基于SEBAL模型和Landsat-8遥感数据的农田蒸散发估算

【目的】及时准确地获取农田蒸散发量,为科学管理农田灌溉、精准估算作物产量和预报土壤水分动态、合理开发水资源等提供有效依据。【方法】以广利灌区为研究对象,基于SEBAL模型利用Landsat-8数据对研究区域农田蒸散发进行估算,通过地表参数计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量,利用余项法求得潜热通量及瞬时蒸散发。假定24 h内蒸散比不变,由瞬时蒸散发扩展到日蒸散发量,最终求得研究区的日平均蒸散发量,将模型计算结果与彭曼公式进行了对比,同时结合灌区提供数据对计算结果进行了验证。【结果】彭曼公式计算2014年5月6日和2015年9月14日蒸散量与实测结果相差分别为5.2%和9.4%,SEBAL模型估算得到2014年5月6日和2015年9月14日的日蒸散量与灌区提供日蒸散量相差4.5%、6.0%,且冬小麦及夏玉米蒸散发在空间上存在一定的差异性,主要集中在灌区中部区域及西南区域。【结论】SEBAL模型计算结果具有较高的精度,而且方法相对快捷高效。     

基于SEBAL模型和环境卫星的区域蒸散发量及灌溉水利用系数估算研究

【目的】探索基于遥感技术建立准确快捷评估区域蒸散发量和灌溉水利用系数的方法。【方法】以河套灌区义长灌域为研究区,基于SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型和较高时空分辨率的环境卫星影像,建立了SEBAL遥感蒸散发估算模型,并与降水量、灌水量和地下水位数据结合,计算了研究区的灌溉水利用系数。【结果】SEBAL模型反演的作物蒸散发量的平均绝对误差在5%以内;2013—2017年研究区灌溉水利用系数在0.427～0.572之间,平均值0.492,高于河套灌区的平均水平。人民支渠区的灌溉水利用系数在0.447～0.688之间,均值为0.516。研究区地下水补给量均值为52.13 mm,约占灌水量的3%～7%,忽略地下水补给量会对灌溉水利用系数准确计算带来0.03～0.08的误差。【结论】基于SEBAL遥感蒸散发模型快速测算了灌溉水利用系数,计算结果具有较好的精度和可信度。模型尺度差异性较小,在不同空间尺度的适用性较好。     

基于遥感的农业用水效率评价方法研究进展

遥感技术的发展为区域尺度蒸散发计算、作物分布识别及估产提供了一条有效途径,为基于遥感信息的灌区灌溉水利用效率及作物水分利用效率定量评价奠定了基础。回顾总结了遥感蒸散发模型、瞬时蒸散发升尺度方法、日蒸散发插值方法、作物分布识别方法及作物估产模型的研究进展,评述了遥感蒸散发及作物估产结果在灌区灌溉水利用效率及作物水分利用效率评价中的应用情况。提出了相关领域需要进一步研究的问题,包括适合非均匀下垫面特点且具有较强物理基础的灌区遥感蒸散发模型、日蒸散发插值中灌溉或降雨引起土壤含水量突变情况的处理、农田蒸散发中灌溉水有效消耗量的准确估算、能适应复杂种植结构并且适用于多年的作物分布遥感识别模型以及精度较高且可操作性强的遥感估产模型等。     

陆浑灌区实际蒸散发影响因素分析

实际蒸散发是水文循环的关键环节,分析灌区实际蒸散发及其影响因素对灌区水资源的高效利用和农业高质量发展具有重要意义。然而,目前蒸散发的影响因素研究在确定主要因素时往往采用解释力较差的传统统计学方法,在相关性分析时忽略了蒸散发与其影响因素在空间上的相关性。因此利用改进的随机森林模型确定实际蒸散发的主要影响因素,并通过岭回归模型和地理加权回归模型探究实际蒸散发与其影响因素的时空相关关系。结果表明：(1)在灌溉期,地表净辐射、平均气温、叶面积指数和实际水汽压是实际蒸散发的主要影响因素;在非灌溉期,地表净辐射、平均气温、风速和日照时间是实际蒸散发的主要影响因素。实际蒸散发在一定程度上代表了灌区的作物耗水量。因此,灌区作物耗水在灌溉期和非灌溉期的影响作用有一定的差异。(2)在时间上,风速与实际蒸散发为负相关关系且呈显著负相关(P<0.05),其余影响因素与实际蒸散发均为正相关关系且呈显著正相关(P<0.05);在空间上,除风速与实际蒸散发在大部分区域呈负相关关系,其余影响因素都与实际蒸散发在大部分区域呈正相关关系。因此,除风速外,其余影响因素对灌区作物耗水在大部分区域都为正向促进作用。     

