区域蒸散发分布式模拟及其遥感验证

随着遥感技术和水文模型集成技术的进步，在区域上进行蒸散发（ET）模拟和验证成为可能。为了探讨如何基于遥感监测ET进行正确的蒸散发模拟，使用1 km分辨率遥感监测ET对SWAT2000模型所模拟的漳卫南运河流域主要农业耕作区实际ET进行了率定分析，并探讨了SWAT模型农业耕作措施设置以及土壤和作物生长参数的合理取值问题。结果表明，SWAT模型模拟ET与遥感监测ET的确定性系数R2和Nash-Sutcliffe效率系数ENS分别达到了0.93和0.92；土壤蒸发与作物蒸腾的比例受土壤蒸发补偿系数（ESCO）影响较大，对于冬小麦-夏玉米轮作区，ESCO取值建议在0.8～1.0之间。利用遥感监测ET数据有助于蒸散发的正确模拟，从而有效地提高水文过程的模拟精度。     

基于蒸散发模型的定量遥感缺水指数

该文针对西北地区存在着严重的缺水问题,以黑河中游区域范围内的张掖市内的盈科绿洲及荒漠为研究对象,运用ASTER卫星遥感数据,根据地表能量平衡原理,建立作物缺水指数模型。在前人研究基础上,对缺水指数模型涉及的2个参数进行了改进:1)在植被覆盖区,利用半干旱地区基于亚象元的土壤蒸发和植物蒸腾双层模型,剥离土壤的影响,获取缺水指数模型中的植被潜热通量;2)为了更精确地提取地表信息,利用遗传算法对该区进行混合像元分解,获取模型中的地表组分温度参量。通过地表缺水指数估算干旱半干旱区土壤含水率,模拟结果与地表同步实测值土壤水比较,误差精度分布在2.17%～3.58%,表明该方法是可行的。     

基于温室环境和作物生长的番茄基质栽培灌溉模型

为解决涵盖土壤蒸发和作物冠层蒸腾的土培作物蒸散模型不能直接应用于稻壳炭基质栽培番茄灌溉的问题,该研究首先通过修改Penman-Monteith模型的原始表达式来去除土壤蒸发部分,并引入TOMGRO模型来模拟番茄冠层生长,给出了阻抗参数的修正计算,得到了新的番茄基质栽培蒸腾模型。考虑到蒸腾模型中净辐射项削弱了室外太阳辐射对冠层及以下部整株植株的耗水影响,进而将新的蒸腾模型与太阳辐射线性比例供水模型结合建立蒸腾-辐射综合灌溉模型。结果表明,蒸腾-辐射综合灌溉模型对上海崇明A8温室番茄灌溉量的模拟结果与实际结果之间的相关系数高于0.95,平均相对误差小于20%。这说明蒸腾-辐射综合灌溉模型能够较好地估算温室稻壳炭基质栽培番茄的灌溉需水量,对深入研究温室灌溉实施具有参考价值。     

夏玉米棵间土面蒸发与蒸发蒸腾比例研究

利用连续4年的大型称重式蒸渗仪和小型棵间蒸发器的测定资料，研究了不同灌溉定额条件下夏玉米生长期间的逐日蒸发蒸腾和棵间蒸发过程。结果表明，夏玉米总的蒸发蒸腾量在年际间变化较大，其中叶面蒸腾总量变化较大，在158.44～233.99 mm；棵间蒸发总量变化较小，在171.43～181.52 mm，棵间蒸发量占蒸发蒸腾量的比例(E/ET)在43.57%～52.52%之间。降水和灌溉以及气象因素对夏玉米生育期棵间蒸发的影响较小，而对叶面蒸腾的影响较大。得出充分灌溉和非充分灌溉条件下，棵间蒸发占蒸发蒸腾的比例与叶面积指数的相关系数分别达到0.85和0.77以上。     

