干旱问题分析与评价研究进展liji.doc

沈 阳 农 业 大 学课 程 论 文 （2009-2010学年第 二 学期）课程名称： 课程论文写作 学生姓名： 专业班级： 学 院： 水 利 学 院 学 号： 指导教师： 干旱问题分析与评价研究进展摘要：首先阐述干旱的概念，形成原因、危害、及防治措施，接着阐述运用遥感技术进行干旱监测介绍了我国利用遥感技术进行干旱监测的主要方法及其进展并总结了遥感技术在干旱监测领域发挥的重要作用及其在实际运用中存在的问题。关键词： 干旱 土壤水分 遥感监测 可见光 近红外 远红外1.干旱分析1.1干旱的概念指在农业技术水平不高的条件下，由于长期降水偏少，造成空气干燥，土壤缺水，引起农作物对水分的需求得不到满足，影响正常生物发育而减产失败的一种农业气象灾害。 大地区，降水稀少，且多西北大风，气温低，湿度小，就易发生冬旱。1.2干旱的成因干旱主要是在高气压长期控制下形成的。高气压常占据很大的空间，故干旱往往波及广大地区，即所谓“干旱一大片”。季风反常，是造成我国干旱的主要原因。1.3干旱的指标表征某一地区干旱程度的标准称为干旱的指标。1.4干旱的抗、避、防措施1.41抗旱措施（1）开源节流，合理灌溉（2）选用耐旱品种，抗旱播种（3）耕作和覆盖保墒抑制农田蒸发（4）耕云播雨，缓解旱情1.42避旱措施（1）改革种植制度，避旱夺丰收（2）调整播种，躲过干旱（3）水路不通走旱路（4）育苗移栽躲过春旱1.43防旱措施（1）兴修水利，搞好农田基本建设（2）深耕改土，增强土壤蓄水能力（3）选育抗旱品种，提高抗旱能力（4）绿化荒坡隙地，改善生态环境2.干旱的研究进展1 引言干旱是影响我国农业发展的重要因素之一，给国民经济带来巨大损失。为防范旱灾而进行的土壤水分监测一直是人们关心的问题。常规的监测方法是用土钻取土称重和中子仪法，这些方法不仅测点少，代表性差，无法实现大面积、动态监测，而且费时、费力。遥感技术具有宏观、快速、动态、经济的特点。特别是可见光、近红外和热红外波段能够较为精确地提取一些地表特征参数和热信息，解决了常规方法存在的问题，打开了干旱监测的全新图景。2中国用可见光和红外遥感方法监测干旱的发展情况目前我国在该领域的研究主要集中在光学遥感上，即可见光反射红外遥感和热红外遥感。常用的方法有热惯量法和利用可见光和反射红外遥感资料监测干旱和反演土壤水分。2.1 基于土壤热惯量的方法热惯量是地物阻止其温度变化的一种特性，在地物温度的变化中，热惯量起着决定性的作用。土壤热惯量与土壤的热传导率、比热容等有关，而这些特性与土壤含水量密切相连，因此可以通过推算不同形式的土壤热惯量反演土壤水分。热惯量法反演土壤水分的精度取决于两个关键的步骤：一是推算不同形式的热惯量值；二是建立它们与土壤水分含量的关系式反演土壤水分。为了推算不同形式的热惯量值引入地表综合参量B，但这种方法需要大量的非遥感地表参数，影响了监测的实用性和实时性。在此基础上对P（代表什么特征），B（是否同于前面的B,即地表综合参量）以及地表温差Tg的关系进行简化,用遥感资料直接获得了土壤的热惯量值。但因其只考虑了参数间的统计关系而忽略了物理联系（如将潜热通量化简为只随温度变化的函数式，而不考虑水汽压，地表阻抗等因素）影响了反演精度。后来，田国良等12提出用表观热惯量ATI来代替真实热惯量P。ATI模型简单易求，得到广泛应用。另外，在建立最佳的热惯量与土壤水分关系式方面国内学者也做了不少探讨和研究。如有从数理角度出发建立ATI和土壤水分(W)的统计模型的研究，主要有线性函数、指数函数、对数函数等形式。刘良明等 13分别用上述模型对湖北省进行干旱监测，精度均达到80以上，其中线性模型的结果较指数模型和对数模型稍差。以上模型仅仅考虑了土壤水分对热惯量的影响，实际上地表温度变化受地形、土壤质地、土壤湿度等多种因素的影响，即使地表温度日较差相同其土壤湿度也可能不同。