北京师范大学地理学与遥感科学学院-杨胜天-4-遥感水文过程模拟系统EcoHAT原理与应用

注册编号： 0001题目：4.地理建模与过程仿真遥感水文遥感水文过程仿真系统EcoHATEcoHAT原理与应用原理1杨胜天1* 1.北京师范大学地理学与遥感遥感科学国家重点实验室、环境遥感和数字城市北京市重点实验室北京，100875，yangshenan摘要： eco hat (ecologicalhydrologyassessmenttools )是区域尺度的生态水文模型，生态水文过程机制研究将遥感与GIS技术的空间信息获取、管理与分析功能相结合，结合基于物理机制的生态水文模型，用于区域尺度生态水文过程的模拟与分析。 通过EcoHAT在我国黄河流域典型地区、东北三江平原地区、西藏雅鲁藏布江流域等地的应用，EcoHAT系统能够有效地模拟分析地区生态水文过程，为流域水资源的综合管理提供技术支持。 关键词：遥感EcoHAT系统水文数字模拟1 1引言水是生态系统中最重要的因素之一。 随着人类活动的发展，传统的水资源管理方式难以解决淡水资源不足、水质恶化、生物多样性减少等生态问题。 综合考虑水文学与生态因素的关系，研究生态过程与水文过程相互作用的物理、化学和生态机制，寻求有利于生态、可持续利用水资源的管理方式是当前亟待解决的重要问题1 . 生态水文是目前许多国际世界研究项目合作的热点，例如国际地圈生物圈计划生物圈方面(IGBP-BAHC )、联合国教科文组织国际水文计划(UNESCO IHP )等都将生态水文学作为重要的研究课题。 生态水文学的发展为水资源可持续利用研究提供了新的开拓。 生态水文过程的影响因素较多，且有明显的时间和空间变异，建立以GIS为平台、以RS技术为空间信息检索手段的区域尺度的分布式生态收录日：基金项目：国家“十二五”科技支持计划课题(2012bab02b00 ) foundation:national 12th five-yearplanscientificandtechnologicalprogramno.2012 Bab 02 b 00.水利部公益项目(201101037 ) publicewerfarefout 中央高校基本科研工作费专业 thefundandmantalresearchfundsforthecentraluniversities 作者简介：通信作者：杨胜天(1965-)，男，贵阳人，教授，博士生导师，主要水资源和水环境遥感研究e-mail:yangshenan水文模型成为当前水文水资源研究的新方向。 美国农业部(USDA )农业研究局(ARS )开发的swat (soilandwaterassessmenttool )流域尺度模型，在大流域复杂变化的土壤类型、土地利用方式和管理措施的条件下，土地管理是水文、 德国牡丹气候影响研究所开发的swim (soilandwaterintegratedmodel，简称swim )模型用于模拟泥沙和化学物质的长期影响预测，该模型包括流域水循环、植被生长、营养和污染物迁移、泥沙运动随着RS、GIS和计算机技术的发展，计算机仿真成为生态水文时空过程研究的重要手段。 随着遥感科学与技术的发展，遥感科学与技术与水文学之间形成了学科交叉的研究领域遥感水文。遥感水文与水文遥感不同，水文遥感的重点是研究水文要素遥感获取的理论、方法和技术，遥感水文将遥感技术与水文模型相结合，构建遥感信息驱动的水文模型， 利用直接或间接遥感数据获取流域空间尺度水文因子、生态环境因子和社会经济因子数据，开展水文状况和水资源利用的空间计算与分析，完成流域水文概况模拟、洪水过程监测预报、水资源估算和水资源配置等方面的任务。 为此，利用遥感数据源，结合具有物理化学机制的生态水文过程模型，为模拟土壤植被大气连续体(SPAC )水分运行过程中水分与营养元素循环、植被生长的相互影响，开发了区域尺度分布式生态水文模拟系统EcoHAT。 