基于遥感蒸散发的区域作物估产方法

灌区作物产量估算对农业用水效率评价和灌区水分管理具有重要意义。该研究以干旱区代表性灌区-内蒙古河套灌区主要农作区为研究对象,基于遥感蒸散发模型HTEM和遥感作物识别结果获取河套灌区玉米生育期日蒸散发量。选取Jensen模型、Blank模型和Stewart模型3种常用水分生产函数模型,建立河套灌区玉米估产模型,并分析各估产模型的适用性及其参数。结果表明,研究区玉米生育期多年平均蒸散发量约为526 mm。3个模型均有较高的估产精度,其中Stewart模型的产量模拟精度最高,相对误差为4.30%,相关系数为0.75。因此,Stewart模型在河套灌区具有更好的适用性,基于遥感蒸散发模型、遥感作物识别模型和作物水分生产函数模型建立灌区作物估产模型可以取得良好的模拟效果。     

蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型

利用需水系数、蒸腾系数和潜水蒸发经验公式,引入水分迁移系数和盐分迁移系数,建立了蒸散发条件下农田土壤水盐动态简化模型。提出作物根系吸水比例系数,用以区分计算土层下边界的根系吸水项和土壤毛管水上升项。引入盐分影响下的作物蒸散发修正系数,并与水盐生产函数相反馈进行土壤水盐动态的修正。该模型简单适用,可用于蒸散发期间田间水盐状况的调控管理。     

温室葡萄蒸散量时间尺度提升方法优选

为探索在东北寒区温室种植环境下温室葡萄蒸散发（Evapotranspiration,ET）规律与不同时间尺度ET转化方法,该研究对温室葡萄蒸散过程及环境因子进行2 a的连续监测,利用3种尺度提升方法（蒸发比法、改进蒸发比法、作物系数法）对葡萄ET进行了瞬时到日以及日到全生育期的时间尺度提升。结果表明：利用蒸发比法、改进蒸发比法和作物系数法进行ET瞬时到日尺度提升的关键参数在08:00-16:00变化平稳,平均值分别为0.54、0.52和0.76,变异系数平均值分别为0.11、0.10和0.09。采用3种日尺度提升方法对葡萄ET进行瞬时到日尺度提升时,基于不同评价指标确定的最优模型和最佳尺度提升时间均不一致。进一步,利用综合评价指标确定了4个生育期的最佳模拟时刻,基于该时刻进行瞬时到日尺度提升模拟,模拟精度以蒸发比法最高,作物系数法最低,改进蒸发比法居中。2020和2021年蒸发比法模拟的R2分别达到0.92和0.89,相对均方根误差仅为20.23%和21.49%。利用不同生育期的日蒸腾进行生育期尺度ET提升,其中果实膨大期效果最好,基于3种方法利用该生育期日数据进行全生育期ET模拟,模拟精度仍然以蒸发比法最高,作物系数法最低,改进蒸发比法居中。蒸发比法在2020和2021年的ET模拟绝对误差仅为1.8和7.4 mm,相对误差仅为0.68%和2.73%。研究为东北地区温室葡萄的水分管理提供科学依据。     

基于URMOD模型的市区蒸散发模拟与遥感验证

为了描述城市区域水文过程,该文利用中国水利水电科学研究院水资源研究所开发的分布式水文模型Simulating Model for Urban Water Cycle （URMOD）,以北京市四环路以内区域为例对不同下垫面蒸散发量进行了模拟计算。结果表明,城市区透水区域和不透水区域的蒸散发规律有很大差别,模拟期2002－2005年,草地、林地和水面的年均蒸散发量分别为578.4、571.2和1?130.5?mm,而不透水区域的年均蒸散发为161.0～269.1?mm。将模拟蒸散发量和遥感反演数据进行对比,模拟月蒸散发数据系列与遥感反演结果吻合度很好。该模型可以有效模拟城市区实际蒸散发量。     

