（地图学与地理信息系统专业论文）基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究.pdf

摘要 摘要 内蒙古半干旱地区存在着严重的缺水问题。本文结合9 7 3 子课题( 6 2 0 0 0 0 7 7 9 0 7 ) “定量遥感在西部生态环境建设中的应用示范研究”，以不同退化程度的草地为 主要研究对象，围绕着区域缺水这个主题，从m o d i s 卫星遥感数据预处理、地表参数 的遥感定量反演、到区域缺水遥感监测方法的改进开展了一系列的研究，主要工作包 括以下几方面： 从地表能量平衡原理入手，结合地面同步实测数据和气象数据。运用遥感蒸散法， 建立了基于亚像元的半干旱地区区域双层蒸散模型( s r d e m ) ；其中，考虑到叶面积指 数与植被的几何粗糙度之间有密切关系，引入叶面积指数计算动力传输粗糙度长度， 从而改进显热通量算法。并通过地表缺水指数研究区域缺水状况，实现对表层土壤水 分的定量反演。 地表缺水指数物理意义明确，定量精度较高，但涉及参数较多，且部分仍依赖于 地面气象台站及同步观测的微气象资料，实时性相对较差。因此本次研究从分析植被 冠层反射、发射光谱与植被冠层水的成因关系入手，直接运用卫星遥感参数植被 指数、植被组分温度、归一化植被水分指数，组成植被冠层水综合指数( v t w s i ) 。以 反演植被冠层水分含量。 地表缺水指数是通过基于亚像元的双层蒸散模型提取的，它既考虑了土壤的水分 蒸发，又考虑了植被的蒸腾。目前主要是通过建立地表缺水指数和实测土壤水分之间 的经验关系式，提取土壤水分含量。考虑到半干旱地区植被冠层水主要由土壤水提供， 但植被供水状况与植被水分实际状况之间存在着一定的“滞后”，而在监测区域缺水或 旱情的实际应用中，人们更关心的是植被实际水分状况，但仅考虑植被冠层水对于半 干旱地区的区域研究也是不够的。鉴于此，本文运用遗传规划算法，建立了地表缺水 指数与植被冠层水分、表层土壤水分含量之间的定量关系。通过模拟值与实际值之间 的对照分析及敏感性分析表明所建定量关系式是比较理想的，而且该定量关系在植被 覆盖区不但考虑了土壤水，同时还加入了植被冠层水，说明能够应用到地表缺水的研 究，从而改进了运用遥感蒸散法监测区域缺水的方法。 运用m o d i s 卫星遥感数据定量反演了地表温度、植被土壤组分温度、地表反照率、 叶面积指数、植被覆盖度等地表参数，作为模型计算的输入。为满足基于亚像元尺度 基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究 的双层蒸散模型需求，本文选择遗传算法利用m o d i s 热红外多波段数据，实现了基于 亚像元尺度的植被土壤组分温度反演，为地表能量平衡、蒸散研究提供更精确的参数。 云一真是图像处理、图像分析的一大障碍，由于本研究区常见多云天气，为使从 遥感数据提取的参数更精确，在大气校正的前提下，进行云的检测分析是很有必要的。 在云检测多种研究方法中，一般采用阈值法来提取云的信息。由于阈值法带有一定主 观性，本文探讨了云检测指数和基于空间结构分析和神经网络的云自动检测算法，其 检测结果较常规阈值法精度高、效果好。 关键词：组分温度，双层蒸散模型，地表缺水指数，v t w s i ，区域缺水遥感监测 摘要 s t u d y o nr e g i o n a lw a t e rd e f i c i t m o n i t o r i n g m e t h o d u s i n g r e m o t e s e n s i n g b a s e do n v e g e t a t i o ne v a p o t r a n s p i r a t i o n s o n gx i a o n i n g ( m a p p i n ga n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a o y i n g s h i h e a v yd e f i c i to fw a t e ri sak e yp r o b l e mi ns e m i a r i da r e ao ft h en o r t h w e s tc h i n a ，i n n e r m o n g o l i a t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e sd i f f e r e n td e g r a d e dd e g r e e sg r a s s l a n d s a i m i n ga tt h e t o p i c o fr e g i o n a lw a t e rd e f i c i t ，t h i s p a p e r h a s d e v e l o p e d m e t h o d si nm o d i sd a t a p r e p m c e s s i n g ，r e m o t es e n s i n gq u a n t i t a t i v e i n v e r s i o no fl a n ds u r f a c e p a r a m e t e r s ，a n d i m p r o v e m e n to f r e g i o n a lw a t e r d e f i c i tm o n i t o r i n gu s i n gr e m o t es e n s i n g m a i ns u b j e c t sa r ea s f o l l o w s a c c o r d i n g t os u r f a c e e n e r g y b a l a n c e t h e o r y , t h e s e m i a r i d r e g i o n a ld u a l - l a y e r e v a p o t r a n s p i r a t i o nm o d e l ( s r d e m ) i se s t a b l i s h e d ，u s i n gr e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n go f e v a p o t m n s p i r a t i o n a t s u b - p i x e l l e v e l c o m b i n e dw i mt h ef i e l dm e a s u r e m e n ta n d m e t e o r o l o g i c a ld a t a t a k i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nl e a fa r e ai n d e xa n dv e g e t a t i o ng e o m e t r i c a l r o u g h n e s si n t oa c c o u n t ，al e a fa r e ai n d e xi si n t r o d u c e dt oc o m p u t et h ev e g e t a t i o ng e o m e t r i c a l r o u g h n e s ss ot h a tt h ea l g o r i t h mc o m p u t i n gt h es e n s i b l eh e a tf l u xc a nb ei m p r o v e d t h e s u r f a c e w a t e r d e f i c i t i n d e x ( s w d i ) i se x t r a c t e d u s i n g a c t u a l a n d p o t e n t i a l e v a p o t r a n s p i r a t i o n t os t u d yt h er e g i o n a lw a t e rd e f i c i tc o n d i t i o n t h e r e g i o n a ls o i lw a t e rc o n t e n ti st h e na s s e s s e d s u r f a c ew a t e rd e f i c i ti n d e xw i t hc l e a rd e f i n i t i o na n ds p e c i f i c m e a n i n g sh a sh i g h e r q u a n t i t a t i v ep r e c i s i o n b u ti t r e f e r st om o r ep a r a m e t e r sa n ds o m eo ft h e ms t i l l r e l yo nt h e m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o n so ft h e s u r f a c ew e a t h e rs t a t i o n ，w h i c hl e a d st ol i m i t a t i o nt o r e a l - t i m em o n i t o r i n g t h e r e f o r e ，c o n s i d e r i n g v e g e t a t i o nr e f i e c t i n g ，e m i s s i v es p e c t r u ma n d t h e g e n e t i c r e l a t i o no fv e g e t a t i o n w a t e r , t h i s r e s e a r c hh a si n t r o d u c e da v e g e t a t i o n w a t e r s y n t h e t i c a li n d e x ( v t w s i ) u s i n gp a r a m e t e r se x t r a c t e df r o mr e m o t es e n s i n gd a t a ，v e g e t a t i o n i n d e x ，n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ew