基于遥感的地表蒸散发研究进展

地表蒸散发是整个生物圈、大气圈和水圈中水分循环和能量传输的重要控制因素。遥感技术的应用使得区域尺度的蒸散发估算成为可能,并在过去的几十年中快速发展。研究对遥感蒸散发估算进行了总结与归纳,在此基础上展望了今后的发展方向,明确指出了遥感蒸散发未来研究的突破点及发展方向。提出未来应加强蒸散发尺度效应、夜间蒸散发、不同蒸散发产品的统一真实性检验、国产卫星数据的使用、更高时空分辨率产品的研发以及机器学习在遥感蒸散发产品中的应用。     

基于TSEB模型的黄河三角洲蒸散量估算

蒸散发作为湿地生态系统中地-气间水热交换的主要方式,很大程度上影响着湿地的水热平衡,合理准确地估算蒸散发量,对湿地生态系统的水分循环、能量平衡以及科学管理具有重要意义。黄河三角洲湿地作为世界上暖温带最广阔、最完整和最年轻的河口湿地生态系统,既是气候变化的敏感区,也是生态环境的脆弱区。针对其地理位置特殊、水资源供需矛盾尖锐等特点,利用SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)和TSEB(Two-Source Energy Balance)模型,对黄河三角洲湿地蒸散发量进行估算:首先利用SEBAL模型计算地表的特征参数和各地表通量,然后利用TSEB模型分离土壤和植被,分别计算黄河三角洲湿地瞬时的土壤蒸发、植被蒸腾和土壤植被总蒸散发量,利用积分关系法进行时间尺度转换,得到日蒸散量。利用气象站实测蒸发值和FAO Penman|Monteith公式计算的作物系数,对遥感估算结果进行直接和间接精度评价。结果表明反演的蒸散发结果合理,精高较高。分析蒸散的空间分布及不同地表类型的蒸散特性,对比分析芦苇沼泽和芦苇草甸的不同蒸散特点,结果表明基于两模型耦合的方法可用于黄河三角洲湿地蒸散量估算。     

陇中黄土丘陵沟壑区遥感调查

利用Landsat5 TM数据进行了甘肃省定西地区定西县、渭源县、陇西县和通渭四县的1990－2000年土地利用和土地覆盖遥感本底调查，对十年内项目区的土地利用和土地覆盖进行客观评价,并为今后生态脆弱区生态环境恢复提出可行性意见。     

台湾地区蒸散发的遥感估算与时空分析

在地表能量平衡系统(SEBS)基础上,改进了SEBS的地表动量粗糙度、零平面位移及植被高度等参数化方案,并建立适合台湾地区的气温和地表温度相关性模型,构建了改良的定量遥感蒸散模型SEBS-China。选取台湾地区2002年和2003年4季各一晴空代表日,利用MODIS数据模拟了日均实际蒸散发。模拟结果较实测蒸发皿蒸发量偏小,与实际规律相符。分析模拟结果表明:台湾地区的太阳净辐射量、蒸发比和地表蒸散发量在时间分布上呈现出变化分明的年内分布规律:夏秋季比春冬季高,其中7月最大、1月最小。时间上,2002年4个代表日的模拟值普遍高于2003年的4个代表日。在空间上,高值区位于中部山区,并向东西两侧逐渐降低到沿海地区又略有回升。不同土地覆被类型的平均蒸散发量由大到小依次为森林、草地、水体、裸地、城镇建设用地;各行政区陆面蒸散发分布呈现城市明显低于区县的规律。     

SEBAL模型在干旱区区域蒸散发估算中的应用

蒸散发是水量平衡和能量平衡的重要环节,传统的计算方法只能以点为基础进行计算。为排除蒸散发空间变异特性的影响,在遥感技术的基础上,引入了基于地表能量平衡原理的SEBAL模型,对新疆焉耆盆地的日蒸散发情况进行了计算模拟,获取了相关地面特征参数及日蒸散量,并根据盆地内具有大面积湖泊这一实地情况对模型进行了改进。     

TSEB模型在复杂下垫面下模拟结果比较研究

地表蒸散发对干旱半干旱地区水文过程模拟以及水文平衡有重要影响,复杂地表更是对地表蒸散发模拟提出了新的挑战。利用TSEB(Two-Source Energy Balance)模型,分别以Landsat、MODIS卫星数据为驱动数据,得到黑河下游绿洲地表蒸散发时空分布格局,并利用大孔径闪烁仪和涡动相关仪的观测数据对模拟结果分别在公里级和百米级尺度进行验证,研究结果表明：在大孔径闪烁仪观测的公里级尺度下,基于Landsat数据和MODIS数据驱动的TSEB估算感热通量与大孔径闪烁仪观测数据比较的均方根误差分别为48.47 W/m²、58.57 W/m²。基于涡动相关仪观测百米级尺度,Landsat数据驱动的TSEB估算感热通量与涡动相关仪观测数据的均方根误差为89.37 W/m²。因此,得出以中高分辨率卫星遥感数据作为驱动数据模型模拟效果更好,LAS观测公里级尺度数据能部分解决遥感地表蒸散发验证空间不匹配问题。     

