一种基于温度估算农田不同灌溉分区实际蒸散发的方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种地表蒸散发数据获取方法，具体涉及一种基于温度估算农田不同灌溉分区实际蒸散发的方法。背景技术：2.地表蒸散发是指水分以气态进入大气的过程，主要包括地表土壤蒸发、植被蒸腾及植被冠层对降水的截留蒸发，是评价区域地表能量、气候变化和水分平衡的主要指标，是生态环境和水资源评估的重要环节。3.蒸散发获取方法分为水文学法、遥感反演、植物生理学法和微气象法。水文学法中最常用的方法是蒸渗仪法，这是一种装有土壤和植被的容器，可同时测试蒸发量和渗漏量，测量精度高，可自动记录小时甚至分钟尺度的数据，但是其测定面积较小，具有绿洲效应，无法很好的估算整块农田的蒸散发。遥感反演的方法，在获取相同空间信息所需的成本更加低廉，考虑了下垫面的地表异质性和气候条件的空间异质性，比较适用于长时间尺度的观测，但是其空间分辨过粗，由小范围地质差异引起的蒸散发区别无法精确反演。植物生理学法适用于测量地形复杂，鼓励小块或单科植物，但是其样本的代表性具有很大问题，无法用几株植物推算出大面积的总蒸腾量。而微气象法提供了冠层尺度研究过程的主要方式，是测定冠层和大气水热交换的直接方法，在精准测量小区域蒸散发方面具有很大的优势。4.微气象方法主要包括空气动力学法、波文比能量平衡法和涡度相关法。空气动力学法是基于地表边界层梯度扩散理论提出的，根据温度、湿度和风速的梯度及廓线方程计算得到水热通量，但是不适用于平流逆温的非均匀下垫面、粗糙度很大的植物覆盖以及植物冠层内部。波文比能量平衡法是以下垫面的水热交换为基础，在假定热量交换系数和水汽的湍流交换系数相等的情况下，才能使用该方法测定农田水热通量。涡度相关法则是基于涡度相关理论，直接测定大气边界的水汽、温度和风速的脉动计算得到时间平均的协方差获得水热通量，此方法需要的设备价格过于昂贵。技术实现要素：5.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于温度估算农田不同灌溉分区实际蒸散发的方法。6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。7.一种基于温度估算农田不同灌溉分区实际蒸散发的方法：8.测量参考灌溉分区的气象参数，并计算参考灌溉分区的显热通量和蒸散发；9.获取待测灌溉分区和参考灌溉分区的表征参数，基于待测灌溉分区与参考灌溉分区的表征参数差异，估算得到待测灌溉分区的显热通量和蒸散发。10.进一步的技术方案，所述气象参数包括植株冠层温度、两倍冠层高度处的摩擦风速和净辐射、地下8cm处的土壤热通量以及地下g1和g2处的土壤温湿度，且g1、g2均小于8cm。11.更进一步的技术方案，所述参考灌溉分区的显热通量为：[0012][0013]其中：h为显热通量，α、β为经验系数，ρ为空气密度，cp为空气比热，s表示三阶结构函数，δtm为时间间隔，u*为摩擦风速，z为摩擦风速的测量高度，h为冠层高度。[0014]更进一步的技术方案，所述三阶结构函数满足：[0015][0016]其中，n为冠层温度总样本点数，i为冠层温度样本序号，j为冠层温度样本延迟，t表示冠层温度。[0017]更进一步的技术方案，所述蒸散发为：[0018][0019]其中：le为潜热通量，且le满足rn＝h+le+g，rn为净辐射，g为地表土壤热通量，由土壤热通量和土壤温湿度计算得到。[0020]更进一步的技术方案，所述表征参数包括叶面积、地形坡度和叶面积指数。[0021]更进一步的技术方案，所述待测灌溉分区的显热通量为：[0022][0023]其中：lai1、lai2分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积指数，w1、w2分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积，cosα、cosβ分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的地形坡度。[0024]更进一步的技术方案，所述待测灌溉分区的蒸散发为：[0025][0026]其中le满足rn＝h0+le+g。