因此引发了从地表温度改变的动力学机制出发，引入辅助因素和热惯量共同推算土壤湿度的研究。在GIS支持下，分别建立不同土壤质地的热惯量模型，结果总平均反演误差比不分土壤质地降低2.1。同时，陈怀亮引入地形参数F和R来描述风场对地面热通量的影响，结果相对误差率降低了0.4%5.3% ,且得到在估测30cm以下水分时风场的影响可以忽略的结论。加入辅助因素的模型完善了传统的热惯量法，提高了水分反演的精度，但在实际实施中存在着一定的难度：如地形单元的划分因研究区域的不同而千差万别，要求不断调整模型的参数；对风场的研究也因其自身的复杂性造成了F、R等参数定义的模糊性和对实地观测的依赖性；影响了此类热惯量模型的适用性。研究发现土壤热惯量差值与干土壤热惯量和土壤中空气热惯量无关而只与土壤水分热惯量差值有关，从而摆脱了局地土壤参数的束缚；引入相对表观热惯量和相对余差热惯量，与波文比结合推算潜热通量，摆脱了温度和风场等因素的影响，达到减少非遥感参数，提高模型适用性的目的。另外，根据已有结论：“只要有足够大的地表温度差值，任何两个时相的地表温度均可计算热惯量”，用土壤受光面和阴影面、叶子受光面和阴影面的温差信息来建立热几何光学模型(SSTDM-S、SSTDM-L1)，将热惯量模型、热量平衡模型和几何光学模型结合起来，直接获得土壤水分和作物缺水指数。此法只需单时相的温差，避免了传感器的时间飘动，且不需要空气、温度等非遥感数据，提高了精度，对热惯量方法进行了发展，开辟了利用多角度遥感信息提取土壤水分的新途径。热惯量法从土壤本身的热特性出发反演土壤水分，要求获取纯土壤单元的温度信息，当有植被覆盖时，受混合像元分解技术的限制精度将降低，因此热惯量法主要应用于裸土条件下。2.2基于研究区蒸散量计算的方法地表蒸散包括土壤蒸发和植物蒸腾两部分，是土壤植被大气间能量相互作用和交换的表现，与土壤水分含量有着明显的相关关系。在植被覆盖区常从蒸散角度出发或计算区域蒸散量或由蒸散量构造相应的指标监测干旱，如作物缺水指数法：（CWSI-crop water stress index）植被完全覆盖时，可把土壤和植物作为一个边界层，用单层模型估算地表蒸散。申广荣等18用单层模型计算地表蒸散量监测黄淮海平原的旱灾，基本满足准确、实时的要求。植被部分覆盖时，土壤和植被热特性不同，对地表蒸散的贡献也不同。因此将地表蒸散细化为土壤蒸发和植物蒸腾，分别建立冠层、土壤表面的热量平衡方程。经典的双层模型，要考虑大量复杂的阻抗，如冠层与参考高度处的阻抗、土壤表面热传输空气动力学阻抗等，在实际工作中这些阻抗的准确获取几乎是不可能的。目前国内的研究主要集中在对经典双层模型的简化上。提出在一定条件下，可将辐射表面温度简化为各组分温度及其面积比的线性组合，空气动力学温度简化为冠层叶片温度的线性函数，来简化显热通量的计算，结果表明其假设和参数化都比较合理。根据能量最小假定，用植被覆盖率fv对空气动力学阻抗进行修正和简化，估算蒸散量，监测黄淮海平原春季旱情，得到干旱蒸散分布图。基于地区蒸散量计算的方法兼顾能量守恒原理、气象学原理和植物水分生理学原理，科学性较强。但是，无论是单层模型还是双层模型都很复杂，涉及大量参数，特别是各种阻抗有一定的地域性，它们的确定没有确切的方法，往往需依赖于经验，各种简化模型也不例外，使其难于推广于生产实践。2.3基于归一化植被指数（NDVI）和温度的方法当植被受水分胁迫时，反映植被生长状况的遥感植被指数会发生明显变化，可通过这种变化来间接监测土壤水分状况。如用“距平植被指数”来判断旱灾程度对全国的旱情进行监测。起初多以单一植被指数作为监测指标，但它对旱情的反映具有滞后性。由蒸发引起的土壤、冠层温度的升高现象对水分胁迫的反映更具时效性。所以就有研究将植被指数和各种温度综合起来构造干旱监测指标。其中最常用的是归一化植被指数NDVI、地表温度或冠层温度的组合。