a t e ri n d e xa n dv e g e t a t i o nc o m p o n e n tt e m p e r a t u r e ，w h i c hc a l l b eu s e dt oi n v e r s ev e g e t a t i o nw a t e rc o n t e n t t h es u r f a c ew a t e rd e f i c i ti n d e xi se x t r a c t e db a s e do nt h e d u a l l a y e re v a p o t r a n s p i r a t i o n m o d e l ，i n c l u d i n gs o i l w a t e re v a p o r a t i o na n dv e g e t a t i o nt r a n s p i r a t i o n a sv e g e t a t i o nw a t e ri s 基于植被蒸教法的区域缺水遥感j 监测方法研究 m a i n l yp r o v i d e db ys o i lw a t e ri ns e m i a r i da r e a ，t h e r ei sat i m el a gb e t w e e nt h ev e g e t a t i o n w a t e r p r o v i s i o nc o n d i t i o na n dt h ev e g e t a t i o nw a t e rc o n t e n t m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt o t h ev e g e t a t i o nw a t e rc o n t e n ti nm o n i t o r i n gr e g i o n a lw a t e rd e f i c i ta n d r a v a g e so fd r o u g h t ，b u t i ti sn o te n o u g ht oo n l ye o n c e mv e g e t a t i o nw a t e rc o n t e n t t h u s ，t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h e st h e r e m o t es e n s i n gq u a n t i t a t i v ef o r m u l ao fr e g i o n a lw a t e rd e f i c i tu s i n gg e n e t i cp l a nb a s e do n s u r f a c ew a t e rd e f i c i ti n d e x ，s u r f a c es o i lw a t e rc o n t e n ta n d v e g e t a t i o nw a t e rc o n t e n t t h er e s u l t s h o w st h a tt h eq u a n t i t a t i v ef o r m u l ai si d e a li nc o m p a r i s o nb e t w e e nm o d e l e da n dt r u ev a l u e s a n d t h r o u g has e n s i t i v i t ya n a l y s i s f o rv e g e t a t i o na r e a , t h eq u a n t i t a t i v ef o r m u l ac o n s i d e r sn o t o n l yt h es o i lw a t e rb u t a l s ot h e v e g e t a t i o nw a t e r i tc a n b eu s e dt os t u d ys u r f a c ew a t e r d e f i c i t ， a n dt oi m p r o v et h em e t h o d o f r e g i o n a lw a t e r d e f i c i tm o n i t o r i n g u s i n g r e m o t e s e n s i n g p a r a m e t e r s ，s u c ha sl a n ds u r f a c et e m p e r a t u r e ，v e g e t a t i o n s o i lc o m p o n e n tt e m p e r a t u r e s ， a l b e d o ，l e a f a r e ai n d e xa n dv e g e t a t i o nc o v e r a g ee t c ，a r ei n v e r s e dq u a n t i t a t i v e l yu s i n gm