[0027]本发明的有益效果为：本发明通过测量参考灌溉分区的气象参数，计算得到参考灌溉分区的显热通量蒸散发，基于待测灌溉分区与参考灌溉分区的表征参数的差异，估算得到待测灌溉分区的显热通量和蒸散发，实现农田不同灌溉分区实际蒸散发的有效计算，不需要每个灌溉分区都安装气象检测设备，节约数据采集成本，为大范围农田的分区灌溉提供理论指导。附图说明[0028]图1为本发明实施例中的气象站示意图；[0029]图2为本发明实施例中叶面积测量示意图；[0030]图3(a)为本发明实施例中冠层拍摄侧视图；[0031]图3(b)为本发明实施例中冠层拍摄俯视图。具体实施方式[0032]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。[0033]一种基于温度估算农田不同灌溉分区实际蒸散发的方法，具体包括如下步骤：[0034]步骤一，测量参考灌溉分区的气象参数，采用基于涡度理论的三阶温度结构函数，计算参考灌溉分区的显热通量，并依据能量平衡方程计算参考灌溉分区蒸散发。[0035]测量参考灌溉分区的气象参数包括：植株冠层温度、两倍冠层高度处的摩擦风速和净辐射、地下8cm处的土壤热通量以及地下g1和g2处的土壤温湿度，且g1、g2均小于8cm；其中：冠层处的温度利用热电偶进行测量，且热电偶的采集频率在4hz以上；两倍冠层高度处的摩擦风速采用三维超声风速仪进行测量，两倍冠层高度处的净辐射采用净辐射仪进行测量；土壤热通量采用土壤热通量板进行测量；土壤温湿度采用土壤温湿度传感器进行测量；[0036](1)根据测量的土壤热通量和土壤温湿度，地表土壤热通量g表示为：[0037][0038]其中，g′为8cm处的土壤热通量，tg1为地下g1处的土壤温度，tg2为地下g2处的土壤温度，ρb为土壤容重，ρw为水密度，θ为8cm处土壤的体积含水量。[0039](2)基于涡度理论的三阶温度结构函数，显热通量h的计算公式为：[0040][0041]其中：α、β为经验系数，ρ为空气密度，cp为空气比热，δtm为时间间隔，u*为摩擦风速，z为摩擦风速的测量高度，h为冠层高度，s表示三阶结构函数；[0042]三阶结构函数通过以下公式计算：[0043][0044]其中，n为冠层温度总样本点数，i为冠层温度样本序号，j为冠层温度样本延迟，t表示冠层温度。[0045](3)经验系数通过如下方式计算：[0046]温度斜坡模型振幅a满足如下三次方程：[0047][0048]求解式(4)的三次方程，得到温度斜坡模型振幅a的最大实数解；[0049]接下来定义中间量τ为：[0050][0051]由由由拟合的直线斜率即为经验系数β。[0052]式(2)中ρ、cp、δtm、u*为、z、h和s均已知，代入经验系数β之后，式(2)则仅关于h和α的关系式；而基于涡度协方差，可以获得标准的显热通量h(具体过程为现有技术)，反代入化简后的式(2)中，即可获取经验系数α。[0053](4)能量平衡方程为：[0054]rn＝h+le+g(6)[0055]其中，rn为净辐射，le为潜热通量；[0056]由此，蒸散发et表示为：[0057][0058]其中，λ表示汽化潜热系数。[0059]步骤二，获取待测灌溉分区和参考灌溉分区的表征参数[0060]获取待测灌溉分区的表征参数包括：待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积、地形坡度、叶面积指数。[0061]具体地，采用水平仪测量待测灌溉分区的地形坡度与参考灌溉分区的地形坡度；测量两个分区中随机10片叶片的面积，并取平均值作为该分区的叶面积数值；获取同一片植株八个方位的图像信息，基于机器视觉获得叶面积指数。[0062]获取叶面积，具体方式如下：[0063](1)将叶片展开平放在桌面上，叶片旁边放置1cm的刻度尺，正上方俯拍，获取图像信息；[0064](2)使用opencv获取图像信息，创建mask掩膜图像，对其进行高斯模糊处理，得到bgr通道格式的图片，方便后续的颜色识别及提取，之后将bgr通道格式的图片转为hsv通道格式，可以对特定的颜色进行精确识别；再对转换后的图片进行腐蚀，去除图像上存在的噪音，最后将目标颜色以外的部分去除，并将图片转化为二值图像；[0065](3)获取二值图像的边界信息，并对边界框进行绘制，计算出目标区域的面积并记录在log文件中；[0066](4)重复上述步骤，获取其他颜色在原图中所占比例，对数据进行分析以获得颜色比例信息；[0067](5)与1cm标准长度进行比对，得到绿色的实际面积，作为叶面积。