土壤蒸发、植被蒸腾和土壤水分一体化遥感反演模型研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 郝贵斌 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 苏红波 |
| 关键词 | 蒸散发 土壤水分 平流 一体化反演 遥感 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 地表蒸散发是整个土壤-植被-大气系统中能量循环和水量循环的重要组成部分，直接影响着大气圈、生物圈、岩石圈及水圈中的水热传输和物质循环，准确客观地获取地表蒸散发对指导区域水资源管理，理解陆面水文过程，认识人类活动对生态系统的影响等方面具有重要的科学意义和应用价值，特别是对干旱和半干旱地区，其指导意义更为突出。土壤水分作为地球生态系统中一个关键参量，不仅在地表-大气的能量交换中扮演着重要角色，还在全球水循环过程中起着不可忽视的作用，在农田灌溉、干旱监测、作物估产等研究中备受关注。自然界中地表蒸散发与土壤水分之间耦合依存，相互影响，互为因果。但目前对两者的遥感估算模型往往是分开独立进行的，耦合度欠佳。另外，目前大部分的地表蒸散发遥感估算模型是建立在能量平衡基础之上，缺少对水平平流的刻画。鉴于以上亟待解决的科学问题，本论文在已有的研究基础之上进一步实践优化，构建了土壤蒸发、植被蒸腾和土壤水分一体化遥感反演模型（Remote sensing on Soil-Water-content, Evaporation and Transpiration Incorporate model， RSWETI）， 以期为全球气候变化、农业生态用水、干旱动态监测等研究提供新的理论方法支持。主要研究工作和结论包括以下三个方面。 （1）提出了一种新的考虑土壤湿度变化信息的特征空间理论干湿边定位方法 DTDSW（Determination of the Theoretical Dry edge by Soil Wetness variation）， 实现了特征空间中理论干湿边的准确定位，完成了ASTER混合像元地表温度的组分温度分解，并驱动PCACA（pixel component arranging and comparing algorithm）模型，实现了区域尺度的地表蒸散发遥感估算，在黑河中游的张掖核心绿洲区域对模型的输出结果进行了验证与评估。结果表明：DTDSW方法所需的输入数据最少，可以避免复杂的阻抗参数化过程，而且方法比较稳健可靠，确定的特征空间中的理论干湿边位置要比基于能量平衡方法确定的位置更为合理。DTDSW方法明显提高了PCACA模型地表潜热通量的估算精度，R2从0.822提高到了0.875，RMSE从69.98W/m2降低为58.82W/m2。DTDSW方法有助于进一步提高基于特征空间的遥感地表蒸散发估算模型的实用性和可操作性。 （2）将DTC（Diurnal Temperature Cycle）模型作为表征地表温度的时间变化信息改进了时空数据融合算法FSDAF（Flexible Spatiotemporal DAta Fusion），提出了一种新的适用于地表温度的时空数据融合算法DFSDAF（DTC for Flexible Spatiotemporal DAta Fusion），结合MODIS和ASTER地表温度数据，成功实现了夜间高空间分辨率的类ASTER地表温度的重构，并进一步驱动TNSTI（Two-source Normalized Soil Thermal Inertia model）模型，实现了田块尺度的土壤水分遥感估算，利用黑河中游的张掖核心绿洲区的不同深度处的站点观测数据，对模型的输出结果进行了精度评价和对比分析。结果表明：DFDSAF算法提高了 地表温度的融合精度，与FDSAF算法相比，R2从0.71提高到了0.77，RMSE从2.17K降低为1.89K。TNSTI模型估算的土壤水分与站点10cm深度处实测数据间的相关关系最好，R2为0.657，RMSE为0.069m3/m3，而与40cm深度处实测数据间的相关关系最差，R2为0.262，RMSE为0.092m3/m3，而且TNSTI模型估算的土壤水分与站点所有深度处（0-100cm）平均土壤水分间的相关关系也较好，R2为0.622，RMASE为0.060m3/m3，TNSTI模型估算结果更能表征根系区（50-80cm）土壤水分的变化信息，其表达的深度信息要优于微波土壤水分产品（<5cm）。另外，与TNSTI_MODIS相比，TNSTI_ASTER在增强空间细节刻画的同时提高了土壤水分估算的精度。TNSTI模型在农业精细化管理和智慧农业方面显示出了巨大的应用前景和实用价值。 （3）基于空气温度的形成机理，考虑不同下垫面造成的热源驱动差异的影响，结合平流扩展规律的思想，提出了一种新的空气温湿度遥感反演模型TSATW （Two Source Air Temperature and Water Vapor Press model），完成了区域尺度的空气温湿度的定量反演，计算了空气干燥力，刻画水平平流的影响，并将土壤相对湿度作为模型链接的关键变量，优化了P-M（Penman-Monteith）公式中表面水汽阻抗的参数化方案，结合PCACA模型，实现了P-M二层化遥感估算，进而完成了新的二层遥感土壤蒸发、植被蒸腾与土壤水分一体化反演模型（RSWETI）的构建，并应用于黑河中游的张掖核心绿洲区，利用通量站点的实测数据评估了模型的估算效果。结果表明：TSATW模型反演的空气温度与饱和水汽压差精度较高，数据合理可靠。空气温度的R2为0.828，RMSE为1.24K，饱和水汽压差的R2为0.868，RMSE为0.102Kpa。RSWETI模型估算的地表潜热通量与通量站点的地面观测值之间具有较好的一致性，略优于PCACA模型的估算结果，R2为0.882，RMSE为64.754W/m2，但RSWETI模型估算的地表感热通量的精度还有待进一步提高。RSWETI模型在平流明显的干旱区农业生态用水方面具有较大的应用潜力。RSWETI模型一方面考虑了水平平流对地表蒸散发估算的影响，一方面拓展了土壤热惯量在植被覆被区域的应用，实现了地表蒸散发与土壤水分间的耦合同步反演，一次性既可以得到高空间分辨率的土壤水分反演结果，又同时可以得到高空间分辨率的地表蒸散发反演结果。在一定程度上提高了土壤蒸发、植被蒸腾和土壤水分的遥感估算精度。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 136 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/186913]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郝贵斌. 土壤蒸发、植被蒸腾和土壤水分一体化遥感反演模型研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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