基于MODIS数据的区域蒸散发估算研究

应用遥感方法计算区域蒸散发具有很多常规方法所没有的优势.在基于地表能量平衡原理的SEBAL模型基础上提出了将新一代对地观测数据MODIS应用于反演区域地表蒸散的计算方法,并对新疆焉耆盆地的日蒸散发与月蒸散发情况进行了计算模拟,获取了相关地面特征参数.通过与基于ETM数据的SEBAL模型计算结果进行对比分析,验证了MODIS数据计算结果的合理性,并利用研究区实测水面蒸发值与区域水均衡方法对MODIS计算结果进行进一步的验证,说明了利用MODIS数据反演区域蒸散发的方法是切实可行的.     

吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律

【目的】探索吉兰泰及周边地区蒸散发的时空变化规律。【方法】以吉兰泰为对象,利用MODIS数据通过SEBAL模型估算了研究区2017年植被生长季5—10月的日蒸散发,并分析了蒸散发与环境因子的相关性。【结果】①生长季日平均蒸散量整体趋势呈单峰型分布趋势,日均蒸散量最大值在7月(3.98 mm),最小值在10月(1.11 mm);②在空间分布上,研究区东南部蒸散发最高,东北部蒸散发最低;不同土地利用类型中蒸散发值由大到小分别为林地、耕地、草地、戈壁、沙漠;各土地利用类型蒸散发量的时间动态表现一致,呈生长期>生长初期>生长后期;③归一化植被指数、高程与蒸散发正相关,风速以及地表温度与蒸散发负相关。【结论】SEBAL模型估算的蒸散发与P-M作物系数法的蒸散发进行对比,相对误差在允许范围之内,表明SEBAL模型对本研究区蒸散发的估算是可靠的。研究区靠近山地的蒸散发大于荒漠区的蒸散发。在植被生长季中生长初期的蒸散发受温度和风速影响最大,生长期和生长后期的蒸散发受地表温度和高程影响最大。     

河套灌区解放闸灌域节水对地下水及蒸发影响研究

根据内蒙古河套灌区解放闸灌域2006-2013年水文、气象以及地下水资料,应用水量平衡对灌域实施节水后作物生育期内区域耗水、地下水贡献及水均衡变化进行了定量研究。研究结果表明2006-2013年作物生育期内灌域约有80%的地区地下水埋深呈增大趋势。在一定范围内,灌区水量输入(灌溉与降水之和)减少会明显使得灌域蒸散发减少。在实施节水灌溉的背景下,地下水对蒸散发的贡献率则呈一定幅度的上升趋势,8年平均地下水贡献率达到34%。灌区节水引起的地下水位下降及地下水对耗水贡献的改变将改变农业产出及灌区生态环境。     

基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

传统的新安江模型在计算流域蒸散发能力时仅依据非常有限的几个蒸发站的蒸发皿实测水面蒸发乘以一个折算系数来获得,不能考虑土地利用/覆被、气候特征、植被叶面积指数等因子的时空差异性和土壤特性、流域地形的空间差异性对流域蒸散发量影响。通过将考虑植被叶面积指数动态变化对蒸散发影响的双源蒸散发模型与新安江模型集成,改进了新安江模型的蒸散发计算模块,并以淮河息县水文站以上流域为研究区,以日为时间尺度,基于地形、土地利用、气象及水文资料对息县以上流域2000~2008年降雨径流过程进行模拟,结果表明,基于双源蒸散发的新安江模型能有效地模拟淮河上游降雨径流过程,满足模拟精度要求。研究成果为改进新安江模型中蒸散发计算模块提供了依据,也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。     

基于蒸散发调控及排水重复利用的灌区节水潜力

基于改进SWAT模型,以漳河灌区为背景,模拟分析了不同情景下蒸散发及排水比的变化,并进一步分析灌区节水潜力.结果表明,水田蒸散发由大到小为淹灌、间歇灌溉和薄浅湿晒.基于蒸散发消耗调控,研究区现状条件下理论节水率为14.5％,远大于实际节水潜力;与淹灌相比,间歇灌溉和薄浅湿晒节水率分别为1.6％和2.4％.基于排水重复利用,研究区现状条件下理论节水率为16％;塘堰汇流面积比例从现状的30％提高到50％,排水管理节水率及实际灌溉节水率分别为3.8％和1％,而传统的灌溉取水节水率为19.9％;可见,不同计算方法得到的节水潜力存在很大差异.     