基于SEBS模型估算辽西北地区蒸散发及时空特征

蒸散发是陆面过程中的重要环节,联系着陆面水循环和地表能量平衡。采用MODIS数据,逐月选取2013年12期遥感数据,并分季度求其平均值作为四季代表,结合SEBS模型,对辽西北地区地表蒸发蒸腾量进行了估算,并为了验证遥感反演精度,提取不同土地利用类型的蒸散发量。同时,利用Penman-Monteith公式计算辽西北地区近50年潜在蒸散发值,通过一元线性趋势分析法、小波分析法、IDW反距离加权法和R/S分析法分析其时空分布特征。结果表明:辽西北地区2013年蒸散发量夏季春季秋季冬季;近50年来潜在蒸散发值由高到低依次为夏季、春季、秋季和冬季,且具有明显的区域性。同时,经验证,遥感手段反演蒸散发值误差约为7.5%,表明该方法在研究区应用合理可行。研究结果可为辽西北地区水资源分配和管理提供科学参考。     

基于水文模型的流域蒸散发规律

基于双源蒸散发模型与栅格产汇流模型，该文构建了分布式流域水文模型，在老哈河上游的甸子流域模拟了蒸散量的时空变化过程。研究结果表明：相比蒸发皿观测数据计算的蒸散发能力，双源模型计算实际蒸散量作为水文模型的驱动因子更具优势，其能够有效地模拟流域尺度实际蒸散量的变化过程；不同植被类型的截留蒸发、植物蒸腾、蒸散量过程都呈单峰形式，夏季达到最大值，高大植被的植被蒸腾量和生产性蒸发比例显著高于低矮植被；不同植被条件下的土壤散发变化规律不一致，高大植被在5月达到峰值，低矮植被则在6月或7月达到峰值。     

滴灌夏玉米土壤水分与蒸散量SIMDualKc模型估算

为研究西北半干旱地区作物蒸腾和土壤蒸发规律,以及土壤蒸发量占蒸散量的比例(简称蒸发占比),开展2 a夏玉米滴灌控水试验,设置正常灌水(W1)、适度水分亏缺(W2)和中度水分亏缺(W3)3个灌水水平.采用W2实测土壤水分数据对SIMDualKc模型进行参数率定,并采用W1和W3实测土壤水分数据对模型进行验证;进一步基于SIMDualKc模型对不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量、植株蒸腾和蒸散量进行定量模拟分析.结果表明,SIMDualKc模型可以较好地模拟西北半干旱区滴灌夏玉米不同水分供应条件下的土壤水分动态变化过程,实测值与模型预测值有较好的一致性(R2＞0.88,RMSE＜5％);夏玉米生长期,模型能较好地估算不同水分供应的土壤水分胁迫系数、土壤蒸发量和植株蒸腾.土壤蒸发主要集中在生育前期,而生育中期较低,后期略微升高.植物蒸腾主要集中在快速生长期和生长中期,整个生育期呈先增大后减小的趋势.蒸散量随着土壤蒸发和植物蒸腾的变化而变化,前期主要受土壤蒸发的影响,快速生长期、生长中期和后期主要受植物蒸腾的影响.Wl～W3处理土壤蒸发量为78.1～100.2 mm,植株蒸腾为221.8～293.3 mm,蒸散量为299.3～383.0 mm,蒸发占比为24.1％～28.7％.研究可为西北半干旱地区制定合理的夏玉米滴灌制度和灌溉决策提供理论依据.     