应用修订的Shuttleworth-Wallace模型对 半干旱区覆膜玉米蒸散的研究

蒸散发(ET)包括植物蒸腾(T)和土壤蒸发(E),在维持全球能量平衡和气候调节中起关键作用。量化蒸散发及其组分在准确预报气候对生态系统碳水通量和能量的响应中至关重要。基于兰州大学半干旱区农业生态系统试验站2014年玉米生长季涡度相关仪的观测结果,利用修订后的Shuttleworth-Wallace模型(S-W模型)对覆膜玉米田的蒸散发进行模拟,利用实测值对模拟结果进行验证,对蒸散发及其组分的影响因素和敏感性进行分析。结果表明:S-W模型对覆膜玉米农田蒸散发的模拟结果在日蒸散量大于2 mm·d~(-1)的晴天和时晴时云天气较好,阴雨天气模拟结果较差,且模型模拟结果较涡度相关的实测值偏高。E/ET在一天内的变化为单峰曲线,在生长季尺度上,在玉米快速生长期呈下降趋势,在之后的时间基本保持不变。覆膜玉米农田的E/ET在日时间尺度的变化主要受气孔导度影响,在生长季尺度主要受叶面积指数和土壤含水量的共同影响。敏感性分析表明,蒸散发及其组分对作物冠层高度与参考高度间的空气动力阻力(raa)和冠层内边界层阻力(rac)均较敏感,对作物冠层阻力(rsc)敏感性适中,对地面与冠层间的空气动力阻力(ras)和下垫面裸土表面阻力(rss)不敏感,在应用S-W模型模拟覆膜玉米农田蒸散量时,要特别注意阻力参数raa、rac和rsc的合理确定。     

HIMS模型蒸散发模块的改进及在海河流域的应用

利用流域分布式水文模型精确模拟计算和分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特征,是当前流域蒸散发研究的一个前沿与难点问题。本文基于点尺度蒸散发观测试验与机理研究,对HIMS(Hydro-Informatic Modelling System)日过程模型蒸散发模块进行改进,考虑流域内植被空间分布和生长变化特性及灌溉措施的影响,利用分类汇总和分段单值作物系数法计算流域实际蒸散发,并在海河流域进行验证分析。研究结果表明:流域实际蒸散发模拟值与水量平衡法计算值相差3.4%,与原HIMS模型相比,蒸散发模拟精度提高9.2%;改进的模型对原有模型的模拟内容有所扩展,能够模拟林地蒸散发、草地蒸散发、冬小麦?夏玉米农田总蒸散发、作物有效蒸腾和土壤无效蒸发。改进后的HIMS模型能够快速模拟分析流域内不同植被类型实际蒸散发量及其时空分布特性,可为海河流域蒸散发管理提供技术支撑。     

基于叶面积指数改进双作物系数法估算旱作玉米蒸散

为准确估算和区分黄土高原旱作春玉米蒸散(evapotranspiration,ET),该文基于实测叶面积指数(leaf area index,LAI)动态估算基础作物系数,利用LAI修正土壤蒸发系数,并基于修正后的双作物系数法估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET,并以2012、2013年寿阳站基于涡度相关系统和微型蒸渗仪实测的春玉米ET和土壤蒸发(soil evaporation)对修正后的双作物系数法的适用性进行评估。结果表明:修正后的双作物系数法能够较为准确的估算春玉米ET,2012年春玉米全生育期ET估算值、实测值分别为365.3、372.6 mm,2013年分别为385.6、369.4 mm;2012年全生育期改进双作物系数法决定系数、均方根误差、模型效率系数和平均绝对误差分别为0.824、0.561 mm/d、0.817和0.449 mm/d,2013分别为0.870、0.381 mm/d、0.871和0.332 mm/d;同时,修正后的双作物系数法可对春玉米各生育期ET进行准确区分,土壤蒸发估算值与实测值有较好的一致性,2012年全生育期估算和实测土壤蒸发分别为0.98和0.99 mm/d,分别占ET的38.12%和37.08%;2013年估算和实测土壤蒸发分别为0.86和0.89 mm/d,分别占ET的33.59%和35.90%。因此,修正后的双作物系数法能够较为准确地估算和区分黄土高原地区旱作春玉米ET。该研究可为黄土高原区农田水分精准管理提供科学指导。     

黑河下游胡杨林生态系统土壤蒸发模拟改进

水分是限制干旱、半干旱地区植被生态系统恢复的重要因素之一,合理量化长时间尺度下生态系统中的土壤蒸发量及其变化趋势,对于提高生态系统水资源利用效率具有重要意义。基于黑河下游额济纳绿洲七道桥胡杨林保护区实测数据,分析了胡杨林生态系统土壤蒸发和蒸散发的变化趋势及其与环境因子的相关性,通过Shuttleworth-Wallace模型和改进的双源模型中土壤蒸发的计算公式对其进行模拟,对比分析了二者的模拟精度及参数敏感性,结果表明：(1)土壤蒸发和蒸散发各月的日变化及整个试验期内的变化均呈先升高后降低的单峰变化趋势;(2)胡杨林生态系统土壤蒸发在蒸散发中所占比例的变化范围为30.2%～72.2%;(3)净辐射对土壤蒸发的影响最显著;(4)改进的双源模型中,土壤蒸发的计算公式可以不考虑复杂阻力参数的计算过程,且与传统的双源SW模型相比具有更高的模拟精度。研究提出了适用于干旱区森林植被生态系统中土壤蒸发模拟的双源优化模型,为土壤蒸发模拟提供了新的思路与方法。     

