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研究生： 陳奕穎
Yi-Ying Chen
論文名稱： 發展遙測資料反演可感熱與潛熱通量之研究
The Research of Developing the Retrieval Algorithm of Sensible Heat and Latent Heat Fluxes from Remote Sensing Data Set
指導教授： 劉說安
Y.A. Liou
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 地球科學學院 - 水文與海洋科學研究所
Graduate Instittue of Hydrological and Oceanic Sciences
畢業學年度： 92
語文別： 中文
論文頁數： 114
中文關鍵詞： 潛熱通量 、可感熱通量 、NDVI
外文關鍵詞： Latent heat flux, Sensible heat flux, NDVI
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    • 摘要
    本文利用空載遙測資料：可見光、近紅外光與熱紅外光多波段資料，配合地面氣象站所量測得的氣象資料，進行地表通量的估計，地表通量包括蒸發散量及可感熱通量。推估方法基於地表能量平衡方程式，反演的地表參數包含反照率(albedo)、地表溫度及標準差植被指數(Normalized Difference Vegetation Index; NDVI )。其中，對於地表溫度的部分，係利用NDVI推求熱紅外光波段的放射率，再透過Lowtran7程式套校正大氣所造成的微小誤差；最終，將校正的輻射量值轉換為地表溫度。至於潛熱通量與可感熱的分配，則以地表氣象資訊與溫度-反照率空間散佈圖的乾、濕控制條件配合推求。本研究先依照遙測取像時的氣象條件，以數值迭代的方法推求各像元的潛勢蒸發散量；再以遙測多光譜的特性，重新分配潛熱與可感熱通量。將本反演結果與S-SEBI模式比較，顯示本研究所反演出的潛熱通量與可感熱通量，均較接近渦度儀(eddy correlation)測值。並以田間量測葉面蒸散量與遙測推估值做比對，兩者具有相同的空間變異趨勢。以上多點均說明了，透過多波段遙測資料推估潛熱通量與可感熱通量的合理性。

    Abstract
    In order to retrieve the latent and sensible heat fluxes, high-resolution airborne imageries with visible, near infrared, and thermal infrared bands and ground-based meteorology measurements are utilized in this thesis. The retrieval scheme is based on construction of surface energy budget and momentum equations. There are three basic surface parameters including surface albedo(α), normalized difference vegetation index(NDVI) and surface kinetic temperature(T0). Lowtran 7 code is used to correct the atmosphere effect what the imageries were taken on 28 April and 5 May 2003. From the scattering plot of data set, we observed the critical dry and wet pixels which can use to drive for fitting the dry and wet controlled lines. We assumed all pixels in this scene being the wet condition, so that the numerical iteration method could solve whole imagery without correction. Then the sensible heat and latent heat fluxes are derived from previous procedure which mentions the partition factor Λ. The retrieved latent and sensible heat fluxes are compared with many in situ measurements, including eddy correlation and porometer measurements, and the consequence shows they and their spatial variation from our model are better agreement with experimental data than those from S-SEBI model.

