地表蒸散定量遥感的研究进展

简要介绍了遥感监测地表蒸散和能量平衡研究的科学意义和应用价值 ,回顾了国内外的研究历史和现状 ,分析了目前该领域存在的一些问题和难点 。

利用土壤水分特征点组分温差假设模拟地表蒸散

提出了一个土壤水分变化过程对土壤蒸发、植被蒸腾以及土壤温度、叶片温度的影响存在较明显差异的假设,利用双层能量平衡模型推导出3个水分特征点(湿润、干旱和由湿到干的转折点)的组分温差(土壤温度减去叶片温度)公式,利用特征点的辐射温度和实际测量的红外温度间的关系来计算实际显热和潜热通量.用2001年北京顺义区实验期间的观测数据对本方法进行了验证,结果表明,用本方法能在只有一个角度的遥感温度数据情况下获取精度较高、误差较小的地表蒸散模拟结果.该法在分解植被蒸腾、土壤蒸发以及监测表层土壤和根区土壤旱情方面有很大的潜力.

热红外发射率光谱的野外测量方法与土壤热红外发射率特性研究

基于光谱平滑的温度 /发射率迭代算法 ,提出热红外发射率光谱的野外测量与反演方法 ;分析了不同组分、粒径及含水量土壤的热红外发射率变化规律 .结果表明 ,在 8～ 9.5 μm波长范围内土壤的发射率随SiO2 含量的增加而降低 ,随含H2 O量的增加而增大 ;在 11～ 13μm波长范围内土壤的发射率基本保持不变 .基于此分析结果 。

基于地表温度和植被指数的农业干旱遥感监测方法

农业旱灾是人类面临的最主要自然灾害之一,对我国农业生产影响非常大。土壤含水量是农业干旱监测的重要指标,通过遥感地表温度(LST)与植被指数(NDVI)结合,可以估算土壤湿度,监测农作物旱情。重点研究了LST/NDVI特征空间中干湿边的提取方法,通过14年全国NOAA/AVHRR的8km合成数据集分析发现,在LST/NDVI特征空间中,曲线斜率与实测土壤湿度显著相关(R=0.78,P<0.01),干边的截距和斜率与湿边有比较稳定的关系,但干湿边存在较大的空间和时间变异性。将全国分为6个区,分别确定LST/NDVI特征空间,根据特征空间干湿边参数反演土壤湿度,在土壤湿度分布图和全国耕地分布图基础上,进行旱情分级,得到全国耕地旱情分布图,可以为农业抗旱救灾提供快速宏观的信息服务。

玉米全生长期叶面积指数收获测量法的改进

农作物全生长期冠层表现不同的结构,常规的叶面积指数测量仪器不能适用于全生长期的叶面积指数测量,提出改进的收获测量法可进行玉米全生长期叶面积指数的测量,并且测量结果也具有可比性,该法在减少常规直接测量法工作量的同时也减少了对玉米的破坏。通过对比不同生长期单株样本叶面积计算的两种方法,得出二元二次回归法比常规的形状因子法计算精度高的结论。同时,分析不同生长期玉米秆所占总面积比例的规律,得出进行叶面积指数的准确测量,玉米秆的表面积必须进行准确考虑。该研究可为同类作物叶面积指数测量提供参考,可以有效推动叶面积指数的准确快速测量及遥感反演的验证工作。

粗糙地表土壤含水量遥感模型研究

土壤粗糙度对地表二向反射率特征有重要影响而且极不稳定 ,是影响土壤含水量遥感精度的一个重要因素。该文分析土壤含水量影响反射率的物理过程 ,论证土壤含水量与土壤光谱的关系服从比尔定律 ;分析土块级土壤粗糙度影响土壤反射率的根本原因是微坡面的倾斜使二次和多次散射的比例增加。在此基础上建立粗糙地表土壤含水量遥感模型 ;

