基于Landsat 8影像的策勒縣域典型時期日蒸散量時空分布格局分析

陸 婷，鄭江華，2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

基于Landsat 8影像的策勒縣域典型時期日蒸散量時空分布格局分析

陸 婷1，鄭江華1，2

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

目的估算地表蒸散量有利于水資源合理分配與管理，為水資源可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。方法利用Landsat 8遙感數(shù)據(jù)集，在ENVI遙感圖像處理軟件的支持下，結(jié)合氣溫、風(fēng)速、氣壓、日照時數(shù)等氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)用SEBS模型估算2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日新疆策勒縣的蒸散發(fā)量。結(jié)果估算結(jié)果時間上存在秋季<春季<夏季的變化規(guī)律，典型季節(jié)的4 d蒸散發(fā)量分別為：3.885，4.095，4.701和4.511 mm/d；其空間變化趨勢為：北部荒漠區(qū)<南部山區(qū)<中部平原區(qū)。結(jié)論利用彭曼公式計算的結(jié)果與對SEBS的估算結(jié)果進行比較，SBES模型的結(jié)果是合理的。

Landsat 8；SEBS；蒸散發(fā)

0 引 言

【研究意義】估算地表能量通量是確定水圈、大氣圈和生物圈之間的能量和物質(zhì)交換的重要過程[1]。蒸散(Evapotranspiration，ET)包括土壤和水面的水分蒸發(fā)，以及植被的蒸騰，它是地表水量和熱量平衡的重要參量，研究ET過程是深入認(rèn)識陸面過程的基礎(chǔ)[2，3]，有效地估算區(qū)域蒸散發(fā)，在水資源合理分配利用方面有重要的應(yīng)用價值[4]。蒸散的估算主要有通過地表水分平衡模型估算和通過地表能量平衡來估算兩種途徑。通過地表能量平衡理論估算蒸散可以使用Penman-Monteith方程[5，6]，使用氣象資料直接計算蒸散量或利用反演模型來估算蒸散量[7，8，9]。目前常見的以地表能量平衡為基礎(chǔ)的模型主要有表面能量平衡系統(tǒng)(Surface Energy Balance System，SEBS)和陸面能量平衡算法(Surface Energy Balance Algorithm for Land，SEBAL)等模型(Bastiaanssen et al，1998a，1998b；Su and Jacobs，2001)。【前人研究進展】SEBS模型是由蘇中波提出的[10]，在SEBAL基礎(chǔ)上發(fā)展的遙感蒸散單層模型，估算精度較高，實用價值更好，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[11]，例如李發(fā)鵬等[12]、趙軍等[13]、金曉媚等[14]基于MODIS數(shù)據(jù)，應(yīng)用SEBS模型，估算了各自研究區(qū)的區(qū)域蒸散發(fā)量并分析研究區(qū)ET的時空分布及影響因素。Ma等[15]利用ASTER數(shù)據(jù)和SEBS模型估算澳大利亞新南威爾士西南的Coleamball灌區(qū)的蒸散量，結(jié)合實地測量數(shù)據(jù)證明了SEBS模型在該研究估算的合理性。【本研究切入點】目前新疆相關(guān)蒸散的研究，其區(qū)域主要為較大空間范圍區(qū)域，對于較小區(qū)域的遙感蒸散量估算較少。策勒縣有典型的小型獨立綠洲，在新疆具有較好的代表性，研究策勒縣域蒸散量時空分布有利于綠洲的發(fā)展。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用SEBS模型，使用30 m空間分辨率的Landsat 8影像和氣象數(shù)據(jù)計算2016年典型時期策勒縣域蒸散量并驗證，表明SEBS模型在策勒縣蒸散發(fā)估算具有一定的適用性，分析策勒縣蒸散發(fā)時空分布和變化規(guī)律，為水資源可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

