本發(fā)明涉及生態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱成像技術(shù)的屋頂植被蒸散發(fā)量測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

城市綠化面積伴隨著城市化擴(kuò)大不斷減少，這直接導(dǎo)致城市熱島效應(yīng)增強(qiáng)、城市徑流增大等問題。綠色屋頂植被是增加城市綠化面積的有效措施，在具備觀賞性的同時(shí)，可以有效緩解上述問題。在城市空間日益緊張，城市綠地增加有限的情況下，綠色屋頂植被以越來越受到人們的歡迎。

城市綠色屋頂植被的水量平衡是一項(xiàng)研究重點(diǎn)，基本的平衡關(guān)系是“降水＝土壤含水率增加+徑流+蒸散發(fā)”。蒸散發(fā)量是綠色屋頂水量平衡重要的一環(huán)，準(zhǔn)確的對(duì)屋頂植被的蒸散發(fā)量進(jìn)行測(cè)量顯得尤為重要。

目前，傳統(tǒng)上植被蒸散發(fā)的測(cè)量方法包括蒸滲儀法、波文比法和樹干液流法。蒸滲儀法，它的原理是通過稱重的方法，利用質(zhì)量平衡，計(jì)算出一定時(shí)間段內(nèi)植被蒸散發(fā)量。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是只適合實(shí)驗(yàn)室小范圍使用，無法在城市綠色屋頂植被蒸散發(fā)量觀測(cè)中廣泛使用。波文比法、渦度相關(guān)法等微氣候?qū)W方法，這類方法使用尺度大，同時(shí)靈敏度高，反應(yīng)速度快，但是由于混合長(zhǎng)度的需要，這類方法適用于平坦均勻地表，對(duì)于城市綠色屋頂植被這種塊狀分布，可能存在對(duì)流干擾的環(huán)境，微氣候?qū)W方法適用效果不佳。樹干液流法，將傳感器插入樹干，測(cè)量木質(zhì)部通過的水量，從而計(jì)算出植被蒸騰量，此方法適用于喬木蒸騰量的測(cè)量。而城市綠色屋頂植被通常為草本植物，不適用于樹干液流法。

因此，急需提供一種能準(zhǔn)確測(cè)量屋頂植被蒸散發(fā)量的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明專利目的在于設(shè)計(jì)了一種基于熱成像技術(shù)的屋頂植被蒸散發(fā)量測(cè)定方法，適用于觀測(cè)不規(guī)則分布的植被，不受對(duì)流干擾，可以在不接觸植被的情況下，可精準(zhǔn)測(cè)量城市綠色屋頂蒸散發(fā)量。

本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下：

一種基于熱成像技術(shù)的屋頂植被蒸散發(fā)量測(cè)定方法，包括如下步驟：

步驟S1，首先獲取屋頂植被的熱紅外圖像，處理分析所述熱紅外圖像得到參考植被冠層表面溫度值T_p和植被冠層表面溫度溫度值T_c；

具體的，采用Envy軟件和SmartView軟件處理分析所述熱紅外圖像，提取研究區(qū)域植被的溫度最大值作為參考植被冠層表面溫度值T_p，提取研究區(qū)域植被冠層的平均溫度作為植被冠層表面溫度溫度值T_c。

步驟S2，獲取拍攝場(chǎng)地的氣象數(shù)據(jù)信息；具體的，氣象數(shù)據(jù)信息包括氣溫T_a、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量R_n、參考土壤的凈輻射量R_nd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、參考土壤的土壤熱通量G_d、蒸發(fā)土壤面的表面溫度T_s、參考土壤的表面溫度T_sd、植被的凈輻射量R_p、參考植被凈輻射量R_np。

步驟S3，基于所述氣象數(shù)據(jù)信息以及參考植被冠層表面溫度值T_p和植被冠層表面溫度溫度值T_c計(jì)算得到植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E；

所述植物蒸騰速率T根據(jù)以下公式得到：

T＝R_p-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)；

所述土壤蒸發(fā)速率E根據(jù)以下公式得到：

E＝R_n-G-(R_nd-G_d)(T_s-T_a)/(T_sd-T_a)；

其中，T為植物蒸騰速率，單位為W/m²；R_p為植被的凈輻射量，單位為W/m²；R_np為參考植被凈輻射量，單位為W/m²；T_c為植被冠層表面溫度溫度值，單位為K；T_p為參考植被冠層表面溫度值，單位為K；T_a為氣溫，單位為K；其中，E為土壤蒸發(fā)速率，單位為W/m²；R_n為蒸發(fā)土壤面的凈輻射量，單位為W/m²；R_nd為參考土壤的凈輻射量，單位為W/m²；G為蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量，單位為W/m²；G_d為參考土壤的土壤熱通量，單位為W/m²；T_s為蒸發(fā)土壤面的表面溫度，單位為K；T_sd為參考土壤的表面溫度，單位為K。

