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基于改进METRIC模型的果园蒸散遥感估算研究

何汝艳  
【摘要】:果树作为一种经济价值较高且功能较多的作物,是高效农业的典范。近些年来,许多地区的果园种植面积在逐步扩增,但由于果树的需水量较大,导致灌溉用水量急剧增多,使得水资源供需矛盾日益尖锐。因此,精确地掌握果园蒸散信息,进而采取合理高效的灌溉策略对果园管理者及水资源规划者均至关重要。本论文以位于加利福尼亚州South San Joaquin Valley地区的杏仁果园和开心果果园为研究对象,采用Landsat-5、7、8卫星影像数据,并结合California Irrigation Management Information System(CIMIS)气象数据及地面能量通量站的测量数据等,利用遥感手段对果园蒸散估算进行研究。首先分析Mapping Evapotranspiration at High Resolution with Internalized Calibration(METRIC)模型的中间参数对整个生长时期内两种类型果园日蒸散的敏感性,同时对模型进行本地化校正,其次针对METRIC模型中内部定标的参考蒸散进行优化研究,然后提出一种METRIC模型中端元像元的自动选择方法,并采用自动端元像元选择的METRIC模型(以下简称自动化METRIC模型)对果园蒸散进行估算及精度检验,最后对2009-2012年杏仁果园和2015-2016年开心果果园蒸散的时空特征进行分析。取得的主要研究成果如下:(1)通过METRIC模型中间参数对两种类型果园日蒸散的敏感性分析研究可知,在果树整个生长时期内,净辐射通量对两种类型果园日蒸散的影响均最大,当净辐射通量发生5%的变化时,杏仁果园日蒸散平均变化0.42mm/day,开心果果园由Control果园到High-S果园内日蒸散的平均变化依次为0.30mm/day、0.24mm/day和0.15mm/day;显热通量和铅直空气温度梯度对两种类型果园日蒸散的影响次之;而空气动力学阻抗对METRIC模型估算两种类型果园日蒸散几乎不存在任何影响。(2)当采用三组参考蒸散分别对METRIC模型进行内部定标估算果园日蒸散时,ETr-PM参考蒸散(由标准Penman-Monteith等式计算的参考作物表面高度为0.50m的参考蒸散)定标后的估算精度最差,ETo-PM参考蒸散(由标准Penman-Monteith等式计算的参考作物表面高度为0.12m的参考蒸散)次之,ETo-CIMIS参考蒸散(由CIMIS修正的Penman等式计算的参考作物表面高度为0.12m的参考蒸散)的估算精度最优。ETo-CIMIS参考蒸散内部定标后METRIC模型估算果园日蒸散的精度为:杏仁果园的决定系数、均方根误差、偏差和相对误差依次为0.89、0.63mm/day、-0.35mm/day和7.87%(生长季节);开心果果园的决定系数、均方根误差、偏差和相对误差分别为0.57、1.41mm/day、-0.74mm/day和 21.60%。(3)在自动选择METRIC模型中端元像元时,当设定“冷”像元的NDVI和地表温度的阈值点分别为95%和5%,“热”像元的NDVI和地表温度的阈值点分别为5%和95%时,能够比较准确地选择出符合实际情况的端元像元,且自动化后METRIC模型估算的两种类型果园日蒸散精度均较高。在卫星过境时期,杏仁果园日蒸散的决定系数、均方根误差、偏差和相对误差分别为0.87、0.53mm/day、0.03mmm/day和7.96%;开心果果园日蒸散的决定系数、均方根误差、偏差和相对误差依次为0.58、1.30mm/day、-0.43mm/day和20.61%。通过三次样条插值后估算的杏仁果园连续日蒸散的决定系数、均方根误差和相对误差分别为0.85、0.56 mm/day和8.00%;开心果果园连续日蒸散的决定系数、均方根误差和相对误差依次为 0.56、1.28mm/day 和 23.58%。(4)自动化METRIC模型估算的日蒸散能够捕捉到果园蒸散的季节性变化,即:果园日蒸散在生长初期逐渐增大,生长中期日蒸散达到最大,然后逐渐降低。同时,自动化METRIC模型也能够很好地展现果园蒸散的空间分布特征,其中,杏仁果园的蒸散空间分布比较均匀;对于三个开心果果园而言,Control果园内蒸散最高且分布较均匀,Med-S果园次之,High-S果园内蒸散相对较低,且果园蒸散的空间差异性显著。


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