卫星遥感地表温度降尺度的光谱归一化指数法

针对卫星遥感技术监测地表温度(land surface temperature,LST)存在时空分辨率矛盾这一难题,以TsHARP温度降尺度算法为基础,根据地表覆盖类型的不同,分别选择与LST相关性更好的光谱指数(归一化植被指数,NDVI;归一化建造指数,NDBI;改进的归一化水体指数,MNDWI;增强型裸土指数,EBSI)提出了新的转换模型,并从定性和定量两个角度评价了TsHARP法和新模型的降尺度精度。结果表明:两种模型在提高LST空间分辨率的同时又能较好地保持MODIS LST影像热特征的空间分布格局,消除了原始1km影像中的马赛克效应,两种模型均能够达到较好的降尺度效果;全局尺度分析表明,不管是在降尺度结果的空间变异性还是精度方面,本文提出的模型(RMSE:1.635℃)均要优于TsHARP法(RMSE:2.736℃);TsHARP法在水体、裸地和建筑用地这些低植被覆盖区表现出较差的降尺度结果,尤其对于裸地和建筑用地更为明显(|MBE|>3℃),新模型提高了低植被覆盖区地物的降尺度精度;不同季节的降尺度结果表明,两种模型都是夏、秋季的降尺度结果优于春、冬季,新模型的降尺度结果四季均好于TsHARP法,其中春、冬季的降尺度精度提升效果要优于夏、秋季。

用CUPID模型模拟小麦组分温度分布:敏感性分析与验证

组分温度分布是决定农作物冠层热红外辐射方向特性的重要因素之一,为了分析小气候参数对冠层组分温度的影响,并分析其不确定性,对一个典型的土壤-植被-大气传输(SVAT)模型CUPID进行了组分温度模拟的敏感性和不确定性分析,并用实测温度分布信息进行了验证。详细描述了模拟和验证过程,结果表明:土壤组分温度不确定性较大,冠层组分温度不确定性较小(约2%),气温和土壤湿度对总体不确定性贡献最大;模拟组分温度与实测温度分布趋势一致。

基于LS-SVM方法的晴空逐时太阳辐射模型

利用浙江省杭州和椒江两站2003—2005年的晴空逐时气象数据,采用最小二乘支持向量机方法（LS-SVM）,建立了晴空逐时太阳辐射模型.模型的输入因子为逐时天文辐射、气温、气压、水汽压、能见度和风速等要素,输出因子为逐时太阳辐射.模型数据分为2部分,其中2003年的数据用于训练建模,2004—2005年的数据用于模型的评估.结果表明,LS-SVM方法能够很好地模拟气象要素对太阳辐射的非线性影响,建立的太阳辐射模型精度较高,模型的解释性方差R2为0.950 5,均方根误差ERMS=0.159 0 MJ·m^-2,平均误差EMB和平均绝对误差EMAB分别为0.005 3和0.124 1 MJ·m^-2.根据浙江省68个气象站2005-12-15T14：00的气象要素,估算出的太阳辐射为1.39~2.24 MJ·m^-2.基于LS-SVM方法的晴空逐时太阳辐射模型具有很好的学习推广能力,利用常规的气象观测资料,即可模拟出具有相似气候背景下的晴空逐时太阳辐射,为太阳辐射遥感反演提供地面数据.

扩展CUPID模型模拟土壤组分温度分布

为模拟详细的温度分布信息,进一步理解地表能量平衡过程,提高植被冠层温度反演精度,根据土壤阴影表面和光照表面的热源和蒸发速率的差异,扩展了CU P ID模型,实现了光照和阴影土壤组分温度分布模拟。采用实测数据分别对冬小麦和夏玉米冠层下的土壤组分温度进行了模拟和验证。在冬小麦地,模拟光照和阴影土壤温度绝对差值为2.8 K和2.4K,平均差值为-1.5 K和-0.7 K;在夏玉米地,模拟与实测温度绝对偏差为3.8 K左右,平均偏差为-0.5 K。总体来说,模拟与实测数据吻合较好,说明扩展模型能够较为真实地反映土壤组分温度分布及其变化。扩展模型可在组分温度反演和农业旱情监测等领域得到应用。

基于SAIL模型模拟的农作物冠层直射与散射光合有效辐射吸收比例特性研究

为明确太阳直接辐射及散射辐射在进入冠层被冠层吸收以及两者对总光合有效辐射吸收比例(FPAR)造成的影响,利用SAIL模型模拟不同条件下的直射FPAR、散射FPAR以及总FPAR,分析影响总FPAR变化的主要因素以及直射FPAR与总FPAR之间的差异。结果表明:FPAR随叶面积指数(LAI)的变化存在饱和现象;能见度为5,15,30 km时散射FPAR对总FPAR的贡献分别是52.6%,29.3%和21.7%,随能见度的变化,直射FPAR与总FPAR间相对误差最大达到13.2%;随太阳天顶角的变化,直射FPAR与总FPAR间相对误差最大达到10.29%,这一误差是由散射FPAR引起的。因此,在进行植被冠层FPAR遥感反演建模时,直射FPAR与散射FPAR需要单独建模,总FPAR则需要根据由天气条件决定的直、散射辐射比例计算得到。

