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基于NOAA卫星的冬小麦冠层表面温度估算及初步应用的研究

刘云  
【摘要】: 本文以地面试验为基础,研究冬小麦主要生育期(拔节到灌浆期)冠层表面温度的变化特征及其与土壤含水量的相关关系,并建立了以冬小麦冠层表面温度为自变量估计土壤含水量的经验模型;在区域尺度(邯郸地区)上,筛选不同裂窗算法,并反演了邯郸地区冬小麦主要生育期冠层表面温度;以地面试验建立的冬小麦冠层表面温度与土壤含水量的经验模型为基础,将区域尺度(邯郸地区)反演的地表温度应用于作物旱情和长势监测。 研究结果表明:五个不同水分处理(淡水充分灌溉、淡水节水灌溉、咸水充分灌溉、咸水节水灌溉和不灌溉)冬小麦冠层表面温度、地温和气温表现为一致的日变化规律性:14:00左右各种温度达到最高,而早晨和傍晚温度较低,表现为明显的中间高两头低形式;各温度随生育阶段的发展也表现为一致规律性:随着生育阶段的发展气温逐渐增高;冬小麦冠层表面温度和地温也在逐渐增高,表现为拔节期和开花期是三个温度升高最快的发育阶段,但不同的水分处理冬小麦冠层表面温度具有一定的差异性(尤其14:00左右差异性最大),表明14:00左右的冬小麦冠层表面温度能反映水分状况信息,同时也可以作为实施灌溉措施的参照指标。不同水分处理冬小麦冠气温差和地冠温差也具有相同的特征:14:00左右的差异幅度比较大,但不同水分处理各温差存在着差异:淡水充分灌溉、淡水节水灌溉、咸水充分灌溉和咸水节水灌溉的冬小麦冠气温差和地冠温差大部分小于零,表明这四种水分处理的冬小麦冠层表面温度小于气温,地温小于冠层表面温度,而不灌溉的冬小麦地冠温差和冠气温差基本上为正;不同高度处的冠气温差以冠层之上的冠气温差14:00的变化差异最大,认为冠层之上14:00的冠气温差表征作物水分状况最佳,从而为区域上应用冠气温差反映作物和土壤的水分状况提供了试验依据。 田间试验研究了不同水分处理冬小麦冠层表面温度与土壤含水量间的相关性表明:二者有很强的相关性,且二者的回归拟合方程基本上为二次或三次方程,但不同的水分处理表现为不同的差异性,且二者的拟合关系在时间(每天不同时刻)和空间(不同土壤层)上表现出差异性。进一步研究了不同水分处理三个不同高度冬小麦冠气温差与土壤含水量的相关性表明:二者也有很强的相关性,且二者的回归拟合方程基本上也为二次或三次方程,但不同高度处不同水分处理二者的相关性表现为不同的规律性,综合分析结果表明14:00各水分处理在冠层之上的冠气温差与土壤含水量具有相对较好的相关性,这为区域上利用地面试验建立二者间的回归拟合模型结合遥感资料估计土壤含水量奠定了试验基础。 村级试验尺度上的研究表明:分别在各生育阶段建立冬小麦冠层表面温度和冠气温差与土壤重量含水量间的回归拟合模型效果比较好,且用冠气温差所建立的二者的回归拟合关系要比用冠层表面温度建立二者的拟合关系的效果好。 通过地面试验比较9种裂窗算法,采用UL92裂窗法反演邯郸地区平原区的地表温度比较成功,尤其到冬小麦基本封垄的孕穗期开始,冬小麦的冠层表面温度基本上可以用地表温度来代替。采用UL92法反演的地表温度的估测结果与实测值比较接近,在冬小麦主要生育期(拔节到灌浆期),反演的地表温度的平均误差为-0.27℃,标准误差为2.66℃。 将遥感方法反演的冬小麦冠层表面温度应用于作物的旱情和长势监测表明:区域尺度上,采 回 用地表温度反映作物的水分状况是可行的。以地面试验所建立的冬小麦冠层表面温度与土壤含水 量间的关系模型为基础,并将UL92裂窗法反演的邯郸地区的地表温度代人该模型,估计邯郸地 区土壤含水量,是本研究的新思路,用供水植被指数模型验证,表明采用该方法基本能反映作物 的旱情;采用供水植被指数(NDVTh)能详细反映作物的水分状况,且能表征作物的长势情况, 但不如本文所提出的方法,它不能计算不同土层土壤含水量来反映作物的水分状况;采用NDVI 与Ts的特征空间的思想表明该空间能及时反馈作物的长势情况和作物水分状况,分别以裸地与 麦地两种土地覆盖类型为研究对象,采用Tk-yDVI矢量特征空间生态学内涵思想,证明该空间 能反映冬小麦在主要生育期(拔节到灌浆期)的长势情况。


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