[0068]获取叶面积指数，具体方式如下：[0069](1)使用neroic算法将八张照片合成一张三维点云数据；[0070](2)使用opencv获取图像信息，采用自适应阈值和双边滤波去噪对采集到的图像进行预处理，并提取图像的特征；采用多尺度金字塔方法，得到各个特征在不同空间尺度上的多尺度特征图，对不同尺度的特征图进行处理，获取特征子显著图；之后对多尺度上的特征子显著图进行线性归一化操作、行线性叠加，得到每个特征对应的特征显著图；将得到的每个特征显著图进行合并，计算得到最终的总显著图，将总显著图二值化转换为黑白图像，进行形态学处理，去除噪点补充空洞；[0071](3)使用opencv自有函数，绘制图像中叶片轮廓，计算叶片总面积，叶片总面积除以植株在地面投影面积，得到叶面积指数。[0072]步骤三，基于待测灌溉分区与参考灌溉分区的表征参数的差异，估算得到待测灌溉分区的显热通量和蒸散发。[0073]待测灌溉分区的显热通量h0由以下公式计算得到：[0074][0075]其中：lai1、lai2分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积指数，w1、w2分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积，cosα、cosβ分别是待测灌溉分区和参考灌溉分区的地形坡度。[0076]同一片地域，净辐射和地表土壤热通量可认为近似相同，由式(6)和(7)计算得到待测灌溉分区的蒸散发(此时公式(6)中的h替换为h0)。[0077]实施例[0078]本实施例选择实验场地为江苏丹阳吟春碧芽股份有限公司茶场。[0079]步骤一中，在参考灌溉分区搭建如图1所示的气象站，所用净辐射仪为美国campell scientific公司的四分量净辐射仪cnr4，摩擦风速由三维风速仪测量的参数再根据式(9)计算得到，三维风速仪为gill公司的windmaster；在冠层高度处布置omega公司e型热电偶；地下8cm处布置hfp01土壤热通量板，2cm和6cm处放置stevens公司的hydra probe ii土壤温湿度传感器。[0080][0081]其中，u′、v′和w′分别是正北、正东和向上的风速脉动量，为瞬时值与时段平均值的差。[0082]由实际测量的数据，计算得到参考灌溉分区2022年11月4日11时的显热通量为189.26w/m2，蒸散发为0.174mm/d。[0083]步骤二中，使用两个盖玻片制作如图2所示装置，分别在待测灌溉分区和参考灌溉分区随机选取10片叶片，每次测量时，将上面的盖玻片压在叶片上，以此保证每次测量的叶片面积为叶片完全展开时的面积。[0084]参考灌溉分区10片叶片的面积分别为8.41cm3、4.66cm3、8.25cm3、9.94cm3、6.89cm3、9.10cm3、8.74cm3、4.76cm3、8.69cm3和9.08cm3，进而计算得到该分区的叶面积为7.85cm3；待测灌溉分区10片叶片的面积分别为9.75cm3、9.82cm3、9.86cm3、9.30cm3、7.14cm3、9.35cm3、7.91cm3、9.84cm3、3.68cm3和9.95cm3，进而计算得到该分区的叶面积为8.66cm3。[0085]如图3(a)、(b)所示的方位，同倾角获取8张冠层照片，分析得到待测灌溉分区和参考灌溉分区单位面积上的叶片总数分别为3578和3694，进而计算得到待测灌溉分区和参考灌溉分区的叶面积指数分别为3.1和2.9。[0086]步骤三中，将步骤一与步骤二中获得的参数，代入公式(8)，计算得到待测灌溉分区的显热通量为219.29w/m2，待测灌溉分区的蒸散发为0.138mm/d。[0087]而通过涡度协方差方法得到待测灌溉分区的显热通量为208.75w/m2、蒸散发为0.151mm/d；与本发明方法获取的显热通量的误差为5.0％、获取的蒸散发的误差为8.6％，可见通过本发明方法估算的蒸散发精度比较高。[0088]所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。









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