步驟S4，根據(jù)所述植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E得到屋頂植被蒸散發(fā)速率ET，以及進(jìn)一步得到屋頂植被蒸散發(fā)量Ev；

所述屋頂植被蒸散發(fā)速率ET根據(jù)以下公式得到：

ET＝(1-f)*E+f*T；

其中，ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率，單位為W/m²；E為土壤蒸發(fā)速率，單位為W/m²；T為植物蒸騰速率，單位為W/m²；f為植被覆蓋率。

所述屋頂植被蒸散發(fā)量Ev根據(jù)以下公式得到：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]；

其中，Ev為屋頂植被蒸散發(fā)量，單位為g；ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率，單位為W/m²；T為觀測(cè)時(shí)間，單位為s；S為屋頂總面積，單位為m²；T_a為氣溫，單位為K。

具體的，所述觀測(cè)時(shí)間T應(yīng)不大于120分鐘。

附圖說明

以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是本發(fā)明一種基于熱成像技術(shù)的屋頂植被蒸散發(fā)量測(cè)定方法的流程圖

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一的熱紅外圖像圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明提出了一種基于熱成像技術(shù)的屋頂植被蒸散發(fā)量測(cè)定方法，請(qǐng)參閱圖1，包括如下步驟：

步驟S1，獲取屋頂植被的熱紅外圖像，處理分析所述熱紅外圖像得到參考植被冠層表面溫度值T_p和植被冠層表面溫度溫度值T_c。

具體的，所述熱紅外圖像利用手持式熱紅外成像儀在研究區(qū)域正上方拍攝，或者利用無人機(jī)搭載機(jī)載式熱紅外成像儀在研究區(qū)域正上方拍攝得到。

對(duì)拍攝的熱紅外圖像進(jìn)行分析處理，采用Envy軟件和SmartView軟件處理分析所述熱紅外圖像，提取研究區(qū)域植被的溫度最大值作為參考植被冠層表面溫度值T_p，提取研究區(qū)域植被冠層的平均溫度作為植被冠層表面溫度溫度值T_c。

步驟S2，獲取拍攝場(chǎng)地的氣象數(shù)據(jù)信息。

具體的，所述氣象數(shù)據(jù)信息包括氣溫T_a、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量R_n、參考土壤的凈輻射量R_nd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、參考土壤的土壤熱通量G_d、蒸發(fā)土壤面的表面溫度T_s、參考土壤的表面溫度T_sd、植被的凈輻射量R_p、參考植被凈輻射量R_np。

步驟S3，基于所述氣象數(shù)據(jù)信息以及參考植被冠層表面溫度值T_p和植被冠層表面溫度溫度值T_c計(jì)算得到植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E。

具體的，所述植物蒸騰速率T根據(jù)以下公式得到：

T＝R_p-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)；

其中，T為植物蒸騰速率，單位為W/m²；R_p為植被的凈輻射量，單位為W/m²；R_np為參考植被凈輻射量，單位為W/m²；T_c為植被冠層表面溫度溫度值，單位為K；T_p為參考植被冠層表面溫度值，單位為K；T_a為氣溫，單位為K。

所述土壤蒸發(fā)速率E根據(jù)以下公式得到：

E＝R_n-G-(R_nd-G_d)(T_s-T_a)/(T_sd-T_a)；

其中，E為土壤蒸發(fā)速率，單位為W/m²；R_n為蒸發(fā)土壤面的凈輻射量，單位為W/m²；R_nd為參考土壤的凈輻射量，單位為W/m²；G為蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量，單位為W/m²；G_d為參考土壤的土壤熱通量，單位為W/m²；T_s為蒸發(fā)土壤面的表面溫度，單位為K；T_sd為參考土壤的表面溫度，單位為K；T_a為氣溫，單位為K。

凈輻射值R_p、R_np、R_n、R_nd可以利用凈輻射儀自行測(cè)量或者根據(jù)當(dāng)日最大輻射值計(jì)算得出，或者從官方氣象站獲得此數(shù)據(jù)。土壤熱通量G如果無法獲取，可另其等于20％的凈輻射值R_n。

蒸發(fā)土壤面的表面溫度T_s、參考土壤的表面溫度T_sd為其平均值。

步驟S4，根據(jù)所述植物蒸騰速率T和土壤蒸發(fā)速率E得到屋頂植被蒸散發(fā)速率ET，以及進(jìn)一步得到屋頂植被蒸散發(fā)量Ev。

具體的，所述屋頂植被蒸散發(fā)速率ET根據(jù)以下公式得到：

ET＝(1-f)*E+f*T；

其中，ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率，單位為W/m²；E為土壤蒸發(fā)速率，單位為W/m²；T為植物蒸騰速率，單位為W/m²；f為植被覆蓋率。