eco hat (ecologicalhydrologyassessmenttools )是一种区域尺度的生态水文模型，基于生态水文过程机制的研究，将遥感与GIS技术的空间信息获取、管理与分析功能相结合，将基于物理机制的生态水文模型相结合，从而实现蒸发、根系吸水、 包括降雨入渗、土壤水分平衡、地表径流、氮循环、磷循环、碱阳离子循环、土壤侵蚀、植被净化第一性生产力、生产力分配、植被营养要素吸收等过程。 2 2 EcoHATEcoHAT系统的模型结构和原理系统的模型结构和原理2.12.1系统原理EcoHAT系统基于生态水文过程机理的研究，从基本土壤植被大气连续体(SPAC )的水分运行过程开始，在水分循环过程中加入营养元素转移过程，生态系统中植被的生长EcoHAT系统的生态水文过程如图1所示，其模型构建主要基于具有国内外物理化学机制的生态水文过程算法，经过模型参数的调整，采用适合于研究区域自然条件的参数，构建本地化模型参数库。 EcoHAT系统通过区域空间网格参数的输入，实现了基于像素的模型运算。 EcoHAT系统主要由水分循环、营养元素循环和植物生长三部分组成，其中水分循环是系统的核心，贯穿了其他两部分。 EcoHAT系统中的水分循环过程包括冠层陷阱、降雨渗透、根系吸水、土壤水分、蒸腾等，增加了地表流失、土壤流失、地下水补给、基流、坡面汇合、河流汇合等过程的营养元素循环过程主要包括大气沉降、风化、矿化、土壤硝化、反硝化、氨化、微生物腐解等植物生长过程中植被营养元素的吸收、植被降水冠层阻止土壤水分植被NPP营养元素吸收生产力分配矿化反硝化蒸发营养元素循环过程水分循环过程地表水植被生长过程大气沉降氨化风化微生物腐败分解落物图1 EcoHAT系统的生态水文过程(虚线箭头表示过程间的相互作用)。 2.2 2.2系统构建EcoHAT系统集成了参数管理工具、RS参数反演工具、模型定制工具、GIS分析工具，在这些模块的辅助下实现了区域尺度生态水文过程模拟，为区域生态水文过程评价提供了科学分析工具。 EcoHAT系统的结构框架如图2所示。 图2的EcoHAT系统的结构框架EcoHAT系统的开发采用interactive data language (IDL )语言，IDL是可视化分析和应用系统开发的理想软件工具，以IDL语言开发快速高效，ENVI远程另外，文件名的扩展名规则采用了ENVI标准图像格式。 这意味着通用栅格数据格式包含简单的二进制文件(a simple flat binary )和相关联的ASCII (文本)头文件。EcoHAT系统采用面向对象的编程方法，集成各功能模块和过程子模块，系统开发与基于模块的模型接口开发相集成，网格数据块运算和金字塔显示技术。 EcoHAT包括数据处理、参数计算、遥感反演、水分和能量、植物生长、绿水资源、流域水文过程模拟和物质迁移模拟及数据分析等9个模块，这9个模块在统一窗口系统下管理，分别独立出来其中水文模块综合了RS-DTVGM、SPAC、LCM三个尺度的水文模型，适应了不同尺度的应用要求。 软件运行时环境：安装ENVI 4.8或更高版本。 操作系统： windows XP/7/8/server 2008或更高版本。 EcoHAT采用了模块化接口设计，与模块独立相关的功能包含在模块接口中，不显示在其他模块接口中。 EcoHAT界面包括菜单栏、工具栏、管理面板、视图窗口和状态栏(图3 )。 图3利用3 EcoHAT软件主接口3 3 EcoHATEcoHAT系统的区域应用系统的区域应用和验证3.1 3.1流域水文过程流域水文过程模拟RS-DTVGM模拟了雅江流域20062012年连续时间尺度的产生过程仿真结果与雅江干流水文站奴下站比较分析。 