基于理论VFC/LST特征空间的区域蒸散发遥感反演研究

Evapotranspiration (ET) is the most important process which relates to energy exchange and mass transfer between hydrosphere, atmosphere, and biosphere. Estimating land surface evaporation using remotely sensed surface temperature is a hot and difficult research point. Spatial contextual model based vegetation fractional cover - land surface temperature space (VFC/LST) is one of the important ET modeling approaches. However, two critical issues are related with the application of the VFC/LST based ET modeling approaches: (1) the application of this type of models are restricted to a spatially homogeneous surface; (2) the determination of the VFC/LST boundary involves great ambiguity and cause large uncertainties to ET estimation. The objective of the project is to investigate the variations of the land surface temperature, and to study the relationship between land surface temperature and land surface biophysical parameters based on filed experiment and land surface model simulation. A method to simulate four extreme points of VFC/LST will established and a theoretical VFC/LST space will be determined for each pixel. Based on the theoretical VFC/LST space, the temperature decomposition method will be improved and a two source evapotranspiration model will be proposed. At last, using remotely sensed data and regional meteorological data, the regional soil evaporation and vegetation transpiration will be estimated using the newly developed two source ET model. The results will greatly promote the application of the VFC/LST based ET modeling approaches to heterogeneous surfaces and would definitely benefit to water resource management and ecological environment development.

蒸散是连接水圈、大气圈和生物圈能量和水分交换的重要物理过程。基于遥感地表温度的区域蒸散反演是研究的热点和难点。基于植被覆盖度(VFC)和地表温度(LST)特征空间的蒸散模型方法是一类重要模型方法。此类模型的应用面临几个关键问题：一是模型仅适用平坦均一的下垫面；二是特征空间理论边界的确定存在较大的模糊性，模型应用具有极大的不确定性。对此，本项目提出开展野外试验和陆面过程模拟分析，研究不同覆盖度、水分供给条件下，地表温度变化规律及其与下垫面生物物理参数的关系，开展VFC/LST特征空间的深入研究。建立特征空间理论极限点的模拟方法，构建单个像元的理论VFC/LST特征空间；基于理论特征空间改进混合温度分解方法，实现双源遥感蒸散模型的构建。最后，结合卫星遥感数据实现区域土壤蒸发和植被蒸腾的反演研究。研究结果可扩展VFC/LST特征空间模型的应用范围，为区域水资源规划管理、生态环环境建设提供支撑。

蒸散发，包括土壤蒸发和植被蒸腾，是大气圈、水圈和生物圈水分和能量交换的重要过程，地表蒸散、土壤蒸发和植被蒸腾的估算和模拟是陆气相互作用、旱情监测、水土资源管理和区域水文模拟等方面研究的关键。基于植被覆盖度(VFC)和地表温度(LST)特征空间的蒸散模型方法是地表蒸散估算的重要模型方法。此类模型的应用面临几个关键问题：一是模型仅适用平坦均一的下垫面；二是特征空间理论边界的确定存在较大的模糊性，模型应用具有极大的不确定性。本项目开展基于植被覆盖度(VFC)和地表温度(LST)特征空间的蒸散模型方法改进研究，首先针对VFC/LST特征空间确定方法的经验性，开展VFC/LST特征空间的理论极限点的模拟方法研究，构建基于单个像元的理论VFC/LST特征空间；基于理论特征空间开展单/双源遥感蒸散模型的构建及应用。项目研究成果主要包括如下几方面：（1）提出一种基于单个像元的理论VFC/LST特征空间确定方法，杜绝了传统特征空间确定方法的二义性。（2）基于单个像元的理论VFC/LST特征空间，构建了一种不依赖于空气动力学阻抗参数化的单层遥感蒸散模型方法，在蒸散模型对比估算评估研究表明此单层模型效果和SEBS模型相近；（3）基于理论VFC/LST特征空间及等土壤湿度线的假设，提出一种基于单个像元的混合温度分解方法，构建了一种双源遥感蒸散模型方法。 (4) 开展了三个双源遥感蒸散模型的对比研究，结果表明在探测植被水分胁迫信息方面， 基于理论VFC/LST特征空间的混合温度分解方法效果优于TSEB的迭代计算方法。综合以上研究成果，本研究为改进VFC/LST特征空间的遥感蒸散模型方法的不确定性及区域蒸散估算应用奠定了工作基础，研究结果可扩展VFC/LST特征空间模型的应用范围，为区域水资源规划管理、生态环境建设提供支撑。