内蒙古通辽膜下滴灌玉米棵间蒸发量SIMDual_Kc模型模拟

为明确内蒙古东北部地区玉米膜下滴灌棵间蒸发的变化规律,探索玉米膜下滴灌节水增产机制,在田间试验的基础上,采用经过参数率定与验证的双作物系数SIMDual_Kc模型,模拟分析了土壤含水率、土壤棵间蒸发及作物系数的变化规律,结果表明:1)双作物系数SIMDual_Kc模型模拟内蒙古东北部地区滴灌玉米土壤含水率与实测值具有很好的一致性;2)利用双作物系数SIMDual_Kc模型估算出该地区覆膜玉米生育初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1.05、0.4,无膜滴灌玉米初期、中期和后期作物系数分别为0.15、1与0.4;3)根据双作物系数模型SIMDual_Kc模拟了2014和2015年滴灌玉米棵间蒸发量占作物蒸散发的比例,覆膜滴灌较无膜滴灌少,说明覆膜能有效降低作物棵间蒸发量,具有降低作物耗水量的潜在优势。研究结果可以为内蒙古东北部地区玉米滴灌生产实践提供科学依据。     

Hydrus-1D模型在田间水循环规律分析中的应用及改进

为分析农田水分运移规律,以华北平原位山引黄灌区典型田间为研究对象,应用Hydrus-1D模型连续模拟了 2006－2009年的田间水分运移过程。对模型中表面阻抗的计算方法进行了改进,从而改善了蒸散发的模拟结果,与涡度相关系统的实测蒸散发数据对比表明了改进的合理性。对蒸散发的分析表明,对于种植季节性作物的农田,叶面积指数（leaf area index,LAI）是影响蒸散发季节变化过程的重要因素,而气象条件主要决定其在较短时间尺度（如一周）内的波动。与时域反射仪（time domain reflectometry,TDR）实测土壤含水率的对比表明,模型对土壤含水率的模拟精度较高。水量平衡分析结果表明,降雨和灌溉的80%由蒸散发消耗,在汛期农田通过排水发生田间渗漏损失。     

基于时间序列LAI和ET同化的冬小麦遥感估产方法比较

为了评估同化时间序列叶面积指数(leaf area index,LAI)和蒸散发(evapotranspiration,ET)产品对冬小麦产量估测的有效性和适用性,该文选择陕西省关中平原冬小麦为研究对象,以SWAP为作物生长动态模型,利用冬小麦关键生育期的遥感观测和SWAP模拟LAI、ET趋势变化信息构建代价函数,以SCE-UA作为优化算法最小化代价函数,重新初始化SWAP模型中的出苗日期和灌溉量2个参数。重点比较了基于向量夹角和一阶差分2种代价函数的冬小麦单产估测精度。结果表明,同化MODIS LAI和ET后,冬小麦产量的估测精度比未同化精度(r=0.57,RMSE=1 192 kg/hm2)有显著提高,并且基于向量夹角代价函数法同化策略的单产估测精度(r=0.75,RMSE=494 kg/hm2)高于一阶差分代价函数法(r=0.73,RMSE=667 kg/hm2)的估测精度。该方法为其他区域的水分胁迫模式下遥感与作物模型双变量数据同化提供了参考。     

基于涡度相关仪的蒸散量时间尺度扩展方法比较分析

蒸散量（ET,evapotranspiration）的时间尺度扩展是遥感反演区域ET的关键。为比较基于蒸发比、作物系数和冠层阻力的3种ET时间尺度扩展方法的估值效果,该文利用涡度相关仪实测的北京大兴区冬小麦3－6月份生育期内的ET数据,分析了蒸发比、作物系数和冠层阻力3种参数在日内的变异性并最终比较基于3种参数的ET时间尺度扩展方法的估值效果。结果表明,作物系数在日内变异性最小且其在3个时段的小时值最接近日均值,此外,对比3种方法的估值效果发现,基于作物系数的ET时间尺度扩展方法在3个时段表现效果均最优。对与具有相近气象、气候、下垫面条件和空间尺度数据的地区,推荐采用基于作物系数的时间尺度扩展方法开展从小时到日的ET时间尺度扩展。     