    目錄 謝誌 I 摘要 IV Abstract V 目錄 VI 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 緒論 1 1-1 簡介 1 1-2 研究背景與目的 2 1-3 文獻回顧 3 1-3.1以單點資料估算地表蒸發散量 3 1-3.2以面的遙測資料推估地表蒸發散量 4 第二章 基本理論 10 2-1 蒸發散的物理傳輸機制 10 2-2 基本理論方程式 10 2-2.1 擴散方程式(Fick’s First Law) 10 2-2.2 水氣(潛熱)傳輸方程式 11 2-2.3可感熱傳輸方程式 16 2-3 大氣不穩定的修正方程式 18 2-4 能量平衡與輻射平衡 21 2-4.1淨輻射量(Rn) 22 2-4.2土壤熱通量(G0) 24 2-4.3可感熱與潛熱通量 28 第三章 遙測地表參數 29 3-1輻射路徑 29 3-2 Lowtran7 求大氣穿透率 30 3-3 地表反照率(Surface albedo) 32 3-4 標準差植被指數(NDVI) 33 3-5 土壤修正植被指數(SAVI) 33 3-6 葉面積指數(LAI) 34 3-7 地表溫度(Surface Kinetic Temperature) 35 3-7.1 除去大氣效應的影響 36 3-7.2 地表放射率 37 第四章 S-SEBI模式與反演方法 39 4-1 S-SEBI模式 39 4-1.1 控制曲線的選取 41 4-2 本研究之反演方法 41 4-2.1迭代計算的步驟 41 4-2.2蒸發散量比值Λ與潛熱通量 43 第五章 研究結果與討論 44 5-1 研究試區 44 5-2 影像資料 44 5-3 氣象資料 45 5-4 試驗儀器的介紹 45 5-4.1 多光譜數位成像儀 45 5-4.2 熱紅外光感測器 45 5-4.3 氣孔孔度計 46 5-5 採樣位置規劃 47 5-5.1 田區採樣資料 47 5-6 估算田區蒸發散量 48 5-6.1演算法的測試 48 5-6.2 S-SEBI模試估計蒸發散 49 5-6.3 實際蒸發散量與葉面蒸散量 50 第六章 結論與建議 53 6-1 研究結論 53 6-2 建議事項 54 參考文獻 55 附錄A 潛熱通量單位換算 98 附錄B 太陽天頂角與傾角的計算 100 表目錄 表4-1. 不同地表覆蓋下的動量粗糙長度(Z0) 62 表5-1. 台灣傳統水稻田栽培水深管理與生育日之觀測(淺水栽培一期作) 63 表5-2. 空拍記錄表 64 表5-3. 2003年4月28日所紀錄的氣象資料(靠近82號水稻田的氣象站)。 64 表5-4. 2003年05月07日所記錄的氣象資料(77號水稻田中EDDY CORRELATION)。 65 表5-5. MS3100CIR儀器各波段的中心頻與FWHM大小(摘自廖子毅, 2002) 65 表5-6. INFRARED SOLUTIONS公司的SNAPSHOT熱感測器的基本資料表。 66 表5-7. 2003年4月28日， 第74號田區18個採樣點之水稻葉面蒸散量，田間實測值與模式估算值的比較表。 66 表5-8. 2003年4月28日， 第75號田區8個採樣點之水稻葉面蒸散量，田間實測值與模式(ETA)估算值的比較表。 67 表5-9. 四組不同假設的動量粗糙長度(ZO)表。 67 表5-10. 四組不同假設所估算的潛熱通量與渦度儀量測值之比較。 68 表5-11. 切割的影像大小。 68 表5-12. 乾、濕控制曲線的係數表 68 表5-13. 新反演法、S-SEBI模式推估各通量值與渦度儀估計誤差的比較表。 69 (資料為2003年4月28日) 69 圖目錄 圖2-1. 單一水分子的分子結構圖；水分子由一個氧原子與兩個氫原子構成，水分子雨水分子間，易因為正負電偶極而相互吸引，形成氫鍵此與潛熱能的釋放有關。 70 圖2-2. 風速場與垂直高度的關係圖， D為零風速面的位移高度(摘自PRINCIPLES OF ENVIRONMENTAL PHYSICS, 1973, AMERICAN ELSEVIER) 。 70 圖2-3. 近地表大氣中風場與垂直高度之間的關係圖與三種不同大氣條件下所產生的渦度結構(A.中性狀態B.不穩定狀態 C.穩定狀態 D. 風場與垂直高度之關係)。 71 圖2-4. 可感熱大氣穩定度的修正函數ΨH圖，實線為式2-27 (DYER,1974) ，虛線為式2-29 (BURSTAERT,1992) 。 71 圖2-5. 動量大氣穩定度的修正函數ΨM圖，實線為式2-28 (DYER,1974) ，虛線為式2-30 (BURSATERT,1992)。 72 圖2-6. 地表能量平衡的示意圖。 72 圖2-7. 地表輻射平衡示意圖。 73 圖2-8. 臺北縣淡水氣象站探無降雨的條件下探空氣球所計算出的可降水量與，近地表水氣壓力除以氣溫比值的回歸圖， 。 73 圖2-9. 白天的平均反照率 與迴歸係數C1之間的關係圖 (摘自： BASTIAANSSEN ET AL.，1998) 。 74 圖2-10. 土壤熱通量與淨輻射比值，與NDVI之間的關係式 (摘自： BASTIAANSSEN ET AL.，1998) 。 74 圖3-1. 太陽能可以透過幾種輻射傳遞路徑至遙測載具的示意圖。 75 (摘自：REMOTE SENSING OF THE ENVIRONMENT: AN EARTH RESOURCE PERSPECTIVE, PP.50, 2000. ) 75 圖3-2. 水稻(臺農67號)於分孽後一些生長性狀與光譜指數(NDVI)的關係圖，左下角為水稻葉面積指數與標準差植被指數的關係。其關係為： ，R2=0.6661。 76 圖3-3. 實驗室光譜儀量測純水體(左圖)與乾草(右圖)之放射率隨波長而變化的情況；純水體於8至12ΜM波段的平均放射率為0.970，乾草於8至12ΜM波段的平均放射率為0.987。 77 (摘自：REMOTE SENSING AND IMAGE INTERPRETATION, 4TH EDITION, PP.331, 2000. ) 77 圖3-5. 熱紅外光波段重新取樣搭配由NDVI反演熱紅外光波段放射率求取地表溫度的示意圖。 78 圖4-1. 地表反照率與地表溫度的關係圖。 78 圖4-2. 以潛勢能蒸發散法計算地表蒸發散量程式的流程圖。 79 圖4-3. 以潛勢能蒸發散法計算地表蒸發散量程式之副程式(一)的流程圖。 