面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究

国家火星探测任务是建设航天强国进程中的重大标志性工程,是中国航天走向更远深空的里程碑工程.智能材料这种集材料、结构和功能于一体的先进材料将会对火星探测任务有所助力.形状记忆聚合物及其复合材料作为一种典型的智能材料,可在有效减轻载荷的同时实现自主变形,已经在地球同步轨道航天器的应用中崭露头角.因此有必要研究这种新型环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测工程的可能性.首先,针对“天问一号”火星探测器的任务需求,设计了一个具有自释放功能的着陆平台国旗装置.其中的锁紧释放装置由碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成,分别从静态拉伸力学性能、动态热机械性能和形状记忆性能三个角度评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料的影响.其中,空间辐照包括γ射线和紫外射线,辐照剂量分别为5×10^(5)rad和23.6 kCal.长期存储分为低温-196℃、室温25℃和高温85℃存储30天,和低温-196℃存储457天两组实验.最后,从“祝融号”火星车所携带相机拍摄的照片可以看到五星红旗被成功释放,旗面平整、图案清晰.这说明所研究的环氧基形状记忆聚合物复合材料可成功应用于火星探测任务,未来有望以多种结构形式助力我国的火星采样返回乃至其它深空探测任务.

2003～2012年中国地表太阳辐射时空变化及其影响因子

利用中国94个气象站提供的辐射观测数据对3个主要的太阳短波辐射卫星产品进行质量评价,选择准确度较高的CERES-EBAF数据并结合MODIS数据,分析中国10 a地表太阳辐射的时空变化特征,并对其影响因素进行初步分析。结果表明:青藏高原高寒生态区始终是地表太阳辐射的高值区,而四川东部和重庆等地组成的川渝生态地区是"低值圈";月均地表太阳辐射受季节变化影响明显,在四季均呈现先增后减的变化特征;2003~2012年期间,我国地表太阳辐射呈现出先增后减的年际变化特征,10 a来,华北生态地区增加最多,为13.50%(+21.33 W/m2),华南生态地区减少了14.27%(-21.56 W/m^2);相比水汽含量,总云量可能是引起中国地表太阳辐射变化的主要因素。

地震灾区植被净初级生产力恢复效应评价

地震等重大灾害的发生,对区域植被及生态环境造成了巨大破坏,植被净初级生产力(net primary productivity,NPP)能够反映绿色植物的生长状况,进行地震灾区植被NPP恢复效应评价,对掌握震后植被恢复情况和变化趋势具有指导意义。以"5·12"汶川大地震的极重灾区为研究区,选择地震前后3个时期的TM及MODIS卫星遥感数据,结合气象资料等其他数据,利用改进的CASA模型估算了灾区前后三年植被NPP。结果表明,灾后2009年植被NPP总量为9.827亿gC/a,相比灾前2007年减少了31.99%,2011年恢复期相比2009年增长了28.55%,但仍比2007年低12.57%,震后两年,灾区植被净初级生产力有所恢复,但未达到震前水平;从植被NPP空间分布来看,离地震中心越近的地方,植被NPP受到的削减程度越大,其恢复能力越差;经验证分析,评价结果具有较高的可信度,可为相关部门制定灾区生态重建和生态恢复计划与实施提供科学依据。

考虑植被类型的冠层气孔导度模型

冠层气孔导度指示着植物的光合和蒸腾作用的强弱,冠层气孔导度的精确估算对于研究蒸散、农业生产和生态系统的功能等具有重要意义。以往冠层气孔导度的模型很少考虑植被类型的影响,而不同植被类型间冠层气孔导度存在较大差异,本研究旨在考虑植被类型,引入气孔长度和密度计算最大气孔导度,建立植被冠层气孔导度模型。使用HJ-1卫星数据反演了2012年7-9月黑河流域植被冠层气孔导度分布,基于地面实测数据对卫星反演的冠层气孔导度进行验证,结果表明,与改进前未区分植被类型的模型相比,决定系数由0.51提高至0.70,均方根误差由4.91mm/s下降至3.32 mm/s。改进模型可以描述植被类型间冠层气孔导度的差异,如2012年7月27日反演获得的玉米冠层气孔导度均值为15.12 mm/s,而云杉的冠层气孔导度均值则为3.84 mm/s。研究可为地表能量平衡和碳水循环等科学研究及精细农业、水资源管理等应用提供便利。

