[發明專利]一種土壤水分監測的數據同化方法

無效

• 申請號: 200910090034.3
• 申請日: 2009-07-29
• 公開（公告）號: CN101614651A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 秦其明;朱琳
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/00
• 分類號: G01N21/00;G01S17/89
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 關 暢;任鳳華

技術領域

本發明涉及一種土壤水分監測的數據同化方法。

背景技術

傳統的土壤水分監測是通過實地采樣得到土壤水分數據，這種方式費時費力，而且監測范圍較小、數據獲取的時間較長。此外，受土壤性質、地表覆蓋狀況、氣候條件等影響，土壤水分的空間和時間變化非常大。僅利用實地觀測數據顯然不能滿足大面積連續土壤水分監測的要求。

與單點的實測法相比，遙感具有全球范圍的空間感知能力，地表土壤水分變化可以在遙感影像上通過光譜特征表現出來，各種空間分辨率遙感影像成為大范圍監測土壤水分的重要技術手段。鑒于可見光-近紅外遙感受云層、大氣氣溶膠、水汽含量等因素的影響比較大，有效的遙感數據獲取時間間隔較長，遙感獲得的是地表土壤水分信息的瞬時值，這些因素導致難以對土壤水分變化的深入分析和預測。

生態過程模型將水分變化有關的物理過程進行了機理性的描述，并將土壤水分有關的參數通過數理方程表達出來，能夠計算給定時間的土壤水分。它有助于理解土壤、大氣和植被之間的相互反饋作用和時間的動態變化過程。當生態過程模型擴展到大空間尺度上時，模型參數隨時間和空間的變異性導致生態過程模型越來越復雜和難以確定。特別是當一些參數隨時間和空間發生變化，相應沒有或只有很少的幾個離散的實地觀測數據來校正的時候，會導致模型的誤差隨時間累積，對土壤水分的估計會漸漸偏離真實值。

發明內容

本發明的目的是提供一種土壤水分監測的數據同化方法，具體是通過數據同化來進行土壤水分監測。

本發明提供的方法，包括如下步驟：

(1)用生態過程模型作為動態模型模擬每日土壤水分的空間分布狀況，動態模型中的初始值為初始參數和初始土壤水分數據，運行動態模型，輸出模擬的土壤水分數據；將土壤表面的遙感數據進行反演獲得表層土壤水分數據；將遙感數據對應日的模擬土壤水分數據和遙感數據反演得到的表層土壤水分數據結合起來進行數據同化，得到優化的生態過程模型參數；

(2)將優化后的參數代入步驟(1)的動態模型，重新運行動態模型，獲得模擬的每日土壤水分數據。

所述方法包括至少一個同化周期，每個同化周期中只存在一個遙感數據，且該遙感數據的對應日為同化周期中的最后一日，所述每個同化周期包括以下步驟：

(1)用生態過程模型作為動態模型模擬同化周期中每日土壤水分的空間分布狀況，動態模型中的初始值為初始參數和初始土壤水分數據，運行動態模型，輸出模擬的土壤水分數據；將同化周期中土壤表面的遙感數據反演為表層土壤水分數據；將遙感數據對應日的模擬土壤水分數據和將遙感數據反演得到的表層土壤水分數據結合起來進行數據同化，得到優化的生態過程模型參數；

(2)將優化后的參數代入步驟(1)的動態模型，重新從同化周期的起始時間運行動態模型，獲得模擬的同化周期中每日土壤水分數據。

所述方法可包括兩個以上的同化周期；將上一個同化周期的步驟(2)得到的土壤水分數據集合的平均值作為下一個同化周期的初始土壤水分數據，將上一個同化周期得到的優化后的參數集合的平均值作為下一個同化周期的初始參數，重復進行步驟(1)和步驟(2)。

所述步驟(1)中，運行動態模型前，可在所述初始參數的基礎上加上一個高斯擾動，得到參數集合。

所述動態模型具體可采用修改后的Boreal?Ecosystem?ProductivitySimulator(BEPS)模型。BEPS綜合了能量平衡、光合作用、自養呼吸、土壤有機質分解、土壤水分平衡等生態過程，是一種生態過程綜合模型。BEPS模型成功地將遙感數據加入到生態過程模型中，解決了時間和空間尺度轉換的難題。BEPS模型的具體流程包括：參數預估計、輸入數據、陰葉和陽葉分離模型、植被凈第一生產力的計算、土壤水分平衡的計算、模型輸出等模塊。所述動態模型具體如下：出發模型為Boreal?Ecosystem?Productivity?Simulator(BEPS)模型；將出發模型進行了如下修改：在模型輸入數據階段將模型與土壤水分有關的參數設置成變量，并進行擾動產生相應集合；將模型中的土壤水分估算的桶式模型改成兩層土壤水分平衡模型，其中第一層從地表到地下10cm，第二層從地下10cm到地下飽和層以上。

所述遙感數據具體可為遙感短波紅外波段和近紅外波段反演的短波紅外水分脅迫指數(Shortwave?Infrared?Perpendicular?Water?Stress?Index，SPSI)。