策勒縣位于昆侖山北麓，塔克拉瑪干沙漠南緣，新疆西南部。地處80°03′E～82°10′E，35°17′N～39°30′N，最高海拔點6 810 m，最低海拔點1 380 m。策勒縣地形南寬北窄，地勢南高北低，坡降較急。南部為昆侖山區(qū)和山口沖積扇，中部為沖積平原，北部為沙丘與流動沙漠。屬極端干旱型大陸荒漠氣候，氣候干燥，晝夜溫差大，降水量少，蒸發(fā)量大，風(fēng)沙災(zāi)害頻繁。圖1

圖1 研究區(qū)示意
Fig.1 Study area

根據(jù)ILWIS(Integrated Land and Water Information System)軟件中SEBS模塊對參數(shù)的需要，所輸入的數(shù)據(jù)包括遙感和氣象兩類，遙感數(shù)據(jù)為：地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn/)中ASTERMDEM高程以及2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日的Landsat 8影像，預(yù)處理后提取得到的地表參數(shù)，包括地表溫度(K)、比輻射率、反射率、NDVI；氣象數(shù)據(jù)為中國氣象科學(xué)共享網(wǎng)(http：//data.cma.cn/)的衛(wèi)星過境當(dāng)天的溫度、氣壓、風(fēng)速、日照時數(shù)等。列出SEBS模型所輸入數(shù)據(jù)。表1

1.2 方 法

1.2.1 SEBS模型原理

SEBS模型的基本原理是基于地表能量平衡，其在任意時刻可以表示為：

Rn=G0+H+λE.

(1)

式中：Rn為地表獲得的凈太陽輻射通量(w/rn2)；G0表示土壤熱通量(w/m2)；λE為潛熱通量(w/rn2)，λ為水的氣化熱，為常數(shù)2.49×106(J/kg)；E為蒸散率(kg/m2s)；H為感熱通量(w/m2)又稱顯熱通量。當(dāng)式(1)中Rn、G0、H等計算后，可利用余項法得到潛熱通量λE[16-20]。

SEBS模型基于地表能量平衡原理來估算區(qū)域單日蒸散量，模型的大致原理為：

(1)遙感數(shù)據(jù)反演獲得的地表參數(shù)(如地表反照率、比輻射率、地表溫度、NDVI等)；

(2)結(jié)合地面觀測的氣象數(shù)據(jù)(如氣溫、日照時間、風(fēng)速、氣壓等)，估算區(qū)域尺度空氣動力學(xué)參數(shù)(d0、z0m)、感熱通量、地表凈輻射；

(3)基于SEBS模型原理通過實際蒸發(fā)比得到區(qū)域尺度的蒸散發(fā)量[21]。

表1 SEBS模型輸入數(shù)據(jù)
Table 1 The input parameters for SEBS

數(shù)據(jù)來源Datasources參數(shù)Parameter單位Unit中國氣象科學(xué)共享網(wǎng)ChinaMeteorologicalAdministration氣溫℃氣壓Pa風(fēng)速m/s日照時數(shù)hLandsat8NDVI-植被覆蓋度-地表比輻射率-地表溫度K地表反照率-ASTERDEMDEMm

1.2.2 蒸散量計算流程

使用Landsat 8衛(wèi)星影像反演包括地表溫度、地表反照率、NDVI、植被覆蓋度等一系列地表參數(shù)，結(jié)合地面觀測的氣溫、日照時間、風(fēng)速、氣壓等氣象資料，以及ASTGTM2 DEM高程，導(dǎo)入ILWIS軟件中計算得到策勒縣蒸散發(fā)的分布結(jié)果。圖2

2 結(jié)果與分析

2.1 策勒綠洲蒸散量時空分布特征

SEBS模型計算得到的策勒縣單日蒸散量分布顯示，圖3a、圖3b、圖3c、圖3d分別表示3月27日、5月21日、7月24日、9月10日策勒縣蒸散量，可看出估算結(jié)果存在著夏季>春季>秋季的變化規(guī)律。空間變化趨勢為：北部沙漠區(qū)<南部山區(qū)<中部平原區(qū)。圖3

研究表明，策勒縣蒸散發(fā)時間變化特征：3月27日蒸散結(jié)果對應(yīng)初春，中部平原區(qū)的耕地大部分地區(qū)還未開始播種，此時氣溫較低，限制蒸發(fā)能力；南部山區(qū)因冰雪融化限制蒸發(fā)能力，蒸散量相對較小。(圖3a)

