基于RS与GIS的井冈山国家级自然保护区森林冠层截留模拟研究

发布时间：2017-06-26 20:07

  本文关键词：基于RS与GIS的井冈山国家级自然保护区森林冠层截留模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：森林冠层截留是森林生态系统水文过程的重要组成部分。雨水到达森林生态系统的所经过的第一个层次便是冠层,冠层的主要水文特性之一是对降雨的截留作用。截留作用,一方面可以防止雨水直接冲刷地表,减缓雨水达到地表的时间,使得林下枯落物层和土壤层能够充分吸收雨水,减少水土流失；另一方面可以截留一部分雨水,减少到达地面的水量,被截留的雨水通过叶面蒸发重新进入森林的局部水循环过程,起到涵养水源的作用。本文选取井冈山国家级自然保护区作为研究区,该区森林覆盖率约95%,气候类型属于亚热带季风气候,年均降水量约1400 mm。作为赣江上游重要的水源地,保护区森林冠层的截留研究能够为保护区森林资源、水资源和生态环境的管理和保护提供科学依据,还能作为区域水量平衡和水资源评价等相关研究的基础。研究对已有的冠层截留模型进行改进,以用于研究区冠层截留模拟。采用实地观测数据对模型进行率定,并将模型写入计算机程序,实现截留模型的集成化。利用集成化模型研究实现区域尺度冠层截留模拟,并通过对模拟结果进行分析得到区域尺度的森林冠层在不同时间尺度的截留特征。以Aston冠层截留模型为基础,对模型进行如下改进：a)根据树体持水能力和综合气象条件将降雨事件划分为可以使树体持水量饱和不饱和两类,使模型可用于任意降雨事件的截留模拟；b)考虑了降雨事件开始时树体的湿润程度对截留的影响,剔除了降雨开始时树体干燥的假设；c)建立了树体最大持水量与冠层生态参数间的关系,使模型可以用于区域尺度的模拟。除去常规气象观测可以直接获取的参数,改进后的截留模型需要通过实验率定的参数包括：LAI、湿润树体蒸发强度e和单位面积冠层最大持水量Icm*。森林冠层叶面积指数LAI是郁闭度c的幂函数。在野外实验中利用LP-80叶面积指数仪采集了10个观测样地的叶面积指数值LAI,并同时用冠层摄像的方式采集了对应样地的林冠郁闭度c。通过对实验采集的LAI和c进行回归分析,研究发现在研究区内两者关系为：LAI=6.258c1.669,模型的决定系数为0.867。利用彭曼模型计算湿润树体的蒸发强度时,模型所需参数均来自于气象观测参数,分析表明彭曼模型在井冈山地区是适用的。本文以0.5h为时间步长计算了该区域2013年的潜在蒸发强度。计算结果与鄱阳湖流域的多年观测数据对比发现,从年总量来看,两者的偏差为3%。对应月份的比较中,除3月和9月,其它对月份的蒸发量都比较接近。冠层截留模型中的关键参数Icm*可通过遥感技术建立反演模型获取。利用各样地观测的累计截留数据对模型中的关键参数单位面积冠层最大持水量Icm*进行了率定,结果显示Icm*可以通过叶面积指数进行估计：Icm*=0.2963exp(0.5595LAI)。率定之后的模型经验证,在观测样地7的次降雨截留模拟中模型有效系数为0.74,均方根误差0.87mm,比采用次降雨截留数据拟合得到的经验模型的精度更高,模型模拟其它样地不同时段截留量的有效系数在0.61.0.89之间,均方根误差为2.11.4.40 mm。这说明用累计截留观测数据率定的模型可以达到应用需求。计算机模拟冠层截留的结果显示,区域尺度上年尺度的森林冠层截留率是相对稳定的。利用Python语言将率定的模型写入计算机程序,将其封装为ArcGIS的工具包。利用该程序模拟得到了保护区2012年3月26日-2014年9月20日期间的逐次降雨的截留量/率、逐月的截留量/率、逐年截留量/率和累计截留量/率的栅格分布数据。在区域尺度进行累计和年截留分析的结果显示,在年尺度和长时间的累计截留尺度上,区域尺度的森林冠层截留率的变异程度较小,为21%±2%。保护区森林冠层在模拟期间对降雨的截留率为20.34%,年均截留量285.43mm·m-2,截留率为20.47%。不同森林类型的年均截留量在283.23mm·m-2-310.17mm·m-2之间,年均截留率在20.31%-22.25%之间。区域尺度的月截留分析结果显示,森林在区域尺度的冠层月截留率在不同月份的波动幅度较大。截留率与降雨呈负相关关系(R2=0.44),而区域尺度的森林冠层月截留量与降雨量正相关(R2=0.8±0.05),通过月降雨量直接估计森林区域尺度的冠层月截留量,决定系数在0.799-0.806之间,均方根误差在8.42-9.00 mm之间。不同森林类型区域尺度的冠层月截留量是过月降雨量和月内日降雨大于0.6 mm的降雨日的函数,通过两个参数估计的模型决定系数在0.911-0.914之间,均方根误差为在5.69-6.11 mm之间,可见采用降雨量与月内日降雨大于0.6 mm的降雨日两个参数共同估计冠层月截留量的精度比单独采用雨量的方法能取得更好的效果。
【关键词】：井冈山国家级自然保护区 RS与GIS 森林冠层截留 计算机模拟 尺度
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S718.5;P208;P237
【目录】：