复杂地表定量遥感建模及航天遥感应用

遥感是引领地球科学和全球变化研究的综合交叉学科,在资源环境监测、国民经济发展和生态文明建设中应用成效显著,是世界发达国家竞相发展的高新技术.21世纪以来,我国卫星遥感快速发展,在轨遥感卫星数量位居世界前列,但存在卫星载荷自主创新能力不够强、定量化应用水平不够高等突出问题,而复杂地表遥感机理建模制约着遥感从定性到定量应用的跨越.

MODIS数据估算区域蒸散量的空间尺度误差纠正

探讨了使用中高分辨率卫星数据提供的地表分类以及植被指数信息与中低分辨率卫星数据相结合,在混合像元内部进行亚像元处理,以纠正混合像元造成的通量估算误差的方法。其意义在于利用中低分辨率卫星数据进行长期大面积蒸散监测时,只需要少量的中高分辨率数据支持,就可以在一定程度上改善监测结果,具有很好的可操作性。

用CBERS-02卫星和MODIS数据联合反演地表蒸散通量

用低分辨率遥感数据计算地表蒸散通量时,如何减小空间尺度误差是需要考虑的重要问题．在用MODIS数据计算蒸散时尝试加入高分辨率中巴资源卫星CBERS-02提供的地表分类图像,根据此分类信息在每个MODIS 1km像元内统计各种地表类型所占的面积比例,并分别计算各亚像元的热量通量,然后用面积权重平均的方法得到MODIS像元的热量通量．结果表明,将CBERS高分辨率地表分类数据和MODIS低分辨率遥感数据结合,MODIS 1km混合像元的土壤热通量、显热通量和潜热通量都有所改变．进一步分析这种变化产生的原因,结合地面实验观测数据的验证,作者推断,经过处理以后,混合像元的显热通量和潜热通量的误差都有所减小．

高分遥感共性产品生成和真实性检验技术体系

随着高分辨率对地观测系统重大专项的成功实施,GF-1—GF-7七型卫星共19种主要载荷发射升空,形成了中国遥感卫星多谱段、多模式的观测能力,可为各种科研和行业遥感应用提供源源不断的高空间、高时间和高光谱分辨率的高质量遥感数据。如何打通高分卫星遥感数据到信息的转换链,降低高分卫星数据应用门槛、提升高分卫星应用服务成效已成为急需破解的迫切问题。遥感定量产品的误差来源包括传感器成像、几何与辐射定标、数据预处理、定量反演与产品检验等各个环节,提高定量遥感产品精度是一个复杂的系统工程,各行业应用部门和多领域用户难以独立完成全流程数据处理、产品生产和检验。本文在分析高分卫星遥感产品体系的基础上,针对多用户共同需求,梳理了7大类共45种共性定量遥感产品;从全链条误差溯源和质量检验需要出发,提出了高分遥感共性产品生成和检验的技术体系,分析了算法测评—算法优化—产品生产—真实性检验等环节面临的关键技术;进而提出了高分遥感共性产品真实性检验平台与产品定型分系统的初步设计方案,并介绍了系统研发的最新进展;最后对高分共性产品应用前景进行了展望,构建高分遥感共性产品生成与真实性检验技术体系,对于保障高分卫星遥感共性产品精度和质量、提升高分卫星应用服务效益具有重要的意义。

非均匀地表蒸散遥感研究综述

本文评述了目前常用的遥感估算地表蒸散方法,包括地表能量平衡模型、Penman-Monteith类模型、温度—植被指数特征空间方法、Priestley-Taylor类模型和其他方法。然而使用这些方法估算地表蒸散时会面临严重的尺度效应,而产生尺度效应的根本原因之一是地表异质性,在分析了非均匀下垫面对水热通量遥感反演造成的影响后,介绍了面积加权、校正因子补偿与温度降尺度3种尺度误差纠正方法;并从地面观测实验的角度简述了非均匀下垫面水热通量真实性检验的研究;最后探讨了将来建立更具时空代表性的非均匀下垫面地表蒸散遥感估算模型可能会面临的一些挑战。