1　引 言

2　代表性地表温度—植被指数三角/梯形特征空间法

2.1　三角/梯形特征空间干湿边或极限端元温度的确定

10.11834/jrs.20210388.T001

Representative methods of dry and wet edge/end-member determination in land surface temperature-vegetation index triangle/trapezoid space

2.1.1　经验回归法

2.1.2　理论计算法

Tsd=ra(Rn-G)/Cv+Ta Tsw=ra(Rn-G)/Cvγ(Δ+γ)-VPD/(Δ+γ)+Ta Tvd=ra(Rn-G)/Cvγ(1+rcx/ra)/Δ+γ(1+rcx/ra)-VPD/Δ+γ(1+rcx/ra)+Ta Tvw=ra(Rn-G)/Cvγ(1+rcp/ra)/Δ+γ(1+rcp/ra)-VPD/Δ+γ(1+rcp/ra)+Ta

2.1.3　时间序列法

Tsd=max(TR,d-TR,n) Tsw=min(TR,d-TR,n)

2.2　地表蒸散发反演及土壤蒸发/植被蒸腾分离建模

10.11834/jrs.20210388.T002

Comparison of models of evapotranspiration retrieval based on remotely sensed land surface temperature-vegetation index triangular/trapezoidal characteristic space

PT-?系数

Priestley-Taylor方程可全遥感反演、无需阻抗计算干湿边确定常常具有较大不确定性Jiang和Islam(1999)

Penman-Monteith方程或

Priestley-Taylor方程

Tang等(2015)

Tang和Li(2017)

2.2.1　三角空间法

Jiang和Islam（1999）首次结合地表温度—归一化植被指数三角空间将应用于湿润地表的Priestley-Taylor方程中的?系数（一般设为1.26）重新参数化，即通过预先设定的干湿边或极限端元处的?值利用线性插值技术获取给定像元的?值（在0—1.26之间变化），提出了著名的地表蒸散发遥感反演“三角空间法”（图3表2），实现了水分亏缺地表的蒸散发全遥感估算。

LE=?i(Rn-G)ΔΔ+γ ?i=Tmax,i-Ts,iTmax,i-Tmin,i(?max,i-?min,i)+?min,i

2.2.2　梯形空间法2.2.2.1水分亏缺指数法

LE=LEP(1-WDI) WDI=(Ts-Ta)w-(Ts-Ta)r(Ts-Ta)w-(Ts-Ta)d

2.2.2.2同步分离法

Comparison of the performance of remote sensing decomposition models for soil evaporation and vegetation transpiration between representative “simultaneous separation method” and “two-stage separation method”

PCACA+LEAPixel Component Arranging And Comparing Algorithm+ Layered Energy-separating AlgorithmMODIS中国山东禹城作物站48 W/m2Zhang等(2005,2008)
TTMETwo-source Trapezoid Model for EvapotranspirationTM/ETM+，ASTER美国爱荷华州中部SMACEX作物站

45.6W/m2

63.1W/m2

Long 和Singh(2012)
ETEMLEnhanced Two-Source Evapotranspiration Model for LandTM/ETM+美国爱荷华州中部SMACEX作物站59 W/m2Yang等(2015)
HTEM

Hybrid Dual-source Scheme

and Trapezoid Framework-Based Evapotranspiration Model

TM/ETM+美国爱荷华州中部SMACEX作物站；中国山东微山站

31 W/m2

45 W/m2

Yang和Shang

(2013)

TSTTwo-Stage TrapezoidMODIS中国黑河流域盈科作物站0.04—0.07（蒸发比误差）Sun(2016)
ESVEPEnd-member-based Soil and Vegetation Energy PartitioningMODIS中国山东禹城作物站60 W/m2

Tang(2015)

Tang 和 Li(2017)

Tdry=(Tvd-Tsd)Fc+Tsd

Twet=(Tvw-Tsw)Fc+Tsw

Tsoil=Tsw+Ts-TwetTdry-Twet(Tsd-Tsw) Tveg=Tvw+Ts-TwetTdry-Twet(Tvd-Tvw)

