蒸散量的遥感模拟及其与土地利用覆盖关系研究.ppt

蒸散量的遥感模拟及其与土地利用/覆盖关系研究 以内蒙古温带典型草原为例,指导老师：李晓兵 教授 研 究 生：余弘婧 专 业：地图学与地理信息系统 方 向：资源环境遥感,论文提要,1.绪论 2.研究区概况 3.数据采集与预处理 4.基于SEBAL模型的蒸散量计算及其空间 差异分析 5.蒸散量与土地利用/覆盖关系研究 6.结论与讨论,1 绪论,1.1 研究背景和意义,土地利用/覆盖变化通过对下垫面性质，如地表反射率、粗糙度、植被叶面积等的改变，导致温度、湿度、风和降水等发生变化。 陆面蒸散作为反应土地利用/覆盖变化所引起地表水热变化的敏感因子，在陆地生态系统变化对气候反馈影响研究中有着重要的意义，也是当今全球变化研究的焦点之一。,1.2 国内外研究进展,1.2.1 蒸散量计算的遥感模型,统计（经验）及半统计模型 以“简化法”为代表，它是一种通过反演遥感图像地表辐射温度来计算日累积蒸散量的方法。 与传统计算方法相结合的模型 将遥感反演的地表参数应用于传统的计算蒸散量模型中来估算区域蒸散量。 基于地表能量平衡方程的模型 数值模型 模拟能量通量过程的连续时间变化，并用遥感资料及时更新,根据地球表面能量平衡方程先计算净辐射量、土壤热通量和感热通量，然后利用剩余法来计算潜热通量 ：,式中：是空气密度（kg/m3），Cp是空气定压比热（J/kg）， 是空气动力学温度（）， 是在参考高度处的气温（）， 是空气动力学阻抗（s/m），可用风速廓线理论计算。 存在的问题： 用遥感方法并不能直接测得空气动力学温度。 阻抗的确定也是一个难题。,感热通量H一般是用下式计算：,1.3 论文研究内容和技术路线,本文研究区：内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市 模型：SEBAL（Surface Energy Balance Algorithm for Land） 数据源：2005年8月17日研究区的Landsat TM5影像 选取地表反照率、植被盖度、叶面积指数以及地表温度这4个因子，对它们同地表蒸散的关系进行了研究。 研究了土地利用/覆盖类型同陆面蒸散的关系。,技术路线,2 研究区域,本文研究区位于锡林郭勒盟境内，约北纬43024452，东经1151311706，覆盖整个锡林浩特市。市境南北长208km，东西长143km，总面积18，750km2。,3 数据采集与预处理,表 3.1锡林浩特市主要基础数据源一览表,4.基于SEBAL模型的蒸散量计算及其空间差异分析 4.1 SEBAL （Surface Energy Balance Algorithm for Land ）模型理论基础,SEBAL模型建立在地表能量平衡方程上,有着清晰的物理概念。 为地表净辐射通量， 为蒸散量， 为蒸发潜热， 为土壤热通量， 为感热通量。,SEBAL模型是荷兰Water-Watch公司W.G.M.Bastiaanssen 1998年提出的基于遥感的-区域蒸散量估算模型。,SEBAL模型的优点 ： 在地表辐射温度和空气动力学温度的换算关系上，SEBAL模型采用了较为复杂的循环递推计算过程，避免了人为经验所带来的误差。 物理概念比较清晰，对气象资料要求较少 其通量计算独立于土地覆盖类型，可根据不同地理区域和图像获取时间调整经验关系。,图 4.2 本文中利用SEBAL模型计算研究区蒸散量流程,图4.1 基于地表能量平衡方程的SEBAL模型计算蒸散量机理,4.2 地表参数的遥感定量反演 4.2.1 地表反射率的反演,（1）大气顶反射率（大气外光谱反射率） Landsat TM波段15和7的波长在0.452.35 之间，接收的主要是地面物体反射的太阳辐射，因此可以计算地面物体在大气外的光谱反射率： 为地面物体在波段b处的大气外光谱辐射亮度（ ）， 为相应波段b平均大气外光谱辐照度（ ）， 为太阳天顶角，即太阳高度角的余角，从图像的头文件中读取， 为日地天文单位距离。,(2) 窄波段地表反射率,利用6s模型作大气订正，将各波段大气顶反射率转换为各波段（1，2，3，4，5，7）的地表真实反射率 。