5月21日蒸散結(jié)果對應(yīng)初夏，農(nóng)田開始灌溉，水分供給充足，作物開始生長，較3月相比蒸散量有所上升。(圖3b)

7月24日的蒸散結(jié)果對應(yīng)盛夏，中部平原區(qū)由于農(nóng)田大量引水灌溉，水分供給充足，蒸散量達到最大；北部沙漠水分供給不足，蒸散量處于最低。(圖3c)

9月10日的蒸散結(jié)果對應(yīng)秋季，溫度下降，植被生長季進入尾聲，蒸散量較7月24日有回落。(圖3d)

從空間來看，中部平原地區(qū)耕地較多，蒸散發(fā)量和農(nóng)作物生長對應(yīng)，明顯受到人類活動影響；南部山區(qū)的策勒河產(chǎn)流區(qū)有草地覆蓋[22，23]，蒸散發(fā)量較大；策勒縣北部為沙漠覆蓋，水分供給不足，蒸散量較小。圖3～5

圖2 蒸散量計算流程

Fig.2Computationalflowdiagramofevapotranspiration

圖3 策勒縣單日蒸散量分布
Fig.3 distribution of daily evapotranspiration in Qira county

圖4 研究區(qū)土地利用格局
Fig.4 Land use pattern of study area

圖5 主要土地利用類型平均日蒸散量對比
Fig.5 Daily ET of main land use

2.2 模型驗證

SEBS模型蒸散發(fā)量結(jié)果的精度驗證數(shù)據(jù)為新疆氣象信息中心提供的策勒氣象站(44°4'48" N，86°29'24" E)2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日4 d的氣象觀測數(shù)據(jù)。蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)反映了區(qū)域一定時段內(nèi)的潛在蒸發(fā)，可認(rèn)為是實際蒸散發(fā)的上限，若遙感估算的蒸散發(fā)高于蒸發(fā)皿蒸發(fā)，則結(jié)果不合理[24]，將蒸發(fā)皿水面蒸散量值與策勒遙感蒸散量分布圖的最大值進行比較，得出遙感估算的蒸散發(fā)量最大值低于蒸發(fā)皿觀測值。表2

表2 策勒縣水面蒸散量值對比
Table 2 Comparison of water surface evapotranspiration values in Qira county

月．日M．D水面蒸發(fā)Watersurfaceevaporation(mm)SEBS最大值SEBSmax(mm)3．279587345．219485127．2410091289．10494726

使用彭曼公式計算的結(jié)果作為參照。彭曼公式估算蒸散量值與策勒縣遙感日蒸散量的比較結(jié)果。研究表明，通過SEBS模型對Landsat 8進行蒸散發(fā)遙感估算，所估算出的蒸散發(fā)結(jié)果變化趨勢比較接近參考值。表3

表3 蒸散發(fā)計算結(jié)果對比
Table 3 Comparison of evapotranspiration calculation results

月．日M．DSEBS模型SEBSmodelGF-1P-M公式P-Mformula3．273885439365．214095672247．244701718489．10451147469

盡管在驗證數(shù)據(jù)方面比較缺乏，但仍可認(rèn)為SEBS模型在策勒縣域的蒸散量計算結(jié)果基本符合實際。

3 討 論

目前，針對較小區(qū)域(流域)的蒸散量估算已開展了一些研究，并取得了一定的成果。如張圓等[24]使用Landsat 8影像和SEBS模型分析了呼圖壁縣蒸散量時空格局。姜紅[25]、田成明等[26]、潘竟虎等[27]基于不同遙感影像，根據(jù)能量平衡原理生成研究區(qū)符合實際的蒸散發(fā)量區(qū)域分布圖。這些研究對于提高較小區(qū)域(流域)的遙感蒸散量估算提供了較為可行的理論和方法基礎(chǔ)，在最嚴(yán)格水資源管理的背景下，估算較小區(qū)域(流域)的更精確蒸散量成為水資源合理開發(fā)利用的必然要求。但是目前對于遙感估算蒸散量的驗證還很缺乏，地表蒸散發(fā)與復(fù)雜的地氣交換過程密切相關(guān)，受到氣象條件、植被生理生態(tài)特性、土壤特征、地形等多種因素的綜合影響，遙感估算地表蒸散發(fā)在模型機理、輸入數(shù)據(jù)、參數(shù)化方案、尺度擴展等方面仍存在許多不確定性[28]，因此，通過驗證來定量評估遙感估算的區(qū)域地表蒸散發(fā)，對于提高遙感區(qū)域估算蒸散發(fā)的實用價值至關(guān)重要。