局部湿润模型模拟南疆滴灌枣园蒸散量及蒸腾量适用性研究

为构建适用于模拟南疆滴灌成龄枣园蒸散及其组成成分的模型，了解枣园土壤蒸发特征，本研究在双源模型和局部湿润灌溉方式下稀疏植被蒸散估算模型基础之上构建滴灌枣园局部湿润模型，以涡度相关法实测2017年枣园蒸散数据，对双源模型（Shuttleworth-Wallace）及滴灌枣园局部湿润模型（Partial Root-zone Irrigation model）系数进行拟合；之后通过评价两种模型模拟值的可靠性以及增加和减少模型参数10%来观测模型各参数对蒸散的影响方式，并校验各模型参数计算公式的准确性；然后以涡度相关法与液流法实测的2018年枣园蒸散与蒸腾量为基准值，对双源模型与滴灌枣园局部湿润模型模拟2018年枣园蒸散及蒸腾量的可靠性进行评价，筛选出适合模拟南疆滴灌枣园蒸散及其组分的模型并模拟滴灌枣园土壤蒸发特征。结果表明：滴灌枣园局部湿润模型和双源模型的模型系数拟合准确；依据模型模拟评价标准，两种模型模拟2018年枣园蒸散的结果均为极好，且精度基本一致。滴灌枣园局部湿润模型模拟蒸腾量结果良好，与实际测定值之间的差值为15.73 mm；双源模型模拟蒸腾量结果不可取。因此筛选出滴灌枣园局部湿润模型模拟枣园土壤蒸发，枣园土壤蒸发量占蒸散量的19.74%。滴灌枣园局部湿润模型可以准确估算滴灌成龄枣园蒸散及蒸散组成成分。     

基于作物模型与叶面积指数遥感影像同化的区域单产估测研究

通过对作物光合、呼吸、蒸腾、营养等一系列生理生化过程的定量模拟，作物生长模型已经被成功应用于田间尺度的作物单产研究。为了进一步将作物模型扩展应用于区域尺度，提高区域作物单产的模拟精度，该文探讨了将作物模型与多时相叶面积指数(LAI)遥感影像同化以改善区域单产估测的方法。研究首先通过地理信息系统将美国农业部开发的“考虑气候的作物环境决策模型”——EPIC模型，扩展为空间模型。然后，通过基于Landsat TM影像差值植被指数DVI与田间观测叶面积指数构建的最优回归模型，反演了研究区域的多时相叶面积指数影像。最后通过优化算法实现了空间EPIC模型与影像信息的同化，并将系统应用于河北石家庄地区2004年冬小麦的单产估测。结果表明，通过数据同化校正部分关键参数后的空间作物模型的单产模拟精度得到有效提高，但要达到业务运行精度仍有待进一步改善。     

用分时段修正双源模型估算南京地区冬小麦生育期蒸散量

冬小麦是南京地区重要的粮食作物,模拟冬小麦蒸散量(evapotranspiration,ET)并研究其对气象因素的响应可为冬小麦田间水分管理提供参考。该文基于大型称重式蒸渗仪实际测定值分析了冬小麦ET变化规律,分别采用单源模型(Penman-Monteith,PM)和双源模型(Shuttleworth-Wallace,SW)模拟不同时期冬小麦ET,并探讨分时段修正SW模型的模拟方法,在此基础上,分析了ET对气象因素的响应。结果表明,生育初期,冬小麦的ET逐步增加,进入越冬期则逐步降低并保持在较低水平。返青期和拔节期ET迅速增加,开花和成熟期又保持稳定。2011-2012和2013-2014年分时段采用SW模型估算整个生育期冬小麦的蒸散量比整个生育期采用单一估算模型能够减小模拟平均绝对误差0.01~0.04 mm/h。小麦乳熟成熟期采用最小气孔阻力150 s/m计算的修正SW模型可以比整个生育期用单一最小气孔阻力的SW模型降低冬小麦蒸发蒸腾量的估算平均绝对误差0.03~0.13 mm/h。冬小麦蒸发蒸腾量与气象因素密切相关,与净辐射、空气温度和饱和水汽压差等环境因素决定系数顺序为净辐射饱和水汽压差空气温度风速。这表明南京地区冬小麦蒸发蒸腾量主要决定因素为净辐射。该研究能够为冬小麦蒸散量的模拟方法以及田间水分管理提供参考。     