三江源蒸散发遥感估算及其时空分布特征研究

蒸散发是地表水热平衡的基本变量,也是衡量植被生长水分适应性的重要指标。针对三江源地面实测资料匮乏的现状,以MODIS系列产品为主要数据源,通过对地表温度—植被指数特征空间法的改进,在日尺度实现了该地区2011～2019年蒸散发的连续遥感估算,并进一步解析其时空变化特征与影响因子,揭示不同土地覆被类型的蒸散发差异,以期为三江源畜牧业可持续发展与生态环境保护提供支撑。对比分析表明：蒸散发的估算结果达到了现有遥感蒸散发产品的精度要求,可用于分析三江源地区蒸散发的时空变化特征。近9年,三江源蒸散发总体呈现先减少后增加趋势,多年平均值为420.04 mm;受海拔与降水控制,蒸散发空间分布异质性明显,从东南向西北逐渐减少;3 194～4 620 m海拔范围内,蒸散发随海拔高度增加呈单峰型变化,站点尺度年蒸散发与降水量之间的相关系数为0.71。虽然不同土地覆被分类系统下蒸散发的统计结果存在差异,但单位面积蒸散发具有林地>灌丛/灌木林>草地/草甸>裸土地/无植被区的明显特征,像元尺度多年平均蒸散发与植被覆盖度的相关系数高达0.77。     

蒸散发遥感反演产品应用关键问题浅议

陆地蒸散发精确测算是地球系统和全球变化研究的薄弱环节与难点.遥感提供的蒸散发产品极大地推动了相关领域的研究,但蒸散发遥感产品种类多、反演理论涉及水文学与遥感科学,不仅影响初涉该领域的用户选择产品,且无视数据物理含义、简单拿来主义式的应用可能导致不合理的分析结果,影响科学问题深入研究.基于MODIS、GLEAM等6种长时...     

地表蒸散发遥感产品比较与分析

蒸散发遥感估算与其他定量遥感反演参数相比存在算法复杂,环节多,输入参数多,不确定性来源多等不利因素,因而造成蒸散发遥感产品成熟度较低,产品较少,不能满足高时空分辨率、高精度、实时获取等应用需求的问题.从蒸散发遥感产品角度出发,选择目前国内外较为常用和知名的蒸散发遥感产品,系统分析了各产品的实际蒸散发估算模型方法、阻抗的...     

基于能量平衡的关川河流域蒸散发的遥感反演

蒸散发是水分循环的重要环节, 遥感技术为区域陆面水分蒸散发量估算提供了一种新的手段, 使用TM 数据和能量平衡模式估算流域蒸散发, 并给出了各个参量的遥感获取方法, 解决了由瞬时遥感数据估算全天蒸散发的问题。通过对关川河流域日蒸散发的模拟, 分析了该流域蒸散发的分布规律, 对陆面过程研究有一定的支持和指导意义。     

基于遥感与GIS的黄土丘陵半干旱区土地利用定量化研究—以中国定西县为例

研究区域为典型的黄土丘陵沟壑半干旱区,以中国定西县为例。从1990年和2000年的Landsat TM影像图中提取两个时段的土地利用图,包括9种土地利用类型。从1∶10万的等高线数据中提取坡度数据。参考景观生态指标,我们选择或修改了10个指标实现定量化土地利用特征,动态监测土地利用变化,并分析地形与土地利用和土地利用变化的关系及土地利用变化与政府政策之间的关系。结果表明:①所选择的指标可以量化中国典型的黄土丘陵半干旱区土地利用及其变化特征,当转移矩阵采用不同的基数,可以体现不同的转换的量的特征;②土地利用与土地利用变化在不同坡度的空间分布上有很好的规律性;③政府政策是土地利用变化的主要驱动力因素,包括梯田改造、集雨工程和退耕还林还草。     

