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《河南大学》 2012年
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基于遥感技术的区域地表蒸散估算研究

王万同  
【摘要】:区域地表蒸散的变化特征反映了陆面过程中能量和水分收支状况的演变趋势,同时也进一步影响区域气候和水资源总量分布,进而对区域经济发展产生影响。随着遥感技术的发展与逐渐成熟,研究大尺度范围的地表蒸散变得更为便捷。因此,开展基于遥感手段的区域地表能量与水分动态监测研究具有重要的意义和研究价值。 本文以遥感技术为主要手段,分别利用ETM+、MODIS两种不同尺度的遥感数据,并引入DEM数字高程数据,对广泛应用的SEBS蒸散模型加以改进,拓展其在复杂地形条件下的适用范围,同时探讨两种不同尺度的遥感数据对蒸散估算精度的影响,并融合ETM+和MODIS数据构建了多尺度遥感模型,改善了MODIS数据的尺度效应(混合像元)问题。本文以伊洛河流域为研究区域进行了实证研究,并对研究区2002年、2008年的地表蒸散时空分布格局进行了分析和探讨,具有比较重要的理论意义和实践价值。研究的主要结论如下 (1)利用ETM+和MODIS遥感数据可以较好地估算区域地表蒸散量。其中,利用ETM+数据估算的结果比利用MODIS数据估算的结果精度要高,与地面实测数据的对比分析表明,平均相对误差分别在10%和20%左右,高分辨率的影像数据对蒸散估算的精度有一定程度的提高。 (2)基于DEM改进的净辐射通量估算山区模式可以用于地形复杂区域的净辐射通量估算。 山区模式考虑到区域海拔高度、坡度、坡向的不同以及周围地形的遮蔽,从三个方面进行太阳直接辐射的地形修正:首先,依据坡度、坡向、纬度等因子修正坡面太阳入射角的余弦值;其次,利用坡面太阳入射角的余弦值与太阳天顶角的余弦值的比值来修正坡面接收的辐射量;最后,引入一个二值函数——地形遮蔽因子来修正邻近地形的阴影遮蔽带来的影响。在研究区的实证结果表明,未考虑DEM情况下的净辐射通量估算结果不能准确反应研究区的地表特征,存在较大偏差,因此在地形复杂条件下的区域净辐射通量估算必须考虑地形的影响。 (3)改进的SEBS模型估算的蒸散精度较高,模型在研究区的适应性和稳定性较好。 以广泛应用的SEBS模型为基础,引入DEM数据,对坡面上太阳辐射、大气透射率、地表温度、地表粗糙度等地表参数及动力学参数进行了地形(海拔高度、坡度、坡向)修正使得模型更能适应复杂地形条件下的区域地表蒸散估算,拓展了蒸散模型的适用范围。经过在研究区的应用结果表明,改进的SEBS模型估算的日蒸散量和实测值的误差较小,估算精度较高,模型在研究区的适应性和稳定性较好,利用ETM+数据对研究区地表蒸散的估算结果精度要高于MODIS数据,改进的SEBS模型能够反映出研究区的地表覆盖类型和水分分布的时空格局。 (4)分析了MODIS数据在蒸散估算中由混合象元造成的尺度误差,并基于空间增强方法构建了多尺度遥感模型,提高了模型估算的精度,使得进行高频率的区域地表能量与水分的动态监测具有可操作性,也拓展了MODIS和TM/ETM+数据的应用范围,提高了数据的利用率。 多尺度遥感模型结合TM/ETM+的高空间分辨率数据对MODIS精度较高的地表温度数据进行增强,发挥二者的优势,以得到的30m高分辨率LST为输入参数,提高了模型估算的精度。尤其在F垫面破碎度高、土地利用类型复杂、混合像元严重的区域,多尺度遥感模型可以使估算的蒸散量精度得到一定程度的改善甚至显著提高。同时,MODIS的多时相优势也能得到充分发挥。 (5)最后,选择了2002年和2008年四个季节中晴空无云或云量较少的典型日MODIS数据(8d),对伊洛河流域地表蒸散的时空格局进行了分析。研究结果表明,研究区地表蒸散总体特征为地区分布差异大、年内分配不均。研究区地表蒸散量受植被覆盖度、地表温度、地形条件的影响较大,其时空分布特征也与这些因素的变化相一致。 流域内地表蒸散的空间分布有三个特点:具有明显的地域差异;地表蒸散量受地形影响显著;地表蒸散受供水条件的影响较大。另外,日蒸散量在空间分布上也与地表覆盖类型的分布具有很好的一致性。日蒸散量与NDVI、地表温度呈线性相关,与海拔高度呈对数相关,与坡度、坡向无明显相关性。未考虑地形影响的日蒸散量平均偏大0.17mm/d,在不同坡向上的变化不大,并随坡度的增加呈增加趋势,这与研究区的实际情形不符,因此,在地形复杂的山区,必须要考虑地形因素的影响。 从地表通量及蒸散的年内变化看,季节性差异特征明显,夏季最大,春秋次之,冬季最小,年内分布呈“单峰”变化趋势。2008年的地表净辐射、土壤热通量、日蒸散量均高于2002年,2008年年内日蒸散量差异比2002年大,表明2002年至2008年间,研究区内人类活动的影响加剧,地表蒸散过程逐渐增强,蒸散量逐年增加,年内季节性差异显著。
【学位授予单位】:河南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP79;P332.2

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