solarradiation)，是指太陽向宇宙空間發(fā)射的電磁波和粒子流。太陽輻射所傳遞的能量，稱太陽輻射能。太陽輻射能按波長的分布稱太陽輻射光譜。2、地面凈輻射：將地面的短波輻射和長波輻射的收入與支出相抵后，地表的凈收入或凈支出的輻射量就是地面凈輻射(也稱為地表輻射平衡)。3、短波輻射：波長短于3μm的電磁輻射。4、長波輻射：大氣發(fā)射的能量主要集中在4μm-120μm波長范圍內(nèi)的輻射。5、直接輻射：來自輻射源方向的未經(jīng)散射和反射的輻射。此外，附圖中的任何元素數(shù)量均用于示例而非限制，以及任何命名都僅用于區(qū)分，而不具有任何限制含義。下面參考本發(fā)明的若干代表性實施方式，詳細闡釋本發(fā)明的原理和精神。如圖2所示，為本發(fā)明提出的一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的方法流程圖。包括：步驟201)：基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面，利用可見光和近紅外波段，確定地表反照率αref和地表反射率εref；本技術(shù)方案的地表反照率α使用整合后的計算方法：α＝0.356ρ1S+0.130ρ3S+0.373ρ4S+0.085ρ5S+0.072ρ7S(17)其中，ρλS是λ波段的地表反射率。用到的可見光和紅外波段的影像使用了暗物質(zhì)像元的大氣校正法進行了校正。因此，地表反射率使用下面的公式：ρλS=π(LλSAT-LλP)τλv(Eλ0d-2cosθZτλZ+Eλdown)---(18)]]>其中，LλSAT是衛(wèi)星輻射率數(shù)據(jù)(Wm-2sr-1μm-1)，LλP是程輻射數(shù)據(jù)(Wm-2sr-1μm-1)，Eλ0是大氣外太陽輻照度數(shù)據(jù)(Wm-2μm-1)，d為日地距離，θZ是太陽天頂角，τλv是目標(biāo)與傳感器方向的大氣透射率數(shù)據(jù)，τλZ是在光照方向的大氣透射率，Eλdown是下行漫輻射數(shù)據(jù)(Wm-2μm-1)。本技術(shù)方案通過植被覆蓋度Pv以及通過土壤和植被發(fā)射率分量εs和εv來估算地表發(fā)射率。ε＝εvPv+εs(1-Pv)(1-1.74Pv)+1.7372Pv(1-Pv)(19)其中，根據(jù)Rubio，Caselles，andBadenas(1997)等人的研究，εv＝0.985，εs＝0.960。植被覆蓋度Pv通過以下公式計算：Pv=(NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin)2---(20)]]>其中，NDVImax和NDVImin對應(yīng)為植被區(qū)和無植被區(qū)的NDVI值。NDVI的計算使用了第4波段(0.630–0.680μm)和第5波段(0.845–0.885μm)計算得到。步驟202)：利用熱紅外波段確定地表溫度Ts，基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面內(nèi)，認定地表溫度Ts與空氣溫度Ta相等，獲得白天空氣溫度Tad、時刻t2的空氣溫度衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度以及衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai；地表溫度Ts使用輻射傳輸方程計算：B(T)=[((L6SAT-Latm↑)τ)-(1-ϵ)Latm↑]ϵ-1---(21)]]>其中，B(T)(Wm-2sr-1μm-1)是Ts(K)的普朗克方程，是大氣觀察方向的上行天空輻射，是下行天空輻照度除以π(假定朗伯面)，τ是大氣透射率。這些大氣參數(shù)分別通過MODTRAN4.0代碼來計算得到。步驟203)：利用地面實測數(shù)據(jù)，獲得白天下行短波輻射Rs↓d、白天下行長波輻射Rl↓d、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行長波輻射Rl↓i；步驟204)：利用所述地表反照率αref、所述地表發(fā)射率εref、所述白天下行短波輻射Rs↓d、所述白天下行長波輻射Rl↓d、所述白天空氣溫度Tad、所述時刻t2的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai、所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射確定凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值步驟205)：根據(jù)凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值確定日均凈輻射Rnd、白天凈輻射RnD以及任一時間點凈輻射對于上述技術(shù)方案來說，假定在特定的區(qū)域內(nèi)，可以通過α，ε和TS得到的Rn來構(gòu)建空間變異模型。假設(shè)在綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)有一個已知的表面，以下稱為基準(zhǔn)表面(參考表面)，具有以下特點：(1)地表反照率值是已知的，認為α＝αref；(2)該地表發(fā)射率值是已知的，認為ε＝εref；(3)該基準(zhǔn)表面具有高的土壤濕度，使得有可能假設(shè)Ts接近空氣溫度Ta。