华北典型区SEBAL模型蒸散发反演的适用性分析

为获取农田蒸散发量,探究SEBAL模型在华北地区的适用性,以邯郸市永年区为研究对象,基于MODIS数据的SEBAL模型,通过地表能量平衡法计算区域冬小麦关键生长期中不同时期单日蒸散量的情况,并与P-M法结果进行适用性分析,其相对误差在23％左右.分析结果表明:SEBAL模型在研究区的蒸散发模拟精度较准确,且方法简单高效...     

Enhancing the Simplified Surface Energy Balance (SSEB) approach for estimating landscape ET: Validation with the METRIC model

Evapotranspiration (ET) can be derived from satellite data using surface energy balance principles. METRIC (Mapping EvapoTranspiration at high Resolution with Internalized Calibration) is one of the most widely used models available in the literature to estimate ET from satellite imagery. The Simplified Surface Energy Balance (SSEB) model is much easier and less expensive to implement. The main purpose of this research was to present an enhanced version of the Simplified Surface Energy Balance (SSEB) model and to evaluate its performance using the established METRIC model. In this study, SSEB and METRIC ET fractions were compared using 7 Landsat images acquired for south central Idaho during the 2003 growing season. The enhanced SSEB model compared well with the METRIC model output exhibiting an r² improvement from 0.83 to 0.90 in less complex topography (elevation less than 2000 m) and with an improvement of r² from 0.27 to 0.38 in more complex (mountain) areas with elevation greater than 2000 m. Independent evaluation showed that both models exhibited higher variation in complex topographic regions, although more with SSEB than with METRIC. The higher ET fraction variation in the complex mountainous regions highlighted the difficulty of capturing the radiation and heat transfer physics on steep slopes having variable aspect with the simple index model, and the need to conduct more research. However, the temporal consistency of the results suggests that the SSEB model can be used on a wide range of elevation (more successfully up 2000 m) to detect anomalies in space and time for water resources management and monitoring such as for drought early warning systems in data scarce regions. SSEB has a potential for operational agro-hydrologic applications to estimate ET with inputs of surface temperature, NDVI, DEM and reference ET.     

Integrating remote sensing, census and weather data for an assessment of rice yield, water consumption and water productivity in the Indo-Gangetic river basin

Crop consumptive water use and productivity are key elements to understand basin water management performance. This article presents a simplified approach to map rice (Oryza sativa L.) water consumption, yield, and water productivity (WP) in the Indo-Gangetic Basin (IGB) by combining remotely sensed imagery, national census and meteorological data. The statistical rice cropped area and production data were synthesized to calculate district-level land productivity, which is then further extrapolated to pixel-level values using MODIS NDVI product based on a crop dominance map. The water consumption by actual evapotranspiration is estimated with Simplified Surface Energy Balance (SSEB) model taking meteorological data and MODIS land surface temperature products as inputs. WP maps are then generated by dividing the rice productivity map with the seasonal actual evapotranspiration (ET) map. The average rice yields for Pakistan, India, Nepal and Bangladesh in the basin are 2.60, 2.53, 3.54 and 2.75 tons/ha, respectively. The average rice ET is 416 mm, accounting for only 68.2% of potential ET. The average WP of rice is 0.74 kg/m³. The WP generally varies with the trends of yield variation. A comparative analysis of ET, yield, rainfall and WP maps indicates greater scope for improvement of the downstream areas of the Ganges basin. The method proposed is simple, with satisfactory accuracy, and can be easily applied elsewhere.     