遥感与作物生长模型数据同化应用综述

遥感是获取大面积地表信息最有效的手段，在农业资源监测、作物产量预测中发挥着不可替代的重要作用；作物生长模型能够实现单点尺度上作物生长发育的动态模拟，可对作物长势以及产量变化提供内在机理解释。遥感信息和作物生长模型的数据同化有效结合二者优势，在大尺度农业监测与预报上具有巨大的应用潜力。该文系统综述了遥感与作物生长模型的同化研究，概述了遥感与作物生长模型数据同化系统的构建，在归纳国内外研究进展的基础上，总结了当前主流同化方法的特点以及在不同条件下的同化效果。进而具体分析影响同化精度的关键环节，明确了相关科学概念，并相应指出改善精度的策略或者方向。最后从多参数协同、多数据融合、动态预测、多模型耦合以及并行计算环境5个方面展望了遥感与作物生长模型数据同化的未来研究重点和发展趋势，同时结合农业应用现实需求，介绍一种数据同化与集合数值预报结合的应用框架，为大区域、高精度同化研究提供新的思路与借鉴。     

基于遥感信息与作物模型集合卡尔曼滤波同化的区域冬小麦产量预测

区域作物产量预测是国家粮食安全评估的重要内容。遥感虽能获取大面积地表信息,却难以反映作物生长发育的内在过程。作物生长模型已经在单点尺度能成功模拟作物的生长发育过程,但是区域尺度作物关键参数的获取仍很困难。遥感信息与作物模型结合的数据同化已经成为区域产量预测的最有效途径。该文选择河北省衡水地区冬小麦为研究对象,在WOFOST模型标定与区域化的基础上,利用WOFOST模型描述冬小麦生育期内叶面积指数(LAI)变化规律。针对MODIS数据的混合像元造成反演的LAI产品偏低的系统误差,利用实测LAI样本点融合MODIS-LAI趋势信息修正MODIS-LAI数据产品。采用集合卡尔曼(EnKF)算法同化冬小麦返青到抽穗期的MODIS-LAI与WOFOST模拟的LAI以获得时间序列最优的LAI,并以此重新驱动WOFOST模型估算区域冬小麦产量。结果表明,EnKF同化后的冬小麦产量比未同化的产量预测精度有显著提高,与县平均统计产量相比,在潜在模式下,决定系数由0.13提高到0.38,均方根误差由2480下降到880kg/hm2。研究表明,遥感信息与作物模型的EnKF同化是1种有效的作物产量预测方法,并在区域尺度应用上具有广阔的应用潜力。该研究可为区域尺度的作物估产提供参考。     

彩色空间变换在DEM与遥感影像复合中的应用研究

非遥感数据与遥感数据复合是提高遥感影像解译精度的重要方法之一。以延河流域1997年TM影像和1∶5万DEM为数据基础,在遥感影像处理软件ERDAS IMAGINE 8.4支撑下,研究了遥感数据与非遥感数据的复合方法。研究表明,利用彩色空间变换能取得较好的效果。把遥感影像从RGB颜色模式通过彩色空间变换变换到IHS颜色模式,利用DEM代替IHS模式的色度(H)分量并通过逆变换变回到RGB模式。变换后各地类间颜色对比度增大,有利于监督分类中分类模板的建立和提高分类精度。     