LEsoil=Tsd-TsoilTsd-TswLEsw LEveg=Tvd-TvegTvd-TvwLEvw

2.2.2.3两段分离法

Jiang和Islam（2003）首次解译了三角空间和梯形空间的形成机制，认为梯形空间是由于植被根区缺水从三角空间进一步演化而来的。Tang等（2015）Tang和Li（2017）通过土壤—植被—大气水热传输模型的模拟以及理论分析，提出了土壤水分近似“上亏下盈、下亏上无”（即当表层土壤水分亏缺造成土壤蒸发低于潜在蒸发时，根区土壤供水充分且植被是处于潜在蒸腾状态的；而当根区土壤水分亏缺造成植被蒸腾低于潜在蒸腾时，表层土壤无可利用水分供于蒸发）变化的新思路和梯形空间内临界边（即“土壤干边”，图4）的概念，并解译了土壤蒸发与植被蒸腾在梯形空间内的变化机制。随后，在不同的极限端元计算方案的基础上，Sun（2016）Tang和Li（2017）分别进一步提出了基于地表温度—植被指数梯形空间的土壤蒸发与植被蒸腾分解的“两段分离法”模型（表3）。

T*=(Tsd4(1-Fc)+Tvw4Fc)1/4

Tveg=Tvw Tsoil=(Ts4-FcTveg4)/(1-Fc)1/4 LEveg=LEvw LEsoil=Tsd-TsoilTsd-TswLEsw

Tsoil=Tsd Tveg=Ts4-(1-Fc)Tsoil4/Fc1/4 LEveg=Tvd-TvegTvd-TvwLEvw LEsoil=LEsd=0

“两段分离法”ESVEP模型的提出，使得地表温度—植被指数三角空间与梯形空间成功衔接起来，保持了两者空间在所涉物理概念、成因以及地表蒸散发反演方面的连贯性和一致性，完善了基于梯形空间分解土壤蒸发与植被蒸腾的理论。“两段分离法”与“同步分离法”的显著差异在于：“两段分离法”假定当土壤蒸发受到水分约束时，植被一直处于潜在蒸腾状态；当植被蒸腾受到水分约束时，土壤蒸发为0；而“同步分离法”认为表层土壤水分和根区土壤水分在梯形空间干边与湿边之间是由低到高同步变化的（即表层与根区具有相同的土壤水分含量等值线）。

2.2.3　三角空间和梯形空间的联系与区别

3　结　语

（1） 三角空间与梯形空间在机理上有何联系与差异？蒸散发及土壤蒸发/植被蒸腾在三角/梯形特征空间内随着土壤水分和植被指数到底是如何变化的？不同的解译方案对蒸散发反演结果有多大程度的影响？

（2） 现有的代表性干湿边或极限端元确定方案所估算出来的极限端元温度有多大的差异？合理性如何？对土壤蒸发与植被蒸腾的分离有多大的影响？

（3） 不同植被类型具有不同的阻抗特征。针对整个研究区，仅利用一套干湿边或极限端元的参数化方案，而不考虑不同植被类型的差异，对地表蒸散发的遥感反演具有多大的影响？是否合理？是否有必要针对不同的植被类型分别构建各自的干湿边或极限端元估算模型？

（4） “同步分离法”与“两段分离法”对于不同的植被类型（如林地、草地、作物等）的适用条件是否一致？两类方法的分离结果有何联系与差异？哪种分离方案更为合理？

（5） 所有研究均针对梯形空间所估算的地表总蒸散发进行真实性检验，而未对分解的土壤和植被组分温度以及土壤蒸发和植被蒸腾进行验证，使研究者无法充分判断哪一种分离方案更为合理？此外，通过各种“同步分离法”和“两段分离法”二源蒸散发遥感反演模型，所分解的混合像元土壤和植被温度组分以及分离的土壤蒸发和植被蒸腾，各有什么样的联系与差异？

（6） 由于地表温度随大气强迫的改变而变化显著，绝大多数基于三角/梯形特征空间反演地表蒸散发或分离土壤蒸发/植被蒸腾的研究，均需要针对每一个卫星过境时刻开展干湿边或极限端元温度的确定，而已有的基于长时间序列遥感数据确定极限端元温度的方法所确定的极限端元温度已经偏离了其原有的物理含义（某给定大气强迫条件下对应的干燥裸土温度），且会存在较大偏差，从而给反演结果带来较高不确定性。考虑到地表温度—植被指数特征空间本质上是利用地表温度的高低来指示土壤水分的亏缺状况，而地表温度对大气强迫的变化非常敏感且难以确定，能否利用遥感数据的时空变化信息发展出一种无需确定特征空间干湿边或极限端元地表温度的蒸散发遥感反演新方法？或者，能否进一步开展基于长时间序列遥感数据确定干湿边或极限端元的深入研究，发展出物理意义正确、精确度高且可操作性强的通用干湿边或极限端元确定方法？