針對日均凈輻射Rnd，根據(jù)公式(2)，對于衛(wèi)星數(shù)據(jù)而言Cd比值可以認為是個固定值，因此公式(2)可以改寫為：Cd=[RndRni]local=[RndRni]1=[RndRni]2=...=[RndRni]n---(4)]]>其中，下標(biāo)1，2，...，n是綠洲農(nóng)田區(qū)中不同的地表覆蓋類型(棉花，小麥，玉米，沙地等)。從這可以看出，雖然Rnd1≠Rnd1≠…≠Rndn和Rni1≠Rni2≠…≠Rnin，但Cd比值仍舊保持不變。因此公式(4)可以進一步改寫為：Cd=[RndRni]local=[(1-α)Rs↓d+ϵRl↓d-ϵσTs4d(1-α)Rs↓i+ϵRl↓i-ϵσTs4i]---(5)]]>根據(jù)以上假設(shè)，Cd還可以進一步改寫為：Cd=[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)(1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]=[RndRni]ref---(6)]]>其中，αref和εref可以通過實驗獲得。圖3是綠洲農(nóng)田區(qū)域內(nèi)考慮一個假想基準(zhǔn)面并利用地面氣象數(shù)據(jù)所提出的假設(shè)模型的示意圖。大氣溫度和太陽輻射由常規(guī)氣象站測量，而下行長波輻射很少被測量只能進行建模。最終，Rnd值可以通過以下公式計算：Rnd=CdRni=[RndRni]refRni---(7)]]>針對白天凈輻射RnD，根據(jù)公式(7)，提出一個用于估計RnD的改進模型：RnD=CDRni=[RnDRni]refRni---(8)]]>使用如下公式來估算參考表面的白天凈輻射RnDref：RnDref=(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)[N/24]---(9)]]>其中，N是日照時間或白天時長的最大值。N/24可以使得夜間凈長波輻射的負值被忽略。只有時間段Rni為正值才能估算RnD，因此，可以通過如下公式計算：N=24πωs=24π[arccos(-tgφtgδ)]---(10)]]>其中，ωs是弧度日落時角，φ是緯度，δ是太陽赤緯：δ=0.409sen(2πDOY365-1.39)---(11)]]>其中，DOY為一年中(1-365)的某一天。最后，結(jié)合公式(8)和(9)，RnD可以通過如下公式來計算：RnD=RniCD=Rni[RnDRni]ref=...=Rni[(1-αref)Rs↓d+ϵref(Rl↓d-σTa4d)[N/24](1-αref)Rs↓i+ϵref(Rl↓i-σTa4i)]---(12)]]>針對任一時間點凈輻射考慮到衛(wèi)星過境時間的差異，公式(2)可寫為：Rnd=Cd,iRni=Cd,t1Rnt1=Cd,t2Rnt2=...=Cd,tmRntm---(13)]]>其中，i＝t1,t2,...,tm表示某一天的(主要是白天)不同時刻，如此便可以從兩個不同時刻t1和t2的凈輻射值得到瞬時凈輻射值：Rnt2=Rnt1Cd,t1Cd,t2---(14)]]>因此，如果考慮到衛(wèi)星的過境時間t1(能夠提供在區(qū)域尺度上的Rn數(shù)據(jù))，就可以根據(jù)公式(14)來估算t2時間的Rn值。結(jié)合公式(8)和公式(14)，可以得到：Rnt2=Rnt1Cd,t1Cd,t2=Rnt1[RndRnt1]ref[RndRnt2]ref---(15)]]>最終，根據(jù)公式(1)確定參考表面的時間點t1的瞬時凈輻射和參考表面的時間點t2的瞬時凈輻射，估算的公式可以寫為：Rnt2=Rnt1[Rnt2,refRnt1,ref]=Rnt1Ct2,t1==Rnt1[(1-αref)Rs↓t2+ϵref(Rl↓t2-σTa4t2)(1-αref)Rs↓t1+ϵref(Rl↓t1-σTa4t1)]---(16)]]>其中，為時間點t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1對應(yīng)的瞬時凈輻射的比值。因此，使用公式(16)可以得到任意時間點凈輻射。如圖4所示，為本發(fā)明提出的一種估算綠洲農(nóng)田晴空太陽輻射的裝置框圖。包括：地表反照率和地表反射率確定單元401，用于基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面，利用可見光和近紅外波段，確定地表反照率αref和地表反射率εref；地表溫度和空氣溫度確定單元402，用于利用熱紅外波段確定地表溫度Ts，基于綠洲農(nóng)田范圍內(nèi)的基準(zhǔn)參考表面內(nèi)，認定地表溫度Ts與空氣溫度Ta相等，獲得白天空氣溫度Tad、時刻t2的空氣溫度衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度以及衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai；短波輻射和長波輻射確定單元403，用于利用地面實測數(shù)據(jù)，獲得白天下行短波輻射Rs↓d、白天下行長波輻射Rl↓d、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行長波輻射Rl↓i；計算單元404，用于利用所述地表反照率αref、所述地表發(fā)射率εref、所述白天下行短波輻射Rs↓d、所述白天下行長波輻射Rl↓d、所述白天空氣溫度Tad、所述時刻t2的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的時刻t1的空氣溫度所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的空氣溫度Tai、所述衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射Rs↓i、時刻t2的下行短波輻射衛(wèi)星過境時的瞬時時刻i的下行短波輻射時刻t2的下行長波輻射衛(wèi)星過境時的時刻t1的下行長波輻射確定凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值輻射確定單元405，用于根據(jù)凈輻射通量Rni、日均凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值Cd、白天凈輻射和瞬時凈輻射之間的比值CD以及時刻t2的瞬時凈輻射與衛(wèi)星過境時的時刻t1的瞬時凈輻射之間的比值確定日均凈輻射Rnd、白天凈輻射RnD以及任一時間點凈輻射實施例●實驗區(qū)概況如圖5所示，為本實施例的實驗區(qū)示意圖。實驗區(qū)為新疆典型綠洲區(qū)瑪納斯河流域，位于新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，行政區(qū)域包括石河子市、沙灣縣和瑪納斯縣，以及分布在兩縣境內(nèi)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師和第六師的農(nóng)牧團場。地理位置43°27′-45°21′N，85°01′-86°32′E，流域總面積約2.1×104km2，地勢由東南向西北傾斜，海拔最高5242m，最低256m，地形坡由南向北依次分為山地、山前平原和沙漠三大地貌類型區(qū)。流域?qū)賰?nèi)陸干旱區(qū)，夏季炎熱干燥，冬季寒冷多風(fēng)，年均氣溫6.8℃，年降水量110-200mm。流域內(nèi)自東向西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河與巴音溝河，均發(fā)源于天山北麓依連哈比爾尕山脈，由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地，其中瑪納斯河全長324km，也是準(zhǔn)噶爾盆地中水量最大、流程最長的內(nèi)陸河?！竦孛嬲军c資料實驗是在距離石河子市50公里半徑范圍內(nèi)的不同地點進行的。第一項實驗在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)實驗場的棉田進行，第二項實驗在150團的沙漠氣象站中進行。實驗使用凈輻射分量、空氣溫度/相對濕度的實測結(jié)果，下行和上行短波(0.3-2.8μm)和長波(4.5-42μm)輻射使用CNR-4凈輻射計(CNR4NetRadiometer，Kipp&Zonen)進行測定，空氣溫度/相對濕度使用CS215-L探針(CampbellScientific)進行測量。所有傳感器分別安裝在離地面大約2米的位置，并由CR10X數(shù)據(jù)記錄器(CampbellScientific)將每15分鐘的平均值數(shù)據(jù)記錄在處理器的存儲模塊上供后續(xù)處理。地面實驗獲取數(shù)據(jù)的時間與衛(wèi)星過境的時間保持一致，但為了避免某些不可預(yù)知的干擾，在衛(wèi)星過境的前一天、當(dāng)天和后一天分別進行數(shù)據(jù)采集，以確保真實有效的地面數(shù)據(jù)?！襁b感數(shù)據(jù)實驗使用了2010年無云的LandSat7數(shù)據(jù)(表1)，影像在可見光波段和近紅外波段的空間分辨率是30m，熱紅外波段的空間分辨率為60m，最終影像經(jīng)6景影像拼接而成。表1Landsat7衛(wèi)星傳感器參數(shù)表波段波長范圍(μm)地面分辨率10.45～0.51530米20.525～0.60530米30.63～0.69030米40.75～0.9030米51.55～1.7530米610.40～12.5060米72.09～2.3530米80.52～0.9015米②結(jié)果分析為了評估使用的方法和的精度，將結(jié)果值從圖中提取出來后與實測值進行了對比。結(jié)果見表2。結(jié)果顯示通過應(yīng)用公式得到的地表反照率精度較高，Rni、Rnd與RnD值的預(yù)測精度也比較高，達到了預(yù)期的效果。表2Rni、Rnd與RnD預(yù)測值與實測值對比通過統(tǒng)計方法也可以看出，預(yù)測值與實測值是非常吻合的，PRMSE為±3％，BIAS接近于零(表3)，表明該模型是非常理想的。表3統(tǒng)計參數(shù)表遙感影像BIAS(Wm-2)RMSE(Wm-2)PRMSE(％)30/08/20104±10±3③結(jié)論本技術(shù)方案建立的模型獲得的預(yù)測值與實測值比較接近，滿足了各種實際需求。并且本技術(shù)方案使用了來自TM傳感器(陸地衛(wèi)星7)獲得的影像和輔助氣象數(shù)據(jù)來估算太陽凈輻射，這對綠洲農(nóng)田蒸散模型的應(yīng)用至關(guān)重要，該方法不局限于緯度，日期，或衛(wèi)星過境時間。以上具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3