基于遥感和作物生长模型的作物产量差估测

传统的作物生长模型很难模拟大田的实际产量，因为大量的数据、复杂的数学运算以及误差传递限制了作物生长模拟模型的运用。目前为止实际产量仅能通过观测和实地调查获得。该文将NOAA-14 AVHRR遥感获取的冠层温度信息引入作物生长模型，利用冠气温差计算作物水分胁迫系数，可以近似地估计区域作物实际生长速率和产量，进而建立了遥感-作物模拟复合模型PS-X，提出了估算区域作物实际产量的方法。PS-X模型可在不同层次模拟作物的生长和产量，在PS-1、PS-2、PS-X水平计算的分别是作物的光温生产潜力、水分限制下的生产力和实际产量。利用该模型，论文分别模拟了邯郸地区1998年夏玉米的光温生产潜力、水分限制下的生产力和实际产量，并通过比较不同模拟水平下产量和农户调查产量进行区域产量差分析。结果表明：PS-1和PS-2水平之间的产量差主要由水分和土壤质地差异造成；PS-2与PS-X水平间的平均产量差异较大，占总产量差（PS-1与PS-X水平之差）的81.4%，主要由田间管理差异造成；对于平原地区，夏玉米产量估测精度可达90%以上；砂质土壤区估算冠层温度和水分胁迫系数比壤质、粘质土壤区要高，因此砂质土壤区模拟作物产量较低，这与PS-2计算结果、农户调查数据一致。研究证实，区域上应用遥感瞬时温度信息建立遥感-作物模拟复合模型进行估产是可行的。     

Assessing the Value of Using a Remote Sensing-Based Evapotranspiration Map in Site-Specific Management

ABSTRACT

In the glaciated regions of the northern Great Plains, water - either too much or too little - influences soil development, carbon storage, and plant productivity. Integrating site-specific water variability information directly into management is difficult. Simulation models that employ remotely sensed data can generate hard to measure values such as evapotranspiration (ET). This information can be used to identify management zones. The objective of this study was to determine if the METRIC (Mapping Evapotranspiration at High Resolution and with Internalized Calibration) model, which uses weather station and remote sensing data can be used as a tool in site-specific management. This study was conducted on a 65 ha corn (Zea mays L.) field located in east central South Dakota. The METRIC model used Landsat 7 data collected on August 4, 2001 to calculate ET values with spatial resolution of 30 m. ET values were correlated with corn yield (r = 0.85??), apparent electrical conductivity (EC_a; r = 0.71??), soil organic carbon (SOC; r = 0.32?), and pH (r = 0.28?). In the footslope positions, high ET values were associated with high corn yields, SOC, EC _a , and pH values, while in the summit/shoulder areas low ET values were associated with low yields, SOC, EC_a, and pH values. The strong relationship between ET and productivity was attributed to landscape processes that influenced plant available water, which in turn influenced productivity. Cluster analysis of the ET and EC data showed that these data bases complimented each other. Remote sensing-based ET data was most successful in identifying areas where water stress reduced corn yields, while EC_a was most successful in identifying high yielding management zones. Findings from this study suggest that remote sensing-based ET estimates can be used to improve management zone delineation.     

Monitoring primary production from Earth observing satellites

Satellite remotely sensed observations provide a unique capacity to monitor biospheric activity at regional and global scales. Spectral vegetation indices from these observations capture the heterogeneity of growth patterns across the Earth's surface including the significant decline in vegetation activity above 50°N latitude. Conversion of these observations to meaningful assessments of vegetation growth, particularly changes within and between years, requires more than a simple linear transform between the spectral vegetation index and forest production. Although satellite observations of vegetation indices are essential, appropriate environmental variables and models are also necessary. The approach is illustrated by a study of the southern Boreal forest in northern Minnesota. A conceptual and methodological framework for monitoring primary production from remotely sensed observations alone is proposed and results of its application in the Global Production Efficiency Model (GLO-PEM) for global boreal forests are discussed.     

