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植被参数与蒸发的遥感反演方法及区域干旱评估应用研究

作　者: 易永红
导　师: 杨大文
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: MODIS数据植被参数区域蒸散发陆面过程模型干旱评估
分类号: TP79
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

水资源短缺已成为制约我国社会经济尤其是农业发展的主要因素,合理利用和优化配置有限的水资源,需要深入研究作物的耗水规律和及时了解作物旱情。传统的田间观测方法由于下垫面的复杂性难以进行区域扩展,而遥感具有空间连续性和时间动态变化特点,在区域耗水和旱情评估方面具有广阔的应用前景。本文利用MODIS遥感数据,对植被参数反演和区域蒸散发估计的方法和模型进行了研究,在此基础上探讨了遥感在农田缺水状况和干旱评估中的应用。论文首先分析了MODIS不同反射率数据集的不确定性,并且通过植被指数和辐射传输模型两种方法分析了这种不确定性对植被参数反演结果的影响。研究发现:相对Collection 4(C4)的日反射率数据,改进后的Collection 5(C5)数据在可见光和近红外波段的反射率的不确定性明显降低,时相合成后的C4数据的不确定性也明显降低,根据这两种数据反演的植被参数结果也更可靠。在此基础上,提出了利用时相合成的MODIS数据进行植被参数反演的方法,建立了遥感单层模型和双层模型,并结合位山灌区地表水热通量观测对这两种模型进行了比较研究。针对双层模型求解,提出了一种新的组分通量初始化方法,采用基于MODIS叶面积指数定义的表面阻抗的彭曼公式计算植被组分腾发量,通过与地面观测值比较发现,该方法的模拟结果比通常采用Priestley-Taylor公式初始化的双层模型要好。研究还发现双层模型对输入参数十分敏感,在地气温差较小并且植被覆盖度较大的地区,双层模型模拟结果并不优于单层模型。本文还研究了陆面过程模型与遥感的同化方法。初步结果表明:初始土壤水分误差比较大时,采用土壤水分观测值的同化能有效提高模型模拟的土壤水分精度,而采用MODIS地表温度的同化能有效改善地表热通量的模拟结果,说明陆面过程同化模型在区域水热循环研究和干旱评估应用中具有较大的潜力。最后,采用基于遥感反演的实际蒸散发定义的作物缺水指数CWSI和基于植被指数和地表温度的温度植被旱情指数TVDI,分别对2005-2007年位山灌区冬小麦的缺水状况和2006年川东和重庆地区的旱情进行了评估。地面验证结果表明CWSI不受当地气候条件和作物生长变化影响,能更合理的评估旱情。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-30
  1.1 论文研究背景和意义  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-23
    1.2.1 区域遥感蒸散发模型的研究现状  12-19
    1.2.2 区域旱情监测与评估方法的研究现状  19-22
    1.2.3 基于遥感技术的陆面过程模型研究现状  22-23
  1.3 区域蒸发和土壤水分反演中存在的主要问题  23-28
    1.3.1 地表特征参数的遥感反演  23-25
    1.3.2 遥感双层蒸发模型  25-26
    1.3.3 遥感反演中的尺度问题  26
    1.3.4 陆面过程模型与遥感数据的同化  26-28
  1.4 论文研究思路和主要内容  28-30
第2章地表植被参数的遥感定量反演  30-61
  2.1 地面观测试验  30-32
    2.1.1 山东位山生态水文观测实验站简介  30-31
    2.1.2 观测项目  31-32
  2.2 MODIS 数据及其产品的不确定性分析  32-42
    2.2.1 MODIS 数据简介  32-34
    2.2.2 常用的植被指数  34-35
    2.2.3 MODIS 地表反射率数据的不确定性分析  35-42
  2.3 基于MODIS 数据的地表植被参数反演  42-59
    2.3.1 土地利用分类  43-45
    2.3.2 基于植被指数的作物水分与干物质含量反演  45-49
    2.3.3 基于植被指数和辐射传输模型的叶面积指数反演  49-59
  2.4 小结  59-61
第3章蒸散发遥感模型比较研究  61-91
  3.1 基于能量平衡原理的遥感蒸发模型  61-69
    3.1.1 单层模型  61-64
    3.1.2 双层模型  64-68
    3.1.3 彭曼模型  68-69
  3.2 蒸发模型中的地表植被参数化方案  69-74
    3.2.1 地表反照率  69-71
    3.2.2 植被指数  71
    3.2.3 叶面积指数  71-73
    3.2.4 地表动力学参数  73-74
  3.3 瞬时蒸发的时间尺度扩展  74-75
  3.4 蒸发模型的地面验证及比较分析  75-89
    3.4.1 单层模型  77-81
    3.4.2 彭曼模型  81-82
    3.4.3 双层模型  82-85
    3.4.4 单层模型与双层模型的模拟结果比较  85-89
  3.5 小结  89-91
第4章陆面过程模型与遥感同化的初步研究  91-115
  4.1 陆面过程模型及其改进  91-96
    4.1.1 SiB2 模型的结构  91-92
    4.1.2 SiB2 模型的控制方程  92-94
    4.1.3 SiB2 模型的地表通量模拟  94-95
    4.1.4 SiB2 模型的改进  95-96
  4.2 陆面过程模型的模拟结果分析  96-100
  4.3 陆面过程模型与遥感的同化研究  100-113
    4.3.1 同化模型框架  100-101
    4.3.2 同化算法  101-104
    4.3.3 同化模型的结果分析  104-113
  4.4 小结  113-115
第5章区域作物缺水状况与旱情遥感评估  115-140
  5.1 区域缺水与旱情评估指标  115-117
    5.1.1 基于实际蒸散的作物缺水指数(CWSI)  115-116
    5.1.2 温度植被旱情指数(TVDI)  116-117
  5.2 CWSI 在位山灌区冬小麦缺水状况评估中的应用与评价  117-125
    5.2.1 位山灌区概况  117-118
    5.2.2 灌区作物缺水状况评估结果及CWSI 指标合理性评价  118-125
  5.3 TVDI 在2006 年川东和重庆地区旱情评估中的应用与评价  125-137
    5.3.1 研究区概况及数据  125-127
    5.3.2 NDVI-Ts 特征空间的确定及TVDI 旱情评估结果  127-131
    5.3.3 TVDI 旱情指标的合理性评价  131-137
  5.4 小结  137-140
第6章结论与展望  140-146
  6.1 研究成果  140-143
  6.2 主要创新点  143-144
  6.3 研究中的不足与今后工作展望  144-146
参考文献  146-160
致谢  160-161
附录A MODIS 数据特征  161-163
附录B 日净辐射计算公式  163-165
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  165-166

植被参数与蒸发的遥感反演方法及区域干旱评估应用研究

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