2.3.1植被指数NDVI与地表温度的组合为了通过植被指数与地表温度组合的方法获得土壤水分的含量，国外学者建立了各种土壤含水量W与地表温度Ts的线性模型。在国内，考虑季节因素，并引入植土比例系数C，将地表温度表示为裸地温度和植被覆盖下地表温度的线性组合，使模型推广到各种地表覆盖条件，模型只需无云条件下的白天气象卫星资料，操作简单、易于推广，具有大范围监测土壤含水量的实用性。用NDVI和陆地表面温度（LST）构建NDVITS特征空间，得到温度植被旱情指数（TVDI）模型，计算不同时间不同气候区各像元的TVDI，完成了中国2000年3月和5月各旬旱情监测。另外，杨胜天等25也做了相关研究，构造条件植被温度指数（VTCI）。上述基于NDVI和地表温度构造的干旱监测指标都要反演地表真实温度，这向来是定量遥感的难点，目前此研究无论是理论上还是模型建立、精度保证上离实用均有较大差距。2.3.2 NDVI与植被冠层温度的组合水分充足时植被指数和冠层温度都保持在一定范围内，相反，若出现旱情植被指数会降低，冠层温度也会因作物气孔被迫关闭而升高。可以利用这种响应关系定义旱情监测指标。如：植被供水指数VSWI=TS/NDVI其中，Ts是作物冠层温度。等用此指标，建立遥感模型确定贵州省的干旱面积，建立了VSWI和地面干旱指数之间的回归方程。金一锷等27建立了不同条件下温差与土壤水分的检查表，并综合静止气象卫星GMS的高时间分辨率和极轨卫星的高空间分辨率的优点，构建干旱分级指数DCI.陈添宇等 28发现冠层温度随植被指数变化的直线斜率是反映土壤湿度的理想指标，以此对西北干旱半干旱区进行了监测。以上模型，需要植被冠层温度，而热红外遥感图像的空间分辨率较低，普遍存在混合像元问题，当部分植被覆盖情况下就涉及到从混合像元中分解出冠层温度的技术问题。2.3.3 NDVI与亮温的统计模型NOAA/AVHRR通道4可以测量反映被测物体温度高低的表面放射辐射。因此可以通过NDVI、亮温与土壤水分的关系的统计分析来建立三者间的数理关系，从而利用遥感反演的亮温和NDVI计算出土壤水分含量。郭铌等29建立了土壤相对湿度W和NDVI、亮温T4的回归模型。陈怀亮等30考虑到地表性质差异的影响引入通道2数据，结果准确率提高1.7左右。以上模型直接利用亮温，避免了反演地表真实温度或冠层温度造成的误差。但是物体温度由其热特性和几何结构共同决定，同时还受微气象条件、生态环境等的影响，直接用亮度温度代替物体温度缺乏科学性，只能用于一些简易的计算。基于植被指数和温度的干旱监测方法，是根据植被覆盖状况的变化来进行的，不适于裸土情况。2.4 基于土壤水分光谱特征的方法在各波长点土壤水分反射率曲线图中可以看出，土壤水分含量约大于5%时,随土壤水分含量的增加土壤反射率呈指数下降趋势。刘培君等31引入 “光学植被盖度”，把混合象元的光谱信息纯化为裸土的光谱信息，并进行了TM资料与NOAA/AVHRR资料之间的转换得到NOAA/AVHRR土壤水分回归模型，以实现大面积干旱监测。塔西甫拉提?特依拜等32使用Landsat7ETM+资料,推算土壤水分,并提出评价地下水位分布的遥感模型GLDRS模型。 但是，土壤水分反射率的正相关关系受土壤水分含量的限制，一般在土壤水分含量不超过25的时候较明显，超过25以后反射率将出现反弹，模型将不再适用。而且根据不同的土壤质地需要对模型中的参数a,b进行调整，需要丰富的先验知识和资料。2.5其他太阳辐射能量是植物土壤大气系统一切活动的能量源泉，系统吸收的太阳辐射能量决定了其热通量的分配。王晓云等33定义能量温度比指标K，按不同时间（35月，911月），不同土层深度（10、30、50cm）分别建立与土壤水分W的回归模型（线性、幂函数），在北京地区进行效果检验，发现各模型中秋季模型效果较好，幂函数形式较好和对表层土壤水分的拟合较好。