80 圖4-4. 以潛勢能蒸發散法計算地表蒸發散量程式之副程式(二)的流程圖。 81 圖5-1. 台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區水稻田的編號與丈量圖；圖中位於82號田的A1為農試所氣象站的位置。 81 圖5-2. 左圖熱影像未經幾何校正前，右圖熱影像經過幾何校正後。 82 圖5-3. 架設於第77號田的渦度儀(EDDY CORRELATION MEASUREMENT)於圖中的上方，最上方白色的建築物為氣象站。 82 圖5-4. 架設於77號田區渦度通量儀的量測結果，時間為2003年4月28日。 83 圖5-5. 架設於77號田區渦度通量儀的量測結果，時間為2003年5月7日 (13-15時儀器故障) 。 83 圖5-6. 高光譜載具MS3100-CIR可見光、紅光、近紅外光三個波段的頻譜圖。 84 圖5-7. 74與75號水稻田所規劃的採樣點，74號田(右邊)根據有效圖層左、右深淺不一規劃成左、右各設九個採樣點，共18個採樣點；75號田(左邊)因有效土層分佈較為均勻，因此將該規劃成八個分散的採樣點。 84 圖5-8. 氣孔孔度計(POROMETER)田間採樣與記錄過程圖。 85 圖5-9. 將動量粗糙長度假設為0.05公分，模式所計算出來的蒸發散量，單位為(W/M2)。 86 圖5-10. 將動量粗糙長度假設為0.10公分，模式所計算出來的蒸發散量，單位為(W/M2)。 86 圖5-11. 將動量粗糙長度假設為0.20公分，模式所計算出來的蒸發散量，單位為(W/M2)。 87 圖5-12 將動量粗糙長度假設為0.40公分，模式所計算出來的蒸發散量，單位為(W/M2)。 87 圖5 -13. 比較在不同空間取向空間下所獲得的乾、濕控制像元所計算出的水稻田蒸發散量，左上角為在825*825的區域內所選取的乾、濕控制像元與迴歸控制曲線；右上角為在1807*1930的區域內所選取的乾、濕控制像元與迴歸控制曲線。左下角為以825*825的區域所反演出74至79號水稻田區的蒸發散量；右下角為以1807*1930的區域所反演出74至79號水稻田區的蒸發散量(空間解析度為0.25公尺)。 88 圖5-14. 2003年4月28日地表溫度與地表反照率的空間散佈圖。 89 圖5-15. 2003年4月28日所選取的乾、濕像元與迴歸的控制線圖。 89 圖5-16. 2003年5月7日地表溫度與地表反照率的空間散佈圖 (紅外光波段資料過飽和情況) 。 90 圖5-17. 2003年5月7日所選取的乾、濕像元與迴歸的控制線圖。 90 圖5-18. S-SEBI模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的蒸發散量，單位為(W/M2)，2003年4月28日。 91 圖5-19. S-SEBI模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的可感熱通量，單位為(W/M2)，2003年4月28日。 91 圖5-20. S-SEBI模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的蒸發散量，單位為(W/M2)，2003年5月7日。 92 圖5-21. S-SEBI模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的可感熱通量，單位為(W/M2)，2003年5月7日。 92 圖5-22. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的蒸發散量，單位為(W/M2)，2003年4月28日。 93 圖5-23. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的可感熱通量，單位為(W/M2)，2003年4月28日。 93 圖5-24. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，74至79號田區的蒸發散量，單位為(W/M2)，2003年5月7日。 94 圖5-25. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，74至79號田區的可感熱通量，單位為(W/M2)，2003年5月7日。 94 圖5-26. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區的葉面積指數(LAI)，2003年4月28日。 95 圖5-27. 模式估算台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區水稻的葉面蒸散量，單位為(W/M2)，2003年4月28日。 95 圖5-28. 台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，74號田水稻的葉面蒸散量，單位為(W/M2) ，2003年4月28日。 96 圖5-29. 台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，74號田水稻的葉面蒸散量，氣孔孔度計(POROMETER)量測與反演計算之比較圖，單位為(W/M2) ，2003年4月28日。 96 圖5-30. 台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，75號田水稻的葉面蒸散量，單位為(W/M2) ，2003年4月28日。 97 圖5-31. 台中縣霧峰鄉農試所水稻田試驗樣區，75號田水稻的葉面蒸散量，氣孔孔度計(POROMETER)量測與反演計算之比較圖，單位為(W/M2) ，2003年4月28日。 97

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