基于理论参数空间的遥感蒸散模型构建及验证

遥感数据提供了估算区域蒸散的重要数据源,基于VFC/LST参数空间构建了改进的遥感蒸散模型(EML)。在EML中,每个像元构建其专属的理论参数空间,并基于水分亏缺指数(WDI)实现目标像元的蒸散估算。使用SMACEX实验观测数据对模型进行评估,区域尺度的模型评估使用来自于Landsat 7ETM+的遥感参数。评估结果表明EML可以实现可靠的区域通量估算。潜热通量估算的平均绝对误差(MAD)和均方根误差(RMSD)分别为62.20和74.17 W/m~2,感热通量估算的MAD和RMSD分别为43.37和49.02 W/m~2。使用传统的梯形参数空间模型(TIM)与EML进行对比,结果表明EML模型克服了TIM模型的主观性和不确定性。研究结果表明:EML模型能够实现可靠的蒸散估算,且优于传统的梯形参数空间模型TIM,并适用于非均匀下垫面的蒸散估算。     

遥感水分收支对区域水资源估算潜能

为获得遥感水分收支对区域水资源估算潜力,利用遥感降水与蒸散发数据,通过研究中国十大水资源一级区及省区尺度上遥感水分收支平衡(降水与实际蒸散发差值)与水利统计水资源量间的关系.发现遥感降水蒸散差折合水资源量与基于统计数据的水资源量间具有较强正相关性,但总体偏低且存在区域差异,其中海河区低估最为显著,其次为淮河区、西南诸河区,西北诸河区则存在较大高估。对于地下水需求较大的区域,如海河区,地下水开采量没有被考虑作为遥感水资源量来源是造成遥感水资源量低估的主要原因。遥感降水低估、蒸散发高估也导致遥感水分收支平衡折合水资源量低于基于统计数据的水资源量。水资源时间变化趋势显示,中国水资源量总体呈增加趋势,但作为粮食主产区及人口密集区的华北地区,水资源形势严峻,呈显著减少趋势,将对经济发展及人们生活产生重大影响。     

遥感水分收支对区域水资源估算潜能

为获得遥感水分收支对区域水资源估算潜力,利用遥感降水与蒸散发数据,通过研究中国十大水资源一级区及省区尺度上遥感水分收支平衡(降水与实际蒸散发差值)与水利统计水资源量间的关系,发现遥感降水蒸散差折合水资源量与基于统计数据的水资源量间具有较强正相关性,但总体偏低且存在区域差异,其中海河区低估最为显著,其次为淮河区、西南诸河区,西北诸河区则存在较大高估。对于地下水需求较大的区域,如海河区,地下水开采量没有被考虑作为遥感水资源量来源是造成遥感水资源量低估的主要原因。遥感降水低估、蒸散发高估也导致遥感水分收支平衡折合水资源量低于基于统计数据的水资源量。水资源时间变化趋势显示,中国水资源量总体呈增加趋势,但作为粮食主产区及人口密集区的华北地区,水资源形势严峻,呈显著减少趋势,将对经济发展及人们生活产生重大影响。     

Evapotranspiration on western U.S. rivers estimated using the Enhanced Vegetation Index from MODIS and data from eddy covariance and Bowen ratio flux towers

We combined remote sensing and in-situ measurements to estimate evapotranspiration (ET) from riparian vegetation over large reaches of western U.S. rivers and ET by individual plant types. ET measured from nine flux towers (eddy covariance and Bowen ratio) established in plant communities dominated by five major plant types on the Middle Rio Grande, Upper San Pedro River, and Lower Colorado River was strongly correlated with Enhanced Vegetation Index (EVI) values from the Moderate Resolution Imaging Spectrometer (MODIS) sensor on the NASA Terra satellite. The inclusion of maximum daily air temperatures (T_a) measured at the tower sites further improved this relationship. Sixteen-day composite values of EVI and T_a were combined to predict ET across species and tower sites (r² = 0.74); the regression equation was used to scale ET for 2000-2004 over large river reaches with T_a from meteorological stations. Measured and estimated ET values for these river segments were moderate when compared to historical, and often indirect, estimates and ranged from 851-874 mm yr^− 1. ET of individual plant communities ranged more widely. Cottonwood (Populus spp.) and willow (Salix spp.) stands generally had the highest annual ET rates (1100-1300 mm yr^− 1), while mesquite (Prosopis velutina) (400-1100 mm yr^− 1) and saltcedar (Tamarix ramosissima) (300-1300 mm yr^− 1) were intermediate, and giant sacaton (Sporobolus wrightii) (500-800 mm yr^− 1) and arrowweed (Pluchea sericea) (300-700 mm yr^− 1) were the lowest. ET rates estimated from the flux towers and by remote sensing in this study were much lower than values estimated for riparian water budgets using crop coefficient methods for the Middle Rio Grande and Lower Colorado River.