结果表明，纳什系数(NS )、水量平衡系数(ROE )和相关系数(R2)分别为0.68、0.98、0.76 (图4 )，模型的仿真精度较好。 菜单栏显示区状态栏管理面板工具栏图4 RS-DTVGM模拟验证了雅江流域孤立山川流域1988年8月3日20时-8月5日16时的连续暴雨洪水过程，应用GA算法分别选择集体式、半方差式和方差LCM模型空间离散化构建方式不同的直观影响表现在流域出口峰值流量的模拟中，但如图5所示，与集中构建相比，半方差和分散构建在高值区的模拟结果较好，8月5日8时和21时的模拟值分别为观测值的76.1%、81.2%和65.8% 说明了随着模型空间离散化程度的加深，模型的表现提高。 图5不同构建方式的模拟结果表明，土壤水遥感反演与生态水文过程的模拟研究结合了EcoHAT2和美国MUSLE产沙模型，可以实现场次降雨产沙的分布式模拟。 在孤山川流域的应用中，径流产沙模拟效率系数分别达到0.8和0.753，显示生态hat可以模拟短时间产沙过程，为研究干旱半干旱区产沙提供了良好的理论分析工具。 利用3.2 3.2流域非点源污染非点源污染过程模拟三江平原的非点源污染过程模拟(图6 )，采用EcoHAT中氮磷过渡模型进行了非点源污染负荷估算4 . 研究结果表明，EcoHAT非点源污染过程模拟精度较好，土壤水分模拟与农田实测土壤水分数据的相关系数达到0.74，模拟植被生长吸收n元素与实际情况相比较一致，氮素吸收利用效率达到50%。 氨氮面源污染和点源污染比例分别为45.4%和54.6%，换算了溶解态氮和溶解态磷的模拟结果，显示生态hat能够模拟大流域尺度的非点源污染，为流域水质水量的综合管理提供了技术支持。图620002010年三江平原非点源污染模拟结果4结论EcoHAT以生态水文过程机制为模型进行水分能量循环， 物质迁移转化和生态流域模拟等功能模块是系统核心部分生态环境相关领域的科学研究人员和高等学校教师开展陆面蒸腾、土壤水分运动、植被NPP、生态需水、营养元素生物循环和土壤营养元素循环等生态水文过程研究的有力工具， 软件还提供了生态效应评估和生态设计等功能模块，提供了应激条件下植被生产力响应模拟、岸带非点源污染控制效应模拟、土壤侵蚀计算和非点源污染估算等分析模块，EcoHAT不依赖传统观测条件， 开展水循环过程模拟，实时监测流域径流水文过程，分析资料短缺地区/流域水资源的时空分布格局，评价水资源利用情况，明确流域水文过程的时变规律，实现生态效应动态估算和最佳生态环境虚拟设计，为水利、环境、农业、林业和国土等管理部门和相关企业事业单位提供有效的科学分析和管理工具参考文献参考文献： 1刘昌明、王中根、郑红星等. HIMS系统及其定制模型的开发与应用.中国科学： e编辑，2004，38 (3) :-360.2王中根、郑红星、刘昌明等.黄河典型流域的分布式水文模型与应用研究.中国科学e编辑，2004 34(z1 ) 3刘昌明、杨胜天、温志群等.分布式生态水文模型EcoHAT系统的开发与应用.中国科学(e编：技术科学)，2009(06). 4张亦松、刘昌明、杨胜天等.黄土高原典型流域LCM模型集、半分布与分布建构的比较分析.地理学报2014， 69 (1) :-99.hydrologicremotesensingdigitalsimulationsystem- ecohatprincipleandapplicationwangzhi-Wei1yang sheng-Tian1* (1. statekeylaboratoryofremotesensingscience，School of Geography，Beijing Normal University， beijingkeylaborryforremotensingofenvironmentanddigitalcities，beijing，100875， China ) abstrac