o d i s d a t aa st h ei n p u to fm o d e l t om e e tt h en e e do fd u a l l a y e re v a p o t r a n s p i r a t i o nm o d e l ，t h i s s t u d ya d o p t sg e n e t i ca l g o r i t h mt oi n v e r s ec o m p o n e n tt e m p e r a t u r e su s i n gt w oi n f r a r e db a n d s o f m o d i sd a t a ，w h i c hc a n p r o v i d e m o r ea c c u r a t ep a r a m e t e r sf o rl a n ds u r f a c ee n e r g yb a l a n c e a n d e v a p o t r a n s p i r a t i o ns t u d y c l o u di sa l a r g eo b s t a c l et op r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f r e m o t e s e n s i n gi m a g e ，b e c a u s ei ti s o f t e nc l o u d yi nt h i sa r e a i ti s n e c e s s a r yt od e t e c tc l o u df o ri m p r o v i n gt h ep a r a m e t e r s i n v e r s i o n p r e c i s i o nu s i n gr e m o t es e n s i n gd a t a a m o n g n u m b e r so fc l o u dd e t e c t i o nm e t h o d s ， t h r e s h o l dm e t h o di so f t e nu s e dt oe x t r a c tc l o u di n f o r m a t i o n c o n s i d e r i n g s o m es u b j e c t i v e f a c t o r so ft h r e s h o l dm e t h o d s ，t h i ss t u d yd i s c u s s e st h ec l o u dd e t e c t i o ni n d e xa n da na u t o m a t i c c l o u dd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h et e x t u r ea n dn e u r a ln e t w o r k t h ed e t e c t i o nr e s u l ti s m o r ea c c u r a t ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：c o m p o n e n tt e m p e m t u r e ；d u a l - l a y e re v a p o t r a n s p i r a t i o nm o d e l ；s w d l ；v t w s i ；r e g i o n a l w a t e rd e f i c i tm o n i t o r i n g u s i n gr e m o t es e n s i n g 第一章引言 第一章引言 蒸散是地表水分循环中的一个重要环节。国内外有关蒸散量的研究已取得了长足 的进展，但随着卫星遥感技术的出现和发展，为准确估算区域蒸散量带来了新的希望。 多时相、多尺度、多光谱及多角度的卫星遥感资料能够客观地反映出下垫面的几何结 构和水热状况，特别是由热红外波段得到的表面温度能够较客观地反映出近地面层湍 流热通量大小和下垫面的干湿差异，即土壤含水量的水平非均匀状况。本次研究主 题就是充分应用卫星遥感数据来研究蒸散，并实现区域缺水状况的遥感监测。 1 1 目的和意义 我国的西北多属干旱、半干旱地区，生态环境脆弱。干旱缺水是西北生态脆弱的根 源和主要表现，严重缺水导致草地退化、沙漠化，并且沙化面积正在逐年增加、不断 扩大。这也是全球面临的重大环境问题之一。干旱和沙漠化不仅反映区域气候问题， 也与人类社会活动和生态系统也有关，特别是这些过程都与土壤一植被一大气之间的动 量、热量、水汽交换直接相关。本研究是针对西北地区存在着严重的缺水问题，选择 了西北半干旱地区的内蒙古农牧交错地带，即生态环境敏感地带，以不同退化程度的 草地为主要研究对象，运用新型的m o d i s 卫星遥感数据，反演相关的区域地表参数( 植 被土壤组分温度) 及植被结构参数( 植被覆盖度、叶面积指数) ，并结合常规的地面 实测数据和气象数据，基于能量平衡原理，从土壤蒸发与植物蒸腾出发，建立基于亚 像元的区域双层蒸散模型、地表缺水指数模型，并与植被冠层水分、表层土壤水分之 间建立定量关系，从而改进遥感区域缺水的监测方法，进而研究区域的缺水状况。 