河套灌区玉米农田蒸散动态变化及其影响因子的通径分析

采用大型称重式蒸渗仪研究了内蒙古河套灌区玉米蒸散动态规律,并运用通径分析法探讨了玉米蒸散量ET与各影响因子间的相关关系.结果表明:充分灌溉处理下玉米生育期(播前-收获)累积蒸散量为593.72 mm,亏缺灌溉处理下为395.21 mm,日平均蒸散量分别为4.24和2.82 mm/d.由各生育期的分布情况可知苗期蒸散量最小,分别占全生育期的3.7%和5.8%;拔节期开始,蒸散量逐渐增大,在抽雄期达到峰值,2种处理总蒸散量分别为279.38和166.76 mm,日平均蒸散量分别为8.47和5.05 mm/d,分别占整个生育期蒸散总量的47.1%和42.2%.由小时尺度蒸散量变化规律可知,玉米日蒸散量变化规律表现为早晚低、中午高的“单峰型”曲线特征.通径分析表明:2种灌溉处理下,饱和水气压和平均气温对ET的综合决定能力较大,是2个主要的环境驱动因子;2种灌溉处理下对蒸散作用最小的因子均为风速,且风速对ET的影响以间接作用为主.影响河套灌区玉米蒸散的主要气象因子为饱和水气压与气温.     

关中地区灌溉农业发展对区域蒸发的影响研究

主要从分析参考作物蒸发蒸腾量(ET0)的变化趋势来反映气候变化对蒸发的影响,从灌区实测水面蒸发量的变化趋势来分析灌溉农业发展对区域蒸发的影响。用改进后的Penman公式计算关中地区1961～2001年系列5个气象站的ET0,结果显示:80年代前后气候对关中地区年ET0值的影响有明显区别,80年代以后关中地区年ET0值增长趋势加大,受气候影响明显大于80年代以前。多年平均年内分布表明连续最大3月即6～8月占全年的比例为46%～48%,但80年代以后年内分布6～8月ET0所占比例有降低趋势;从泾惠渠灌区灌溉试验站实测水面蒸发资料分析,显示明显的逐年减少的趋势,年内分布表明6～8月水面蒸发量所占比例有降低趋势。说明灌溉农业发展引起农田小气候的变化,减少了夏季潜在的蒸发和实际蒸发量。     

A review of downscaling methods for remote sensing-based irrigation management: part I

High-resolution daily evapotranspiration (ET) maps would greatly improve irrigation management. Numerous ET mapping algorithms have been developed to make use of thermal remote sensing data acquired by satellite sensors. However, adoption of remote sensing-based ET maps for irrigation management has not been feasible due to inadequate spatial and temporal resolution of ET maps. Data from a coarse spatial resolution image in agricultural fields often cause inaccurate ET estimation because of a high level of spatial heterogeneity in land use. Image downscaling methods have been utilized to overcome spatial and temporal scaling issues in numerous remote sensing applications. In the field of hydrology, the image downscaling method has been used to improve spatial resolution of remote sensing-based ET maps for irrigation scheduling purposes and thus improves estimation of crop water requirements. This paper (part I) reviews downscaling methods to improve spatial resolution of land surface characteristics such as land surface temperature or ET. Each downscaling method was assessed and compared with respect to their capability of downscaling spatial resolutions of images. The companion paper (part II) presents review of image fusion methods that are also designed to increase spatial resolutions of images by integrating multi-spectral and panchromatic images.     

Growing season evapotranspiration from duplex soils in south-western Australia

In the Mediterranean-type climate of south-western Australia, evapotranspiration (ET) is of particular importance because of the expanding threat of dryland salinity. This paper reports on studies at two sites for a total of 5 years aimed at quantifying ET from pastures on duplex (sand over clay) soils within the region. ET was assessed with the Bowen ratio energy balance technique, and compared with potential ET and ET calculated from the water balance. ET closely matched potential ET from the break of the season (May or June) until some seasonally dependent time in spring (September or October). The date of divergence of actual from potential ET was not clearly defined, but occurred gradually during a 2-week period, and was associated with the rapid depletion of soil water at the end of the season. The gradual transition was due to natural variation in the magnitude of daily potential ET during the transition period, which ranged from 1.1 to 4.5 mm. The water balance tended to overestimate ET during winter, by assuming deep drainage was zero, whereas the energy balance tended to overestimate ET very late in the season. For duplex soils in south-western Australia, a composite approach may give a cheap and accurate estimate of growing season ET, provided that rainfall is adequate to maintain surface soil moisture. This approach assumes that ET equals potential ET until the rapid decline in soil water begins, and ET equals changes in soil water storage after this time.     