A comparison of operational remote sensing-based models for estimating crop evapotranspiration

The integration of remotely sensed data into models of evapotranspiration (ET) facilitates the estimation of water consumption across agricultural regions. To estimate regional ET, two basic types of remote sensing approaches have been successfully applied. The first approach computes a surface energy balance using the radiometric surface temperature for estimating the sensible heat flux (H), and obtaining ET as a residual of the energy balance. This paper compares the performance of three different surface energy balance algorithms: an empirical one-source energy balance model; a one-source model calibrated using inverse modeling of ET extremes (namely ET = 0 and ET at potential) which are assumed to exist within the satellite scene; and a two-source (soil + vegetation) energy balance model. The second approach uses vegetation indices derived from canopy reflectance data to estimate basal crop coefficients that can be used to convert reference ET to actual crop ET. This approach requires local meteorological and soil data to maintain a water balance in the root zone of the crop. Output from these models was compared to sensible and latent heat fluxes measured during the soil moisture–atmosphere coupling experiment (SMACEX) conducted over rain-fed corn and soybean crops in central Iowa. The root mean square differences (RMSD) of the estimation of instantaneous latent and heat fluxes were less than 50 W m⁻² for the three energy balance models. The two-source energy balance model gave the lowest RMSD (30 W m⁻²) and highest r² values in comparison with measured fluxes. In addition, three schemes were applied for upscaling instantaneous flux estimates from the energy balance models (at the time of satellite overpass) to daily integrated ET, including conservation of evaporative fraction and fraction of reference ET. For all energy balance models, an adjusted evaporative fraction approach produced the lowest RMSDs in daily ET of 0.4–0.6 mm d⁻¹. The reflectance-based crop coefficient model yielded RMSD values of 0.4 mm d⁻¹, but tended to significantly overestimate ET from corn during a prolonged drydown period. Crop stress can be directly detected using radiometric surface temperature, but ET modeling approaches-based solely on vegetation indices will not be sensitive to stress until there is actual reduction in biomass or changes in canopy geometry.     

基于可见-近红外光谱的滨海盐土土壤盐分预测方法

我国目前尚存盐渍土0.35亿hm2,潜在盐渍化土壤0.17亿hm2,15 m等深线以内的浅海和滩涂有0.14亿hm2,黄河河口及长江口以南诸省的滨海盐土都有逐年递增的趋势[1]。因此,对盐渍化土壤盐渍化程度的连续、实时监测尤为重要。然而,我国在区域盐渍土制图、分区及全国性的监测预报体     

基于时序归一化植被指数的冬小麦收获指数空间信息提取

为获取农作物收获指数（HI）空间分布信息，该研究充分利用遥感技术，以冬小麦为例，利用时序归一化植被指数NDVI构成的作物生长过程曲线提取MODIS NDVI阶段性累积特征参数，并用生殖生长关键阶段和营养生长关键阶段对应的NDVI累积参数比值HINDVI_SUM构建了用于反演冬小麦收获指数的参数，并建立了参数HINDVI_SUM与冬小麦实测收获指数的定量关系，利用上述定量关系实现作物收获指数空间信息的提取。经过对反演冬小麦收获指数的精度验证，结果表明，利用构建参数HINDVI_SUM在区域范围内反演冬小麦收获指数取得了较好的效果。其中，冬小麦收获指数预测的平均相对误差为2.40%，均方根误差（RMSE）为0.02，证明了该研究利用时序NDVI构建参数HINDVI_SUM反演区域冬小麦收获指数空间信息的方法准确性和可行性。     

基于TRMM数据的山东省干旱监测及其可靠性检验

为了兼顾卫星遥感干旱监测的高时空覆盖性和气象站点干旱监测的普遍适应性,使用热带降水测量卫星(TRMM)3B43的逐月降水量资料和单站干旱监测Z指数方法,对区域干旱过程进行监测。研究以黄淮海平原冬小麦主产区的山东省为例,使用该方法对1998年1月-2010年12月间的逐月干旱情况进行了监测,并利用同期气象数据计算出来的标准化降水指数(SPI)对TRMM-Z指数进行了验证。结果表明TRMM-Z指数监测出的干旱发生、发展过程与实际相符,其监测结果与站点SPI相关系数为0.83,达极显著水平。该干旱监测方法在区域干旱监测与评估中具有很好的适用性和精度,为有效获取气象与农业旱情提供了一种新的思路。