通过本次研究，试图探索一种应用遥感技术定量研究干旱、半干旱地区区域缺水状 况的新方法。 1 2 国内外研究现状 在草原生态系统中，植被蒸发蒸腾是水分损失的一个重要途径，而植被蒸发蒸腾 和土壤水分状况密切相关。因此，为研究区域缺水，首先要了解该区域的植被蒸发蒸 腾情况。这里阐述一下国内外的研究概况。 1 ，2 1 蒸散研究的发展概况 基于植被蒸散法的区域缺水遥感精澳4 方法研究 传统的蒸散计算方法在生态学界早有研究，主要是从空气动力学、能量平衡入手提 出了一系列模型。例如：1 8 0 2 年d a l t o n 根据空气动力学原理首次提出计算蒸发的公式， 综合考虑了风、空气温度、湿度对蒸发的影响，使蒸发的理论计算具有明确的物理意 义“：基于能量平衡比较有代表性的是b o w e n 早在t 9 2 6 年提出的利用地表能量平衡方 程得到计算蒸发的b r e b ( b o w e nr a t i oe n e r g yb a l a n c e ) 法”1 。1 9 4 8 年p e n m a n ”1 在试 验的基础上建立了能量平衡和空气动力学联合蒸散方程，此模型假设蒸发面为饱和状 态，没考虑水汽扩散的表面阻力。1 9 7 3 年m o n t e i t h 1 在p e n m a n 模型基础上发展修正而 成p e n m a n m o n t e i t h 模型，把植被看成一个整体，假定作物冠层为一片大叶，潜热交 换发生在叶面上，得出计算植被状况下实际蒸散的组合方程，其计算公式如下： 俎= 式中，a e ，为潜热通量，r 。为净辐射，g 为土壤热通量，w 川。2 ：为空气平均温度 下的饱和水汽压随温度变化的斜率，盘只4 c ：p c 。为空气的体积热容量，j - 4c m - 1 ；e o 为空气中的水汽压，e ( r ) 为空气温度下的饱和水汽压，七巴；y 为千湿球常数( 七只1 ) ： 气为空气动力学阻力系数，一为冠层阻力系数，s 坍。基于“大叶”假设的 p e n m a n - m o n t e i t h 模型，由于忽略土壤蒸发，不能用于稀疏植被和作物全生育期的蒸散 计算。s h u t t l e - w o r t h 和w a l l a c e 等将植被冠层、土壤表靥看成两个既相互独立，又相 互作用的水汽源，并引入冠层阻力和土壤阻力两个参数，建立稀疏植被的双层蒸散模 型，简称双源模型或s 一模型呻1 。莫兴国等( 2 0 0 0 ) “”在p e n m a n - m o n t e it h 公式的基 础上，推导出能解析计算冠层蒸腾和土壤蒸发的双源模型。 这些模型在理论上比较完善，但所用参数比较多，涉及到气象、空气动力学及地 表等参数。由于地面测量的局限性，取样点有限，而且有的参数不容易获得，研究只 能集中在很小的范围内，难以推广到下垫面几何结构和物理性质非均匀的区域尺度上， 即使进行等值线内插，以“点”代“面”所得的区域蒸散估算精度还是很低。 植被的蒸散与冠层温度密切相关，传统的研究方法都避开冠层温度，因为冠层温度 是个不容易获得的量。事实上，从遥感的角度考虑，冠层温度是一个相对容易获取的 变量，可以通过热红外遥感得到，并且在应用e 具有方便的区域扩展能力，使得它在 区域尺度上更具有优势。因此，后来从冠层温度出发也做了一些相关研究。1 9 7 3 年b r o w n 第一章引言 和r o s e n b e r g 根据能量平衡一作物阻抗原理提出了一个作物阻抗一蒸散模型： l e = r 。一g 一心。( t l ) r o ( 1 2 ) 式中，l e 为潜热通量，r 。为净辐射，g 为土壤热通量，w m ：c 。为空气的体积 热容量，- 。c 朋；瓦为冠层温度，l 为参考高度处的为空气温度，。c ；r o 为空气 动力学阻抗( 为常数，s “) 。 这为热红外遥感温度应用到蒸散模型提供了一个理论依据“。但考虑到卫星资料每天白 天只有一次值，j a c k s o n 等人“7 1 在1 9 7 7 年将b r o w n 和r o s e n b e r g 的蒸散模型进行简化， 建立了每日一次热红外冠层一空气温度差与日蒸散的统计模型。这些研究为冠层温度的 应用开辟了新途径，但都把空气动力学阻抗作为常数处理。1 9 9 0 年李付琴和田国良等 人o ”根据能量平衡原理，用一次午时的冠层温度与空气温度差结合气象资料估测全天的 作物蒸散，改进了由j a c k s o n 于1 9 7 7 年提出的蒸散模型，适当考虑了空气动力学阻抗 对模型的影响，并以河南省封丘县潘店乡中国科学院农业生态实验站两年的实验资料 为依据对此方法进行了分析研究，并且将其结果与b r o w n 和r o s e n b e r g 计算的蒸散值 进行了对比分析，结果一致“”。颜春燕和牛铮等( 2 0 0 1 ) 啪1 针对中国人多地碎的特点， 利用一种气象一遥感综合模型分别计算a v h r r 像元及对应高分辨率图像中作物区的蒸 散，找出两者之间的差异，并经分析检验得到修正系数，采用统计订正方法进行修正， 但该系数及方法具有一定的区域局限性。实际上，区域蒸散量包括蒸腾与蒸发两部分， 上述模型对此分析不足。