西北地区冬小麦腾发量估算模型适用性评价

为实现对西北地区冬小麦腾发量(ET)的准确估算,在对不同生育期ET的影响因子进行分析后分别采用双作物系数模型、单作物系数模型和Priestley-Taylor(PT)模型模拟ET,并以大型蒸渗仪实测ET为标准值对比其精度.结果表明:气象因子是播种-返青(Ⅰ期)和抽穗-乳熟(Ⅲ期)ET的主导因子,作物因子是乳熟-收获(Ⅳ期)ET的主导因子,2种因子对返青-抽穗(Ⅱ期)和全生育期ET的驱动作用相近;Ⅰ期双作物系数模型、单作物系数模型和PT模型的R²分别为0.511 8,0.239 3,0.374 2,RMSE变化范围为0.284 6~0.366 3 mm/d,总体评价指标GPI排名分别为1,3,2;Ⅱ期3个模型的R²均在0.700 0 以上,RMSE为0.540 9~0.844 0 mm/d,双作物系数模型模拟效果最好;Ⅲ期各模型的R²均高于0.600 0,RMSE为0.828 8~1.258 7 mm/d,双作物系数模型GPI排名第1;Ⅳ期3个模型的R²分别为0.799 1,0.671 6,0.270 8,RMSE为0.968 1~1.946 2 mm/d,作物系数模型模拟精度明显高于PT模型;全生育期各模型RMSE为0.551 5~0.893 6 mm/d,双作物系数模型的R²达到0.902 2.     

西北干旱区农田春小麦蒸散量的空间插值方法

综合运用传统统计分析方法和地质统计分析方法,研究了西北旱区春小麦蒸散量在不同生育阶段的时空变异特征,并分析了试验区表层土壤储水量和叶面积指数对春小麦蒸散量的影响关系,通过分析比较,筛选表层土壤储水量为协同因子,并将其应用到试验区春小麦蒸散量的空间插值研究中。研究结果表明:在所研究的条件下,即使外观较为均匀、面积相对较小的农田,春小麦蒸散量仍具有较高的空间变异(变异系数范围0.328~0.495);当降雨入渗深度小于20 cm时,表层土壤储水量(0~20 cm)是影响研究区春小麦蒸散量变异的主要因子,春小麦不同生育期累积蒸散量与表层土壤储水量变化的相关系数在0.8~0.9之间,远大于春小麦累积蒸散量与叶面积指数的相关系数;基于表层土壤储水量的蒸散量协同克里金空间插值分析与地面实测结果相比,仅42个蒸散量地面采样数据即可保证研究区春小麦蒸散量估计精度高于90%。     

采用作物系数法和PM模型估算南京地区玉米田蒸发蒸腾量

蒸发蒸腾量(ET)是农田水平衡中的重要环节,ET的准确估算有助于提高农田水分管理水平。在测定农田小气候、土壤蒸发和玉米生长旺季液流量基础上,比较了单作物系数法(Kc法)、双作物系数法(Kcb法)、不同冠层阻力计算的Penman-Monteith模型(PM1和PM2法)估算南京地区玉米田ET的适用性,并对玉米整个生育期ET变化及其影响因素进行分析。结果表明以液流法和土壤蒸发测定的总ET为基准,PM1方法估算的夏玉米ET误差最小,与实际测定ET的决定系数(R2)、平均绝对误差(MAE)和一致性指数(d)分别为0.52、0.8 mm/d和0.48。以PM1模型估算的夏玉米全生育期ET为310mm,日均ET为3.16mm/d,最大值出现在拔节期和抽穗期,整体变化呈单峰型。ET与气象因素响应顺序为净辐射饱和水汽压温度风速。本研究可为优化玉米田水资源管理和提高水资源有效利用提供参考。     

基于SEBAL模型的小麦水分生产率研究

基于能量平衡原理,运用SEBAL模型和Landsat8影像反演估算了山西省晋中市的小麦水分生产率。首先根据Landsat8卫星影像,反演了晋中地区净辐射通量、土壤热通量和感热通量,使用能量平衡方程计算了水分蒸散;然后基于晋中小麦的产量统计数据,对晋中小麦的产量进行插值并栅格化;最后利用水分生产率公式计算了研究区小麦水分生产率。结果表明,研究区内的太谷、榆社、介休3站点反演的日蒸散量分别为2.93、3.82、3.17 mm/d,范围为0.41~7.22 mm/d,与根据Penman-Monteith公式计算的结果 (2.57、3.48、3.43 mm/d)大致相等,误差范围在10%左右;研究区小麦水分生产率均值为0.94 kg/m3,最高达到2.50 kg/m3,处于合理范围内,可以对晋中地区提高水分利用效率提供有效参考。