植被覆蓋率f若為100％，可忽略土壤蒸發(fā)率E，認(rèn)為綠色屋頂蒸散發(fā)量等于植被蒸騰量。

進(jìn)一步，所述屋頂植被蒸散發(fā)量Ev根據(jù)以下公式得到：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]；

其中，Ev為屋頂植被蒸散發(fā)量，單位為g；ET為屋頂植被蒸散發(fā)速率，單位為W/m²；T為觀測(cè)時(shí)間，單位為s；S為屋頂總面積，單位為m²；T_a為氣溫，單位為K。

所述觀測(cè)時(shí)間T應(yīng)不大于120分鐘，否則長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量會(huì)出現(xiàn)結(jié)果偏差。

具體實(shí)施例一：

請(qǐng)參閱圖2，為本發(fā)明實(shí)施例中待計(jì)算其蒸散發(fā)量的綠色屋頂植被的紅外遙感圖像，拍攝時(shí)間為上午8點(diǎn)整，在拍攝植被熱紅外圖像時(shí)，要盡量在植被上方垂直向下拍攝。

具體步驟如下：

一、利用紅外遙感技術(shù)，在綠色屋頂種植區(qū)域正上方拍攝熱紅外圖像；根據(jù)植被覆蓋率f，判斷是否需要將土與植被分離。從而分別進(jìn)行計(jì)算。若植被覆蓋率f幾乎為100％，可忽略土壤水分的蒸發(fā)速率E，視研究區(qū)域蒸散發(fā)速率ET約等于植被蒸騰速率T，無需分離土壤與植被；若植被覆蓋率f較低，視研究區(qū)域蒸散發(fā)速率ET等于植被蒸騰速率T和土壤水分蒸發(fā)速率E的和，需要利用Envy軟件將植被和土壤區(qū)域分離，然后分別計(jì)算。在本實(shí)例中，植被覆蓋率f約為100％，無需分別植被和土壤，即：ET＝T。

二、從氣象站獲取相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，包括研究區(qū)域氣溫T_a、蒸發(fā)土壤面的凈輻射量R_n、無蒸發(fā)土壤參考土壤的凈輻射量R_nd、蒸發(fā)土壤面的土壤熱通量G、無蒸發(fā)土壤參考土壤的土壤熱通量G_d、植被的凈輻射量R_n、參考植被凈輻射量R_np。本實(shí)例中，氣溫T_a值為295.55K，植被的凈輻射量R_n等于參考植被凈輻射量R_np，值為134W/m²。

三、利用三溫模型計(jì)算綠色屋頂蒸散發(fā)量。本實(shí)例中，研究區(qū)域植被的相關(guān)溫度T_p和T_c均通過Envy軟件和紅外熱成像儀配套軟件SmartView，處理植被熱紅外遙感圖像獲得，其中，參考植被冠層表面溫度T_p值，取研究區(qū)域植被溫度最大值，為298.71K；植被冠層表面溫度溫度T_c用研究區(qū)域植被冠層平均溫度表示，為296.32K。則綠色屋頂瞬時(shí)蒸發(fā)速率ET：ET＝T＝R_n-R_np(T_c-T_a)/(T_p-T_a)＝101.35W/m²

四、計(jì)算綠色屋頂蒸散發(fā)量。本實(shí)例中，觀測(cè)時(shí)間T取3600s，觀測(cè)區(qū)域面積是是一塊半徑為0.25m的原型樣地，因此綠色屋頂面積S值為0.049m²，氣溫T_a同步驟二中氣溫值。帶入公式，可計(jì)算出此樣地上午8點(diǎn)到9點(diǎn)蒸散發(fā)總量：

Ev＝ET*T*S/[2500.78-2.36*(T_a-273.15)*10⁶]＝29.250g。

為驗(yàn)證本專利方法的可靠性，從上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)，利用本方法和土壤蒸滲儀法(通常應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)定植被蒸散發(fā)量，應(yīng)用范圍小，但結(jié)果準(zhǔn)確，認(rèn)為其測(cè)定值為真實(shí)值)同時(shí)對(duì)綠色屋頂樣地的蒸散發(fā)量進(jìn)行測(cè)定，兩者線性相關(guān)系數(shù)R為0.7393。因此，本專利提出的利用熱紅外技術(shù)測(cè)定綠的屋頂蒸散發(fā)量的方法不僅結(jié)果精確，同時(shí)步驟簡(jiǎn)單、適用范圍廣。

以上所述本發(fā)明的具體實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思所做出的各種其他相應(yīng)的改變與變形，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。