3小结与结论我国利用可见光和红外遥感资料监测干旱取得了可喜的成就，在空间尺度上，监测范围从具体的某个省、市自治区，到绿洲荒漠交错带、黄淮海平原等特定地理区域，甚至大到全国范围的监测；时间尺度上，有对作物某一生长时期的研究，也有对整个生长季全过程的动态监测；监测手段上，从某一单一遥感器的利用到综合各种遥感器的优势，如TM和NOAA/AVHRR组合、GMS和NOAA/AVHRR组合等，以及GIS、RS、GPS的“3S”技术的有机结合，从而大大提高了监测精度；同时，利用的波段也日趋多样化和综合化，有可见光、红外、热红外甚至微波；监测方法上，既有对原有方法的简化和完善，也有对新方法的探索，建立了不少象SSTDM-S、SSTDM-L1、能量温度比等确实可行的新模型和新指标。参考文献1齐述华,王长耀,牛铮,刘正军;利用NDVI时间序列数据分析植被长势对气候因子的响应J;地理科学进展;2004年03期 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Drought Monitoring in the field of remote sensing technology has played an important role in its practical application problems.Key words: Drought Soil moisture Remote Sensing Visible NeXXXXXX学院毕业论文（设计）文 献 综 述(文献综述题目)（小二号宋体）学生姓名 XXXX学 号 1234567890专 业 XXXXXXX班 级 XX042指导教师 XXX（以上全部用小二号宋体）附件：毕业论文题目文献综述（黑体二号字居中）作者署名（宋体四号字，居中）（所在院系 指导教师：XXX）（楷体小五号字，居中）摘要：（黑体五号字）（摘要内容）（楷体小五号字）关键词：（黑体五号字）关键词1 关键词2（楷体小五号字）Abstract：（黑体五号字）（摘要内容）（Times New Roman 小五号字）Keywords:（黑体五号字）Keyword1 Keyword2（Times New Roman小五号字）（文字）。（宋体五号字）一、研究背景及动态（黑体四号字）（文字）。二、评述（黑体四号字）（文字）。三、结论（黑体四号字）（文字）。参考文献：（黑体四号字）1.主要责任者. 文献题名:其他题名信息(任选)文献类型标识. 其他责任者(任选).版本项(任选). 出版地：出版者，出版年：起止页码（当整体引用时不注）.(一般图书)（楷体小五号字）2 主要责任者文献题名J 刊名（建议外文刊名后加ISSN号），年，卷（期）：起止页码.（期刊）3 主要责任者文献题名N报纸名，出版日期（版次）.（报纸）4 标准编号，标准名称S .（标准、法规等）5 专利所有者专利题名：专利国别，专利号P. 出版日期.（专利）6 主要责任者. 文献题名：原件日期B. 收藏地：收藏单位（收藏编号）：起止页码.（档案）7 主要责任者.文献题名O.其他责任者（包括校、勘、注、批等）刊行年代（古历纪年）及刊物机构（版本）.收藏机构.（古籍）8 主要责任者文献题名Z出版地：出版者，出版年.（未定义文献）9 析出文献主要责任者. 析出文献题名文献类型标识/ 原文献主要责任者（任选）. 原文献题名. 出版地：出版者 出版年：析出文献起止页码.（析出文献）10 主要责任者. 文献题名:其他题名信息(任选)文献类型标识/载体类型标识. 其他责任者(任选).版本项(任选). 出版地：出版者，出版年：起止页码（当整体引用时不注）.(载体为为“DK”、“MT”和“CD”等的电子文献）11 主要责任者. 文献题名XXX学院毕业论文（设计）文 献 综 述(文献综述题目)（小二号宋体）学生姓名 XXXX学 号 1234567890专 业 XXXXXXX班 级