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《中国科学院研究生院(遥感应用研究所)》 2003年
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用定量遥感方法计算地表蒸散

辛晓洲  
【摘要】: 系统分析总结了遥感计算地表蒸散的意义和目的、研究历史和现状、以及面临的主要困难。遥感替代点上的蒸发测量,实现大范围地表能量和水分动态监测,可以在气候、生态、农业、水文等领域中发挥重要作用,过去几十年的研究虽然取得了许多重要成果,但依然面临很多有待突破的重要问题。本文的主要特色是方法研究,对遥感计算地表蒸散的方法和模型做了较多的理论分析,数据验证,以及改进和创新,并对其空间和时间尺度问题做了一定的探讨。 针对遥感中最常用的单层模型做了深入的理论探讨,在学术关键问题——遥感表面温度与空气动力学温度的关系上,提出了新思路和新方法,为理解这个复杂的问题增添了新的视角。该方法利用表面热辐射方向性和显热通量都是源于土壤和植被温度的贡献这一共同点,发现在一定倾斜角度的观测下,视场中植被与土壤的比例可以较好地反映植被和土壤与大气进行湍流热交换的贡献率,所以称该方法为最佳组分面积比法,用最佳组分面积比可以将任意角度下观测到的辐射温度订正为空气动力学温度,经过地面和遥感数据验证表明,用该方法计算的通量精度高于普通的单层模型。 双层模型虽然提出很多年了,但在应用中一直存在信息不足,求解困难的问题,本文用最新多角度热红外遥感数据———AMTIS系统反演的组分温度,首次实现了双层模型在遥感中的应用,结果表明,在输入参数精度相近的情况下,双层模型模拟的通量误差远小于单层模型,尤其在土壤干旱,表面温度较高的地表,双层模型的理论优势在计算中表现得更加突出。在组分温度的帮助下,实现了土壤蒸发和植被蒸腾的准确分离,并且用植被蒸腾速率反算出冠层气孔阻抗、二氧化碳通量、以及作物群体水分利用效率等农田关键参数,是遥感获得此类参数的新思路。本文还提出了一种新的双层模型的简化求解方法,在没有组分温度信息的情况下,可以利用经验参数和表面温度实现双层模型计算。 针对遥感基于像元计算的特点,提出一种全新的通量计算方法,模型的结构和思路专为遥感像元面上计算的特点而设计,主要考虑由地表非均匀和不连续性引起的像元内部热量交换——局地微平流对显热和潜热通量的影响,验证表明,这种考虑平流的非均匀模型可以较好地模拟地表非均匀状态下的热量通量。 论文还分析了蒸散模型的空间尺度效应,通过一系列的模拟实验检验了双层模型 中国科学院遥感应用研究所博士学位论文 在不同地表非均匀状态下的尺度误差,并且根据通量尺度扩展的基本法则推导了双层 模型参数的尺度扩展公式。结果表明亚像元状态和结构是像元尺度误差的主导因素, 风速变化对尺度误差有明显的影响,不论何种形式的非均匀性,都须遵循相同的尺度 扩展步骤,以达到消除误差的目的。将AMTIS和ASTER图像降低分辨率后计算通 量,检验其尺度误差,结果表明,在不同覆盖类型的交界处通量误差比较明显,由于 算法本身的不连续性,其误差规律较为复杂,另外,道路、建筑等对通量计算无用的 信息也是造成大像元尺度误差的原因之一。 论文的最后部分讨论了从瞬时蒸散速率推算日蒸散量的方法,介绍了简化法和蒸 发比率法的基本思路,分析了存在的主要问题,并用地面数据和遥感数据验证了蒸发 比率法中以长波上行辐射作为分母的方法,结果表明方法可行,精度基本可以满足要 求。风速变化和云的干扰依然是时间尺度扩展中遇到的主要问题,由于难度较大,这 方面的研究还需要更多,更细致的工作。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(遥感应用研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:P426.2

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