,校正时，首先模拟计算大气校正参数模拟参数， 、 和 。,为校正后的反射率， 是i波段辐射亮度。,(3) 窄波段地表反射率,地表反射率由各窄波段地表反射率加权求得。即：,这里采用梁顺林的窄波段反射率到宽波段的反照率算法：,4.2.1.1 地表反照率的空间差异分析,整个区域的地表反照率均值为0.23 盐碱地及沙地建筑工矿低覆盖草地中等覆盖草地高覆盖草地水体 随着地表反照率的增高，土地利用类型逐渐由植被覆盖最好的高覆盖草地（水体由于镜面反射原因导致反照率极低）过渡到覆盖最差的盐碱地和沙地。,图 4.3 研究区地表反照率结果图,4.2.2 地表比辐射率的计算,在SEBAL模型中地表比辐射率的计算采用Van de Griend的NDVI估算法 ： 式中： 、 为第四和第三波段的反射率。 该经验关系在NDVI在0.160.74之间时适用。针对本研究区属于自然地表地区，以自然植被覆盖为主，对水体不采取此经验公式计算。,图 4.4 研究区地表比辐射率结果图,4.2.2 地表温度的反演,目前利用TM热红外波段反演陆面温度有3种方法： 辐射传输方程（大气校正法） 覃志豪单窗算法 JM&S单通道算法 本文中采用辐射传输方程（大气校正法）进行了地表温度反演。,辐射传输方程法主要根据卫星上遥感器所观测到的热辐射强度的构成来求解地表温度。这一辐射强度可以表达为：,I 是热辐射强度( ),根据TM6波段的DN值计算，为已知值； 是地表比辐射率； 是用Planck函数表示的黑体热辐射强度，其中， 是地表温度(K); 是大气透射率； 和 分别是大气的下行和上行热辐射强度。,式中： ， 。,根据当天获取的大气温度、湿度等大气剖面数据由MODTRAN4.0模拟计算大气上行辐射、大气下行辐射、大气水分含量、大气平均作用温度、大气透射率。,区域内地表温度平均值为306.2K。 地表温度最低值为289.8K，对应于水面，最高值为320.7K，对应于沙地和裸地。同一天的气象观测结果为平均气温20.8（293.8K），平均地面温度34.5（307.5K），表明计算结果比较合理。,图4.5 地表温度反演图,4.2.3 地表净辐射通量计算,4.2.3.1 向上的长波辐射 为地表比辐射率， 为地表温度， 为Stefan-Boiltzmann常 数 Wm-2K-4。 4.2.3.2 向下的长波辐射 其中 是大气透过率， 为Stefan-Boiltzmann常数， 为空气温度，采用气象站温度。 4.2.3.3 向下的短波辐射 为太阳常数（1367W/m2）， 为太阳天顶角，d为日地天文距离， 为大气透过率。,4.2.3.4 地表净辐射通量,地表净辐射是地表的主要能量来源，可根据辐射平衡方程由入射能量减去出射能量求得。 其中， 为地表反射率。,地表类型从沙地和盐碱地植被水体，净辐射通量逐渐增大，并且随着地表植被覆盖度的提高地表净辐射通量也随之增加。,净辐射通量值分布在415-675 之间，区域内地表净辐射通量平均值563.6 。,图4.7 地表净辐射通量计算结果,图 4.8 净辐射通量分布图,4.2.4土壤热通量计算,土壤热通量用于改变土壤中的能量，是一个相对较小的量，直接计算较为困难，对于植被下垫面，SEBAL模型应用经验公式计算： 其中， 为地表温度， 为地表反射率， 为地表净辐射通量。 对于裸土，为非植被下垫面，近似取为：,图4.9 土壤热通量计算结果,4.2.4 感热通量计算,SEBAL模型引入monin-Obukhov理论，采用了较为复杂的循环迭代计算过程 （1）假设地表上空200m处存在一个掺混层，在此高度上，各像元点风速相等，不再受下垫面粗糙度的影响。根据各像元点的地表粗糙度求得中性稳定度下的摩擦速度和空气动力阻抗，作为一级近似。 （2）为求得空气动力学温度与空气温度的差值，SEBAL 要求在计算区域的卫星图象上确定两个极端点。 “冷点”:该点植被较密集，水分供应充足，蒸散量处于潜在蒸散水平。 H0，dT0； “热点”:该点指非常干燥没有植被覆盖的闲置裸地，其蒸散量基本为0。 根据对“冷点”和“热点” 的计算，建立线性关系 ，进而求得研究 区域各象素点感热通量的分布。