• 中文摘要2-4
• ABSTRACT4-7
• 中文文摘7-13
• 绪论13-23
• 1 研究意义13-14
• 2 国内外研究现状14-21
• 2.1 水源涵养研究14-17
• 2.2 冠层截留模型与模拟研究17-19
• 2.3 冠层生态参数的遥感反演研究19-21
• 3 研究内容21-22
• 4 小结22-23
• 第1章 研究区概况与数据处理23-29
• 1.1 研究区概况23-24
• 1.1.1 地理位置23
• 1.1.2 地形土壤23-24
• 1.1.3 气候水文24
• 1.1.4 森林植被24
• 1.2 数据处理24-29
• 1.2.1 遥感影像预处理24-27
• 1.2.1.1 Landsat遥感影像25-26
• 1.2.1.2 辐射定标26-27
• 1.2.1.3 大气校正27
• 1.2.2 其他数据27-29
• 第2章 研究方法29-41
• 2.1 研究思路和技术路线29
• 2.2 冠层截留计算机模型的开发29-30
• 2.2.1 开发环境30
• 2.2.2 PYTHON语言和ARCPY函数包30
• 2.3 冠层截留模拟模型改进及其精度评价方法30-33
• 2.3.1 ASTON冠层截留模型及改进31-32
• 2.3.2 模型精度评价方法32-33
• 2.4 叶面积指数LAI遥感模型率定方法33-35
• 2.4.1 叶面积指数LAI经验模型33
• 2.4.2 LAI采集方法33-34
• 2.4.3 郁闭度测量34-35
• 2.5 湿润树体的蒸发强度估计方法35-37
• 2.5.1 彭曼模型蒸发模型35-36
• 2.5.2 利用彭曼模型估计湿润冠层蒸发强度36-37
• 2.6 单位面积冠层最大持水量I_(cm)~*的实验率定37-41
• 2.6.1 单位面积冠层最大持水量值I_(cm)~*率定方法37-38
• 2.6.2 冠层截留量观测方法38-39
• 2.6.3 树干径流观测方法39-41
• 第3章 冠层截留模型中参数的率定和模型精度分析41-51
• 3.1 叶面积指数模型率定41-42
• 3.2 蒸发模型的适用性分析42-43
• 3.3 单位面积冠层最大持水量的率定43-46
• 3.3.1 不同实验样地的累计截留特征分析43
• 3.3.2 利用累计截留量率定单位面积冠层最大持水量43-45
• 3.3.3 利用LAI估计单位面积冠层最大持水量45-46
• 3.4 截留模型精度评价46-50
• 3.4.1 次降雨截留经验模型与改进ASTON模型的精度比较46-47
• 3.4.2 不同时段累计截留截留评价47-50
• 3.5 小结50-51
• 第4章 冠层截留计算机集成模型的开发51-57
• 4.1 计算机集成模型的开发思路51-52
• 4.2 开发完成的计算机模型52-56
• 4.2.1 彭曼(PENMAN-MONTEITH)计算机模型52-55
• 4.2.2 区域尺度冠层截留计算机模型55-56
• 4.3 小结56-57
• 第5章 区域尺度冠层截留模拟与分析57-67
• 5.1 区域尺度冠层截留模拟57
• 5.2 区域尺度的冠层多年累计/年截留分析57-61
• 5.2.1 冠层多年累计截留量/率分析57-59
• 5.2.2 年截留量/率分析59-61
• 5.3 区域尺度冠层月截留特征分析61-66
• 5.3.1 月降雨量对月截留量/率的影响61-63
• 5.3.2 月截留量的综合影响因素分析63-66
• 5.4 小结66-67
• 第6章 结论与展望67-73
• 6.1 结论67-68
• 6.2 研究创新点68
• 6.3 讨论与展望68-73
• 6.3.1 叶面积指数反演68-69
• 6.3.2 改进ASTON模型及其率定69-71
• 6.3.3 冠层截留计算机模拟71-73
• 参考文献73-79
• 附录79-99
• 硕士期间参与的项目和科研工作99-101
• 致谢101-103
• 个人简历103-107

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：487423