不同作物类型下蒸散发时间尺度扩展方法对比

该文的目的是评价由瞬时潜热通量经过时间尺度扩展方法计算日蒸散发量的可靠性。为此,采用蒸发比法、改进的蒸发比法、正弦关系法及作物系数法等4种常用的蒸散发时间尺度扩展方法,针对位于华北平原的高营站和位于东北平原的通榆站的5种典型下垫面类型,分别对瞬时潜热通量进行时间尺度扩展,估算日蒸散发量,并与通量站采用涡度相关系统观测的日蒸散发量进行对比。结果表明,尽管4种方法在总体上具有一致性,但改进的蒸发比法的模拟精度最高(相对均方根误差20%左右),更适合于估算中国北方典型农田的日蒸散发量。然而,4种方法均存在系统误差,从而导致采用上午时段瞬时通量估算的日蒸散发量系统偏小,而采用下午时段估算的日蒸散发量系统偏大。     

基于Sentinel多源数据的农田地表土壤水分反演模型构建与验证

土壤水分是影响水文、生态和气候等环境过程的重要参数,而微波遥感是农田地表土壤水分测量的重要手段之一。针对微波遥感反演农田地表土壤水分受植被覆盖影响较大的问题,该文基于Sentinel-1和Sentinel-2多源遥感数据,利用Oh模型、支持向量回归(support vector regression,SVR)和广义神经网络(generalized regression neural Network,GRNN)模型对土壤水分进行定量反演,以减小植被影响,提高反演精度。结果表明:通过水云模型去除植被影响后的Oh模型反演精度有所提高。加入不同植被指数的SVR和GRNN模型的反演效果总体优于Oh模型,基于SVR模型的多特征参数组合(双极化雷达后向散射系数、海拔高度、局部入射角、修改型土壤调整植被指数)反演效果最优,其测试集相关系数和均方根误差分别达到了0.903和0.015 cm~3/cm~3,为利用多源遥感数据反演农田地表土壤水分提供了参考。     

基于RS数据和GIS方法估算区域作物节水潜力

利用遥感ET数据开展用水定额管理及节水潜力分析等方面的研究,是对传统农业节水研究的有益补充。该文利用分类均值法构建了基于遥感ET数据的作物水分生产函数,考虑耗水较低兼顾水分生产率较高的原则,提出基于水资源脆弱区作物ET定额估算模型,利用该模型计算获得冬小麦及夏玉米的ET定额分别为346.00、313.00 mm;保持现有土地利用结构不变,以作物ET定额为评价标准,通过对超过该作物ET定额的像元进行调整,获得大兴区夏玉米及冬小麦的节水潜力分别为1 176.75、369.27万m3。该研究为利用遥感ET数据开展区域耗水节水潜力的定量化评价进行了有益的探索。     

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.     

基于改进水云模型和Radarsat-2数据的农田土壤含水量估算

为了直接将雷达遥感中"水云模型"进行反演应用,该研究将"水云模型"中植被参数改为雷达植被指数,利用全极化数据直接支持遥感反演土壤含水量,无需遥感反演植被参数输入。改进模型为利用雷达遥感结合"水云模型"进行土壤含水量监测提供了一种高效便捷方法。基于Radarsat-2全极化数据对冬小麦覆盖的农田土壤含水量进行估算,利用2014年在陕西杨凌区获取的4个生育期内Radarsat-2卫星数据及同步田间测量108组冬小麦农田土壤含水量地面测量数据进行模型参数校正和精度验证。验证结果精度为:改进的雷达植被指数模型原叶面积指数模型(实测叶面积指数验证)原叶面积指数模型(光学遥感反演叶面积指数验证),且改进的雷达植被指数模型可以在多个生育期内对农田土壤含水量进行监测。     

基于遥感信息的区域农业干旱模拟技术研究

区域农业干旱监测预测对农业生产具有十分重大的指导意义,但受观测手段所限,目前大范围的区域农田水分信息尚无法通过常规观测直接获取。利用微波遥感(AMSR-E)获取大范围农田水分信息,继而与作物干旱模型结合对河南省冬小麦农业干旱发生发展进行了模拟研究。结果表明,加入遥感信息后,作物干旱模型对冬小麦生长发育的模拟能力有较大提高,并且区域农业干旱的模拟结果更加接近实际情况。研究表明,将遥感信息与作物干旱模型相结合,可以提高模型对农业干旱的模拟能力,这为农业旱情监测预测提供了更有力的科技支撑。