鉴于此，陈云浩等“”( 2 0 0 1 ) 讨论了大面积非均匀陆面的区域 蒸发散计算，但计算中用到的地表温度和植被冠层温度是分别由n o a a 的第四、第五通 道的亮温通过经验公式求得的，n o a a 的空间分辨率为1 1 k m ，所以这样计算不能分别 提取植被土壤组分温度，这在一定程度上限制了模型计算的精度。 1 2 2 作物缺水研究现状 植物蒸散反映了植物的水分状况，植物水分含量多，植物蒸散量就大，而土壤又是 植物吸取水分的主要源泉，植物的水分多少直接体现了土壤的水分状况，二者之间有 密切联系。基于这一点，在应用作物缺水指标研究土壤的缺水状况方面也开展了一些 研究。r d j a c k s o n ( 1 9 8 1 ) 以热量平衡方程为基础讨论了作物缺水指数( c w s i ) 1 ： 基于植被蒸散法的区域缺水遥感崎测方沽 i j | _ 究 c 脚斗毒2 端扎，。) 。， e p色+ y u + r c r ，) j 。、jq ? 1 式中，c w s i 作物缺水指数：e 为实际蒸散，e ，为潜在蒸散，q t r t 7 ；r 冠层阻力，0 空 气动力学阻力，o 为作物处于潜在蒸发时的冠层阻力，5 m ；为饱和水汽压与温度 关系的斜率，七：y 为干湿球常数( 止只。c 。) 。 张仁华( 1 9 8 6 ) 是我国最早研究使用红外遥感信息反映作物缺水状况的研究者，他通 过对j a c k s o n 的c w s i 理论模式的研究，认为遥感面与作物冠层的饱和水汽面不重合， 通过重新定义潜在蒸发，建立了一个作物缺水的微气象模式。m o r a n 等( 1 9 9 4 ) “”在能 量平衡双层模型的基础上，建立了一个新的指标水分亏缺指数w d i ( w a t e rd e f i c i t i n d e x ) ： 删= 卜毒= 黔燃 t ， e ，帆一瓦) ，一一瓦) 。 式中，t 为地表混合温度，t 为空气温度，( t l ) 。和( t l ) ，分别为地表与空气温 差的最小值和最大值，。该指数采用地表温度信息，成功地扩展了以冠层温度为基 础的作物缺水指数在低植被覆盖下的应用。但其中的地表一空气温度差是基于m o n t e i t h 的单层能量平衡模型计算的，仍然是采用微气象方法，在区域的扩展上有一定困难， 精度也不够。江东等( 2 0 0 1 ) 考虑利用植被指数与地面温度的比值作为表征地表水分 状况特别是农作物水分胁迫情况的指标，该研究同样也是采用了地表混合温度，对 温度的研究精度不高。 1 2 3 遥感定量反演地表温度的概况 地表温度是地表一大气之间能量交换的一个重要参数，前人在利用遥感数据反演地 表温度方面已有一些成功的研究。1 9 8 0 年k a h l e 等人在假定比辐射率为常数并已知大 气参数条件下，利用单一通道资料估计地表温度啪1 ；m c m i l l i n ( 1 9 7 5 ) 、b e c k e r ( 1 9 9 0 ) 、 万振明( 1 9 9 6 ) 等先后提出在大气参数未知的条件下，利用劈窗法反演水面或陆面的 温度。7 “：后来万振明等( 1 9 9 7 ) 还提出了推广分裂窗口法和利用昼夜资料反演地表 温度的算法汹1 。但自然状态的地表是不均一的，像元通常是由数种典型覆盖类型构成， 对于定量遥感研究，像元的平均温度信息是不能满足实际需求的，比如研究区域的蒸 第一章引言 散m l + ，只有进入像元内部，反演亚像元植被i 壤的组分温度，刊有可能改善估算 地表能量平衡的模型，提高计算精度。不少学者对组分温度的反演做了大量基础理论 研究，但多是从热辐射方向性、方向比辐射率入手，利用多角度数据建立各种理论模 型。“1 “。如李召良( 2 0 0 0 年) 、何立明和阎广建( 2 0 0 2 年) 等利用a t s r 传感器两个角 度的可见光近红外和热红外数据做了分离冠层温度和土壤温度的探索研究“1 ：2 0 0 0 年王锦地等用室内多角度观测数据，对非同温像元组分温度进行了反演“；2 0 0 0 年庄 家礼、陈良富等基于蒙特卡罗模拟初步实现了冬小麦组分温度的反演m 1 ；徐希孺、陈良 富、范闻捷等从理论上分析论证了多角度热红外遥感数据反演混合像元组分温度的可 行性，并用模拟数据和地面测量数据进行了验证“7 “。由于目前星载热红外缺乏角度信 息，本文尝试采用高光谱分辨率的卫星遥感数据进行组分温度反演。 1 2 4 本区域研究现状 新中国建立以来，国家很重视内蒙的发展状况，自五十年代中期到六十年代初期 进行了全区草原调查和综合科学考察，这些考察是用常规方法进行大面积的地面调查， 花费了大量的人力、物力，而且速度比较慢，周期比较长，不能及时掌握草场现状及 其动态变化。1 9 8 3 1 9 8 6 年，在国家科委与内蒙古科委资助与支持下，北京大学、内蒙 古大学等十多个单位的草场管理、气候、地貌、地表水与地下水、土壤、植被、制图、 遥感技术等专业人员，对内蒙古地区开展了为期四年的大规模的草原遥感应用研究。 编制了专业系列图，分盟、旗计算了草场资源和土地利用类型面积，编写了相应报告， 对各盟( 市) 资源利用现状与存在的问题进行了分析，并提出今后草场资源管理与合 理利用的意见。