4 結(jié) 論

4.1 使用Landsat 8影像，應(yīng)用SEBS模型計算出策勒縣2016年典型時期4的蒸散量，其模擬結(jié)果與彭曼公式計算的結(jié)果進行比較，表明SBES模型的估算的結(jié)果是比較合理的，對于較小區(qū)域的蒸散發(fā)估算有一定適用性。

4.2 策勒縣蒸散發(fā)量估算結(jié)果合理反映了蒸發(fā)量的時空差異，秋季的蒸散量<春季<夏季。南部山區(qū)有草地覆蓋蒸發(fā)量較高，中部農(nóng)田灌溉地區(qū)蒸發(fā)量高，北部地區(qū)為沙漠區(qū)域，供給蒸發(fā)的水分不足，該區(qū)域蒸散量在各個時期都較小。

4.3 利用Landsat 8影像的周期性獲取蒸散發(fā)量的空間分布，為水資源可持續(xù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)，對于區(qū)域水資源管理、合理有效分配資源和減少資源紛爭，具有重要意義。

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AnalysisofTemporalandSpatialDistributionPatternofDailyEvapotranspirationinQiraCountyBasedonLandsat8Images

LU Ting1, ZHENG Jiang-hua1, 2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi, 830046,China;2.KeyLabforOasisEcosystemofMOE,Urumqi830046,China)

ObjectiveThe estimation of surface evapotranspiration is beneficial to the rational allocation and management of water resources, which might provide the basis for the sustainable development of water resources.MethodBy using the Landsat 8 remote sensing data set, With the support of the ENVI remote sensing image processing software, combined with the air temperature, air pressure, wind speed, sunshine duration and other meteorological data, evapotranspiration was estimated by SEBS model in March 27th, May 21st, July 24th and September 10th 2016 in Xinjiang Qira County.ResultThe results could reflect season change; for instance, the results of farmland were 3.885, 4.095, 4.701, 4.511 mm/day on four days respectively. The overall trend was the northern desert plain < the southern mountains > the central region.ConclusionThe results of SEBS estimation are compared with those calculated by Penman formula, which shows that the results of SBES model are reasonable.

Landsat 8; SEBS model; evapotranspiration

ZHENG Jiang-hua (1973-), male, Professor, Doctoral supervisor, native place: Jiangshan, Zhejiang. Research field: Application of resource monitoring and 3S Technology. (E-mail) zheng_jianghua@126.com

K90；S16

A

1001-4330(2017)10-1941-08

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.10.020

2017-08-26

教育部促進與美大地區(qū)科研合作與高層次人才培養(yǎng)項目“”(117-40101)；中科院新疆生態(tài)與地理研究所策勒國家野外研究站開放研究基金資助課題“”(ZKYXJSDCL-201502)；水利部公益性行業(yè)科研專項“”(201301103)

陸婷(1992-)，女，新疆人，碩士研究生，研究方向為水資源管理及GIS應(yīng)用，(E-mail)lt_mio@foxmail.com

鄭江華(1973-)，男，浙江江山人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為資源監(jiān)測和3S技術(shù)應(yīng)用，(E-mail)zheng_jianghua@126.com

Supported by: The program for promoting scientific research cooperation with America and Oceania and high-level talented personnel training.of Ministry of Education of the People's Republic of China (117-40101); Open research fund of Qira National Field Research Station, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, (ZKYXJSDCL-201502); Special scientific research project of the publick welfare industry of Ministry of Water Resources (201301103)