,(3) 近地大气层并不稳定，因此SEBAL模型用monin-Obukhov理论计算不同大气稳定度下的相似函数 ， ， 用它对空气动力阻抗 进行校正。进而对感热通量进行循环迭代计算，直到得到稳定的值。,图 4.10 感热通量循环计算流程图,最后得到研究区TM影像 和 之间的关系式：,图4.11 感热通量计算结果,4.2.5 日蒸散量计算及空间差异,采用蒸发比分不变法把瞬时的蒸散量扩展成日蒸散量,图4.12 日蒸散量结果图,日蒸散量平均值为4.3mm，最大值达到了7.5mm。整体来看，在空间上分布上，锡林浩特地区日蒸散量的分布基本呈现西北偏低，东部偏高的特征。,5 蒸散量与土地利用/覆盖关系研究,5.1蒸散量与土地利用类型的关系,图 5.1 研究区土地利用/覆盖类型图,水体、高等覆盖草地和中等覆盖草地的蒸散量明显高于建筑工矿、裸地、盐碱地和沙地的蒸散量，低植被覆盖区蒸散量较高覆盖草地和低覆盖草地蒸散量低。,5.2蒸散量同不同地表参数的关系研究,5.2.1蒸散量与植被盖度的关系,在本研究中根据以下关系计算研究区植被盖度：,图5.4 研究区植被盖度图,、 为研究区内NDVI的最大值和最小值。本文采用统计方法和人机交互相结合的方法来确定和，这里对于植被覆盖区，最大值为0.85，最小值 为0.039。,图 5.5 典型样点蒸散量与植被盖度关系图,植被盖度同蒸散量之间显著的正相关关系。蒸散量有随着植被盖度增加而增大的趋势。,5.2.2地表反照率同土地利用类型的关系研究,图中散布点反映出2者间具有相关关系，经显著性检验，2者呈现显著的负相关，相关系数达-0.77849。,5.2.3 蒸散量同地表温度的关系,三类地物能够较为清楚地区分 。在植被长势好植被盖度高的地方，NDVI值高（0.50.6之间），此处作物的生命活动旺盛，蒸腾量大，整个像元的蒸散阻抗低，潜热能所占的比例增大，像元内的表面温度值降低。在裸土区域以土壤蒸发为主，对蒸散贡献较大的叶面蒸腾不占优势，故裸土区的蒸发量大，整个像元的蒸散阻抗高，像元内的表面温度升高。,图 5.8 地表温度（ ）植被指数（NDVI）特征空间,图5.9 研究区几种典型地物的 特征空间,5.2.3.1结合蒸散和叶面积指数（LAI）解释,随着叶面积指数LAI的增加，植被覆盖度也不断增加，土壤和植被下层对太阳光的反射在很大程度上都被削弱, NDVI值也持续增加。实际上，随着LAI 值的增大, 植被的蒸腾量也不断增加，植被蒸腾在地表蒸散中的比重越来越大。,图5.10：LAI，植被覆盖度f，NDVI的关系,图5.11：LAI与Ts的关系,所反映的空间关系就可以简单的换成LAI 和 Ts 之间的关系,如图5.11 所示.高覆盖草地，部分覆盖草地和裸土随着LAI值的增加而较为清楚的分离开。,6 结论与讨论 6.1 结论,(1) 研究区日蒸散量平均值为4.3mm，最大值达到了7.5mm。蒸散量在空间上分布上存在分异性。整体来看，锡林浩特地区日蒸散量的分布基本呈现西北偏低，东部偏高的特征。日蒸散量较少的区域主要分布于锡林浩特市的西部、北部以及最南部部分区域，这些区域的日蒸散量接近于0。而锡林浩特市东部蒸散量则普遍较高，相当一部分面积日蒸散量在5.6506.575mm之间。中部也零星分布着部分蒸散量水平较低（接近于0）的区块。水体、高等覆盖草地和中等覆盖草地的蒸散量明显高于建筑工矿、裸地和盐碱地沙地的蒸散量，低植被覆盖区蒸散量较高覆盖草地和低覆盖草地蒸散量低。盐碱地和沙地蒸散量情况较复杂。,（2） 地表反照率由大到小序列为：盐碱地及沙地建筑工矿低覆盖草地中等覆盖草地草甸水体。随着地表反照率的增高，土地利用类型逐渐由植被覆盖最好的草甸（水体由于镜面反射原因导致反照率极低）过渡到覆盖最差的盐碱地和沙地。 （3） 地表反照率同植被指数NDVI两者之间呈现显著的负相关。由于NDVI综合反映了像元内植被的生长状态和植被覆盖的信息，因而NDVI可间接反映出地表覆盖和土地利用的特征。,(3) 植被盖度同蒸散量之间显著的正相关关系。一般说来，蒸散量有随着植被盖度增加而增大的趋势。 (4) 研究区