此外，利用n o a a 气象卫星进行草原估产的工作也取得了进展，在气象 卫星遥感信息与草场牧草产量之间确定了相关关系模型，有希望解决天然草场大面积 估算和监测产量动态等问题。“九五”期间以内蒙古锡林郭勒盟为实验观测基地开展了 i m g r a s s ( 内蒙古半干旱草原土壤一植被一大气相互作用) 计划，这是全球变化研究的一 个重要组成部分，主要着眼于具有全球代表性的温带半干旱草原区域土壤一植被一大气 相互作用的过程与参数化方案研究，加深理解半干旱草原生态对气候变化与人类活动 的响应及其在全球变化中的作用“。通过本文的研究，试图进一步完善应用定量遥感 技术研究该区域的缺水状况。 13 研究方法和思路 基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法1 i j | _ 究 通过前面的分析可知，前人在蒸散和作物缺水指数方面已有很多成功的研究，但 仍存在一些问题：传统方法用到的地表参数较多，测量有一定局限性，区域研究精度 低；从遥感角度研究也只是考虑了冠层温度或地表混合温度，没有分别提取植被土壤 温度，而温度的研究精度直接影响蒸散和作物缺水指数的计算精度。 本次研究利用m o d i s 数据定量反演了植被土壤组分温度、反照率、叶面积指数等 地表参数，依据地表能量平衡原理，通过改进s e b a l 模型中的显热通量算法，建立了 半干旱地区基于亚像元的土壤蒸发和植物蒸腾双层模型，并用实际蒸散和潜在蒸散求 出了地表缺水指数，进而估算土壤水分含量：考虑到地表缺水指数物理意义明确，定 量精度较高，但涉及参数较多，且部分仍依赖于地面气象台站及同步观测的微气象资 料，实时性相对较差。因此，从分析植被冠层反射、发射光谱与植被冠层水的成因关 系入手，直接运用卫星遥感参数植被指数、植被组分温度、归一化植被水分指数， 组成植被冠层水综合指数( v t w s i ) ，以反演植被冠层水分含量。地表缺水指数是通过 基于亚像元的双层蒸散模型提取的，它既考虑了土壤的水分蒸发，又考虑了植被的蒸 腾。目前主要是通过建立地表缺水指数和实测土壤水分之间的经验关系式，提取土壤 水分含量。考虑到半干旱地区植被冠层水主要由土壤水提供，但植被供水状况与植被 水分实际状况之间存在着一定的“滞后”，而在监测区域缺水或旱情的实际应用中，人 们更关心的是植被实际水分状况，但仅考虑植被逾层水对于半干旱地区的区域研究也 是不够的。鉴于此，本文通过一种新的遗传规划算法，建立地表缺水指数与植被冠层 水分、表层土壤水分含量之间的定量关系，试图改进区域缺水的遥感监测方法。 1 4 研究内容 根据前人的研究及其存在的问题，可知在区域蒸散量的计算方面遥感方法比常规 的微气象学方法有明显的优越性，本文采用遥感蒸散法来研究区域的缺水，主要内容 包括如下几个方面( 图1 1 ) 。 l _ 4 1 数据采集与预处理 1 4 1 1 数据采集 本次研究采集的数据主要包括卫星遥感数据、野外同步观测数据及其它辅助数据。 卫星遥感数据采用2 0 0 1 年7 月的m o d i s 数据：野外同步观测数据有地面光谱数据、植 被冠层水分、= ! f = 壤水分、地表温度、叶面积指数及小气候数据；同时还收集了必要的 6 第一章引吉 区域资料、气象资料和土地利用图等。 1 4 1 2 常规数据的预处理 由于同步定标波谱数据测试使用了髓种波谱仪，首先对两个波谱仪进行定标，以 将波谱测试数据进行归一化处理，并将辐射值转换为反射率；热红外测温数据、土壤 植被参数、小气候数据及气象数据等的归整处理。 1 4 1 3 遥感图像数据( m o d i s ) 预处理 为了更精确地从遥感数据提取有用参数，先将m o d i s 数据进行预处理，主要包括 如下几个方面：辐射亮度值的转换：要进行定量遥感研究，提取有用参数，就要将 遥感图像中各像元的亮度值转换为反射率值或辐射亮度值；大气校正：要从m o d i s 数据精确反演地表参数及遥感参数，就必须消除大气干扰。鉴于本次研究所用m o d i s 数据有2 0 个反射波段和1 6 个热红外波段，反射波段通过6 s 和m o d t r a n 相结合的模型 进行校正，热红外波段用m o d t r a n 大气模型进行大气校正；几何校正：本次研究所 采用的m o d i s 数据直接用b u i l tg l t 方法实现几何精校正，并利用l ：1 0 万的地形图 和土地利用专题图进行检验；云检测处理：由于所用m o d i s 数据是从气象卫星接收 的图像，气象卫星图像完全为晴空的很少，总或多或少要受云的影响；而且由于本研 究区选在内蒙古草原，常见多云天气，所以对本地区进行蒸散研究，为使从遥感数据 提取的参数更精确，在大气校正的前提下，再进行云的检测和去除也是很有必要的。 1 4 2 地表参数的遥感定量反演 地表温度及植被土壤组分温度( 瓦、瓦) ：一方面运用分裂窗口法反演地表温度 ( t ) ：另一方面根据本研究需要，结合植被覆盖度( ，) 通过混合像元的分解，利用 热红外多波段数据反演了基于亚像元尺度的植被土壤组分温度( 植被冠层表面温度 f ，、土壤表面温度t ) 。 其它相关参数：由于本次研究对象是草地，植被类型单一，其垂直密度较小，拟采 用g u t m a n 的非密度模型( ，= ( n d v i n d w o ) ( n d v i 。