【RS Notes】Carson and Petropoulos, 2019 估算蒸散和表层土壤水的新方法：简化三角形

DOI: 10.1080/01431161.2019.1601288

科学问题

如何精确估算蒸散和表层土壤水？

背景

“三角形”方法已经得到了广泛应用，但由于往往需要与SVAT等陆表生态过程模型结合，实际应用的难度还是较大。因此提出了这一简化三角法。

简化三角法的输入

由NDVI计算得到的FVC
由LST计算得到的 $T^*$

可以参考前文：Carson 2007 综述：利用“三角形”方法从卫星影像估算地表蒸散和土壤水分。

因为FVC对大气状况高度不敏感（Carlson and Ripley, 1997），所以不需要对NDVI进行校正。同时，由于进行了归一化， $T^*$ 相比原始的LST，受大气影响也较小。因此，简化三角法中的 $T^*$ 同样也没有对大气衰减进行修正。作者认为，这样可以大大减少影像处理的时间。

对影像的要求

地表高程差不超过10%
不能有大面积的水体或云，少量的水体或云需要预先去除
尽量避免高度异质的植被

三角形的构建

绘制散点图。

云的去除：利用云像元低温、高反射率、低NDVI的特征
水体的去除：利用水体像元低温、低反射率、低NDVI的特征

三角形的解释

暖边（如果三角形的边界确定良好）：

$T^*_\text{warm edge}=1-\mathrm{FVC}$

暖边（一般情况）

$T_\text{warm edge}=\alpha+\beta\cdot\mathrm{NDVI}$

冷边可以大致视为 $(\mathrm{FVC}=1.0, T=T_\min)$ 和 $(\mathrm{FVC}=0.0,T=T_\min)$ 之间的一条直线。由于实际中，往往很难找到充分湿润的裸露土壤像元，冷边可能会呈现出向植被覆盖侧倾斜的现象。

有时三角形的顶点是圆弧形或截断型的，导致三角形看起来更像是梯形。一些研究者认为这是在 $\mathrm{FVC}=1$ 的情况下，植被本身受到水分胁迫的影响也会发生温度变化；同时，这也可能是因为影像中并不存在真正的 $\mathrm{FVC}=1$ 的像元。

求解表层土壤水 $M_\text{o}$ 和蒸散比 $\mathrm{EF}$

$M_\text{o}=(1-T^*_\text{pixel})/(1-\mathrm{FVC})$

$\mathrm{EF}=\mathrm{EF}_\text{s}\cdot(1-\mathrm{FVC})+\mathrm{EF}_\text{v}\cdot\mathrm{FVC}=M_\text{o}\cdot(1-\mathrm{FVC})+\mathrm{FVC}$

如果不是理想三角形，则 $M_\text{o}$ 应当采用下式计算：

$M_\text{o}=(1-T^*_\text{pixel})/T^*_\text{warm edge}$

其中 $T^*_\text{warm edge}$ 利用拟合式计算。

笔记

比起需要大量输入参数和精确校正的方法，简化的方法在遥感中往往有更大的应用价值。在追求模型的真实性和精确性的同时，也要考虑易用性。

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