基于多源遥感数据的灌区农田蒸散发和土壤墒情反演及应用

发布时间：2018-01-13 18:25

本文关键词：基于多源遥感数据的灌区农田蒸散发和土壤墒情反演及应用　出处：《中国水利水电科学研究院》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于黄河流域水资源供需矛盾突出,黄河水利委员会对引黄灌溉水量实行统一调度,将河套灌区年引黄水量由2000年的52亿m3逐步压减到2015年的40亿m3,为应对供水量的减少,内蒙古河套灌区实施了续建配套与节水改造工程建设,通过提高灌溉水利用效率,来保证农业生产需水要求。而引水量的减少和节水改造的实施,使得灌区水量分配发生改变。灌区农业种植结构和地下水位发生很大变化,这些变化将对农田蒸散发和水土环境变化产生直接影响。本研究利用Landsat和MODIS系列遥感数据,通过增强自适应时空融合算法(Enhance spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM)构建高时空植被参数数据集,反演了河套灌区解放闸灌域田块尺度多年种植结构信息;利用SEBS(Surface Energy Balance System)遥感蒸散发模型生成Landsat时空尺度蒸散发数据,通过数据融合算法实现了对MODIS蒸散发的空间降尺度,构建同时具有Landsat空间和MODIS时间分辨率的蒸散发数据集,在此基础上分析不同作物蒸散发季节和年际变化、农田总蒸散发对种植结构和地下水的时空响应,评价灌区节水改造实施以来灌溉水有效利用系数的变化,.采用地表温度植被指数的遥感模型反演土壤水分,利用数据融合方法实现了对MODIS 土壤水分的空间降尺度,获取不同作物类型土壤墒情空间分布,并通过作物灌溉前土壤相对湿度来诊断水分亏缺程度。研究得到的结论如下:(1)构建了不同作物生育期内高时空NDVI数据集,结合实体作物NDVI变化特征、迭代自组织数据分析技术(ISODATA)和光谱耦合技术(SMT),反演了解放闸灌域2000-2015年间7年的作物分布信息。粮食作物春玉米和春小麦种植面积逐年增加,尤以春玉米变化幅度最大,由2000的0.83万hm2增加到2015年的4.02万hm2。经济作物向日葵种植面积由下降变为上升趋势。由于套种模式劳动力成本较高,使得农户转向单一作物种植模式,其种植面积逐年下降,由2000年的4.30万hm2减少到2015年的0.41万hm2。春玉米和春小麦在灌区的东南部、北部和东北部分布较为密集,向日葵在西部和东北偏中部地区分布较多,套种种植模式主要分布在东南部和西南部。(2)利用ESTARFM融合算法构建了具有高时空分辨率特征的蒸散发数据集。在田块尺度中,融合蒸散发与水量平衡蒸散发变化过程吻合,春玉米、春小麦和向日葵决定系数R2分别达到了 0.85、0.79和0.82,均方根误差均低于0.7mm/d,相对误差均低于16%。在总量验证中,融合蒸散发与水量平衡蒸散发相一致,两者决定系数达到了 0.64。融合蒸散发与Landsat蒸散发在空间纹理信息和差异性上一致,07月23日、08月24日和09月01日相关系数分别达到0.85、0.81和0.77,差值均值分别为0.24mm、0.19mm和 0.22mm,标准偏差分为 0.81mm、0.72mm 和 0.61mm。(3)不同作物生育期和非生育期蒸散发差别较大,但4-10月份不同作物平均蒸散发差异较小。生育期内,套种(小麦和向日葵)年均蒸散发最大,达到637mm,春玉米和向日葵次之,分别为598mm和502mm,春小麦蒸散发最低,为412mm。非生育期内,春小麦蒸散发最大,年均达到214mm,春玉米和向日葵分别为42mm和128mm。农田蒸散发高值区域出现在西部和东北靠中部,均高于其它地区,其空间分布并没有随种植结构的大幅调整而发生明显变化,而是与地下水埋深表现为相似的分布特征。农田蒸散发总量多年来保持在一定水平,对种植结构和地下水位的时空变化不敏感。(4)自引黄灌溉总量缩减以及节水改造工程实施以来,地下水埋深从1.76m降至2.33m,农田蒸散发总量保持稳定,灌溉水有效利用系数得到提高,由2000年的0.58提高到2015年的0.65,节水改造效果明显。农田相对蒸发比值Kc,a与地下水埋深具有较好的相关性,两者之间的决定系数R2达到了 0.61。多年来,农田相对蒸发比值Kc,a表现出下降的趋势,平均每年下降幅度为0.3%。(5)Landsat和MODIS尺度遥感反演表层土壤水分与观测值相关性较好,决定系数分别为0.743和0.569;Landsat和MODIS尺度根层土壤水分与观测值之间的决定系数分别为0.772和0.585。在土壤水分空间降尺度中,非灌溉时段内融合结果与观测值较接近,春小麦相对误差低于20%,春玉米和向日葵相对误差低于10%;在灌溉时段内,由于遥感影像没有捕捉到因灌溉而发生的土壤水分剧烈变化,融合结果与观测值误差较大,春小麦最大相对误差出现在5月15日,为58.48%,春玉米和向日葵最大误差出现在7月10日和7月13日,分别为12.91%和33.56%。(6)在春玉米地、向日葵地和春小麦地灌溉前代表日中,大部分面积的土壤相对湿度在60%以上,出现轻旱面积较小。其中,春玉米地6月18日、7月28日、8月27日和9月28日出现轻旱的面积占比分别为8.95%、5.46%和3.16%和15.91%。向日葵地6月18日、7月28日、8月27日和9月28日出现轻旱的面积占比分别为7.04%、5.22%、3.64%和6.19%。春小麦地5月3日和6月18日出现轻旱的面积占比分为8.91%和13.49%。在整个生育期内,春玉米、葵花地和春小麦均未出现中旱和重旱现象。
[Abstract]:Based on the remote sensing data , this paper analyzes the spatial and temporal changes of irrigation water use efficiency and the spatial and temporal changes of irrigation water use efficiency . The results were as follows : ( 1 ) The planting area of spring corn and spring wheat increased year by year . ( 3 ) The difference of evapotranspiration in different crop growth periods and non - growing periods is relatively large , but the average evapotranspiration of different crops in April - October is small . The average evapotranspiration of winter wheat and sunflower is up to 637mm , the spring corn and the sunflower are 42 mm and 128 mm respectively . The total evapotranspiration of farmland is up to 214mm , the spring corn and the sunflower are 42 mm and 128 mm respectively . The relative error of spring wheat was 8.95 % , 5.46 % , 3.64 % and 15.91 % , respectively .

【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S127;S152.7

【参考文献】