一n d w o ) ) 来提取植被的覆盖度 信息；反照率和叶面积指数的反演引用了课题组的相关成果“。 1 4 3 遥感双层蒸散模型及地表缺水指数研究 基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究 本次研究主要基于能量平衡原理：l e = r 。一h g ，通过改进s e b a l 模型中的显 热通量算法，引入叶面积指数来计算动力传输粗糙度长度，建立了基于m o d i s 数据半 干旱地区的区域双层蒸散模型( s r d e m ) ，分别计算土壤的蒸发( l e ，) 和植被的蒸腾 ( l e ，) ，最后根据植被覆盖度来计算出瞬时的区域蒸散量 ( l e = f 三e ，+ ( 1 一_ 厂) e ) ；并推算日蒸散量( l e 。) 。蒸散量与土壤和植物的水分 状况密切相关，我们研究蒸散的最终目的是为了进行区域的缺水研究，所以，由 l e e ，( 其中，e 为实际蒸散，e ，为潜在蒸散) 得到该研究区的地表缺水指数，划 分区域缺水等级，并通过与实测土壤水分含量建立关系来反演表层土壤水分。 图l1 研究流程图( 虚线框为同课题组成员共同完成的工作) 1 4 4 植被冠层水分综合指数模型研究 考虑到地表缺水指数物理意义明确，定量精度较高，但涉及参数较多，且部分仍 第一章引言 依赖于地面气象台站及同步观测的微气象资料，实时性相对较差。因此，从分析植被 冠层反射、发射光谱与植被冠层水的成因关系入手，直接运用卫星遥感参数植被 指数、植被组分温度、归一化植被水分指数，组成植被冠层水综合指数( v t w s i ) ，以 反演植被冠层水分含量。 1 4 5 改进区域缺水遥感监测方法 地表缺水指数是通过基于亚像元的双层蒸散模型提取的，它既考虑了土壤的水分 蒸发，又考虑了植被的蒸腾。考虑到半干旱地区植被冠层水主要出土壤水提供，但植 被供水状况与植被水分实际状况之间存在着一定的“滞后”，而在监钡9 区域缺水或早隋 的实际应用中，人们更关心的是植被实际水分状况，但仅考虑植被冠层水对于半干旱 地区的区域研究也是不够的。鉴于此，本文试图建立地表缺水指数与植被冠层水分、 遥感表层土壤水分含量之间的定量关系，从而更准确、及时地确定区域的缺水状况。 1 ，5 研究区概况 图1 2 研究区位置及子区图像 本研究区位于锡林郭勒盟境内，约北纬4 2 41 5 一4 4 。，东经1 1 4 。4 57 - 1 1 7 。4 5 约5 5 万k m 2 ，如图中方框所示( 2 6 2 2 1 0 像元) ( 图1 2 ) 。锡林郭勒盟位于内蒙 古高原中部，是一个以高平原为主体，兼有多种地貌单元组成的地区，海拔平均在1 0 0 0 米以上。本区的大地构造上属于大兴安岭新华夏隆起带，呈北北东走向斜贯东部，并 与阴山东西复杂构造带的东端截接而成为复合的构造带，火山活动频繁，新构造运动 基于植被蒸散浊的区域缺水遥感监测方法研究 强烈，断裂发育，奠定了本区地貌发育的格局，也为水资源的分布打下了基础。锡林 郭勒波状高平原从南向北逐渐降低，相对起伏不超过2 0 0 米，一般在5 0 1 0 0 米之间。 本区处于内陆地带受大兴安岭及阴山阻挡，使东南季风不能北进，大部分时问 都处于西风环流控制之下，属于中温带半干旱大陆性气候，存在着明显的变异规律， 冬半年受蒙古高压控制，寒冷干燥，夏半年受季风影响，较为温和湿润。3 5 月常有 大风，月平均风速达4 9m s 。年降水量在3 0 0 4 0 0 m m ，沙地地带仅2 0 0 3 0 0 m m ，自 东向西递减，年内分配不均，集中于6 9 月，冬春最少，历年降水量的变率较大，最 多年与最少年的比率都在2 以上。本地区的年平均温度在o c 2 。c 左右，温差较大， 年温差约在4 0 、日平均温差也在1 5 左右。蒸发是水资源排泄消耗的主要方式。 未退化草地 中度退化草地重度退化草地 木体 图1 3 研究区内的主要覆盖类型 锡林郭勒盟的草地可分为五大类，即草甸草原、典型草原、荒漠草原、沙地植被 和其它草场类，5 0 年代草原面积约占全盟土地总面积的9 0 9 6 ，8 0 年代约占7 0 ，但由 于受全球变暖、过度放牧、违规开矿、开垦、工业污染等自然与人为因素的影响，造 成了草场退化、土地沙化的现象逐渐加重，现在草原面积仅有5 6 万k m 2 ，约占全盟土 地总面积的4 0 。如图1 3 所示，本次所选研究区内主要覆盖类型有沙地、水体( 达来 诺尔湖) 、及不同退化程度的草地( 未退化、中度退化及重度退化草地) 。在本研究区 1 0 第一章引言 内植被主要有羊草、大针茅、糙隐子草、星毛萎陵菜、黄囊苔、细叶鸢尾、羽茅、洽 草、细叶葱等类型，其中羊草样地( 未退化草地) 以羊草、大针茅和丛生禾草为主， 退化草地呈现出小叶针鸡儿灌丛化，有较多的冷蒿、星毛萎陵菜等。土壤类型主要有 草原土壤、荒漠土壤和隐域性土壤。草原土壤是分布最广泛的土壤，包括栗钙土、棕 钙土、黑钙土和灰褐土等；荒漠土壤少量分布于西部，土壤类型主要为漠钙土；隐域 性土壤主要类型有草甸土和风沙土。此外锡林河从研究区的东北部穿过。 基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究 第二章数据采集与预处理 为了实现区域的缺水研究，我们收集了研究区的m o d i s 图像数据，并获取了大量