基于Landsat8遙感影像和SEBS模型的呼圖壁縣蒸散量時空格局分析

張圓, 鄭江華,*, 劉志輝,3, 姚俊強

1. 新疆大學資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046 2. 綠洲生態教育部重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046 3. 新疆大學干旱與半干旱生態研究所, 新疆 烏魯木齊 830046

基于Landsat8遙感影像和SEBS模型的呼圖壁縣蒸散量時空格局分析

張圓1,2, 鄭江華1,2,*, 劉志輝1,2,3, 姚俊強1,2

1. 新疆大學資源與環境科學學院, 新疆 烏魯木齊 830046 2. 綠洲生態教育部重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830046 3. 新疆大學干旱與半干旱生態研究所, 新疆 烏魯木齊 830046

張圓, 鄭江華, 劉志輝, 等. 基于Landsat8遙感影像和SEBS模型的呼圖壁縣蒸散量時空格局分析[J]. 生態科學, 2016, 35(2): 26-32.

ZHANG Yuan, ZHENG Jianghua, LIU Zhihui, et al. Spatial and temporal distribution of evapotranspiration in the hutubi County based on Landsat8 data and SEBS model[J]. Ecological Science, 2016, 35(2): 26-32.

利用Landsat8影像, 采用SEBS模型, 結合呼圖壁縣氣象站觀測的溫度風速、日照時數等氣象數據, 對新疆昌吉回族自治州呼圖壁縣2013年4月22日、6月9日、8月28日 10月15日的蒸散發量進行了估算。從時間上看, 估算結果存在明顯的季節變化規律: 夏季最大, 春季次之, 秋季最小, 以耕地為例四天蒸散發量分別為: 1.938, 3.136, 2.641和1.314 mm·day–1。從空間上看, 縣域蒸散發量整體變化趨勢為: 北部荒漠區＜中部平原區＜南部山區。四天當中最大值出現在南部山區6月9日達到了4.128mm·day–1。對SEBS的估算結果與呼圖壁縣氣象站的觀測結果和利用彭曼公式計算的結果進行比較,表明SBES 模型的結果是合理的, 可以在實踐中用來反映天山北坡典型縣域蒸散量的時空變化特征。

SEBS; 蒸散發; Landsat8; 天山北坡; 縣域

1 前言

蒸散發是地表水量和熱量平衡的重要參量, 包含土壤蒸發、水面蒸發和植被的蒸騰, 也是衡量植被生長狀況和作物產量的重要指標[1]。對于區域尺度上蒸發的估算,遙感技術是最為經濟和最為準確的手段[2], 不同學者從不同角度對蒸散發的研究進展進行了系統總結[3–4], 經過20多年的發展, 出現了許多的遙感反演蒸散發的模型, 荷蘭Wageningen大學為主發展起來的地表能量平衡算法SEBAL (surface energy balance algorithm for land)和地表能量平衡系統SEBS[5](surface energy balance system)是兩種目前使用最為廣泛的基于地表能量平衡原理的單層模型。其中, SEBS模型是由荷蘭籍華人蘇中波提出的[3], 它是在SEBAL基礎上發展起來的遙感蒸散單層模型,相對SEBAL而言, SEBS具備更明確的物理概念和較高的通量估算精度,具有更好的實用價值,因而近年來在國內外獲得了較廣泛的應用[6],例如李發鵬等[7]基于MODIS 數據, 應用表面能量平衡(SEBS)模型, 對黃河三角洲的區域陸面蒸散發量進行了估算, 分析區域蒸散發量的時空分布特征;張雨航等[8]以海流兔河流域為例, 利用MODIS數據,結合氣象資料, 運用遙感模型中的表面能量平衡法對該流域蒸散量進行估算; 金曉媚[9]等基于MODIS遙感數據, 應用表面能量平衡系統(SEBS), 對柴達木盆地及8個水資源區2001—2011年的區域蒸散量進行了計算, 并分析其影響因素。田國珍[10]等利用風云三號、風云二號氣象衛星數據, 結合自動站氣象數據, 基于SEBS模型對山西省進行干旱監測研究;唐婷[11]等以京津唐地區為例, 基于SEBS模型, 利用MODIS遙感數據和氣象數據, 計算了2000、2005和2010年四季代表月份的平均日蒸散發量, 并結合3期土地利用圖, 定量評估了由城市擴張引起的日蒸散發量的變化。Ma W, Hafeez M等[12], 使用ASTER衛星數據, 利用SEBS模型估算澳大利亞新南威爾士西南的Coleamball灌區的蒸散量, 結合實地測量數據證明了SEBS模型在該研究估算的合理性。這些研究為區域水資源管理科學可靠的耗水和需水量估算提供了較為可行的理論和方法基礎, 但他們的研究區域均為較大空間范圍區域, 應用的多為中低空間分辨率的遙感影像, 對于較小區域、較小流域的遙感蒸散量估算卻少有涉及, 而在最嚴格水資源管理背景下, 較小區域(縣級行政區劃)或較小流域的更精確蒸散量估算成為水資源合理有效分配和減少資源紛爭的必然要求。

呼圖壁縣位于新疆天山北坡, 屬于干旱半干旱氣候區, 呼圖壁縣擁有軍塘湖河和呼圖壁河兩個小流域, 具有從冰川~高山草甸~林帶~高山草原~平原灌區~荒漠區的地貌特征。該縣是論文依托的最嚴格水資源管理示范項目的研究區。研究采用2014年3月18日服務用戶的30米空間分辨率的Landsat8影像, 結合傳統的SEBS模型, 以期計算出更為合理精確的每年四季典型時期縣域蒸散量, 服務研究區的最嚴格水資源管理示范。

對四個時期的蒸散量結果進行驗證, 表明該模型在估算呼圖壁縣蒸散發上具有一定的精度, 可滿足區域日蒸散發估算的需要, 能為生態需水的計算提供一定基礎。

2 研究方案與研究方法

2.1 研究方案

本文利用Landsat8衛星影像反演一系列地表參數, 包括寬波段反射率、比輻射率、NDVI、利用單窗算法反演出的地表溫度, 結合地面觀測的氣象資料(中國氣象科學數據共享服務網http://cdc.cma. gov.cn/home.do), 主要有氣溫, 日照時間, 風速, 氣壓等, 以及ASTER DEM 高程, 將以上參數在ENVI當中轉換成TIFF格式, 導入ILWIS軟件中計算得到呼圖壁縣蒸散發的分布結果, 技術路線圖詳見圖 1。

圖1 蒸散量計算流程簡圖Fig. 1 Computational flow diagram of evapotranspiration

2.2 SEBS模型原理及主要參數

SEBS模型應用對遙感數據處理獲得的一系列地表參數(如反照率、比輻射率、地表溫度、NDVI 等), 結合地面觀測的氣象數據(如氣溫, 降雨, 相對濕度, 風速, 氣壓等), 對區域尺度空氣動力學參數(d0,z0m)、地表凈輻射、感熱進行估算, 進而根據實際蒸發比(潛熱/(凈輻射-地熱))得到區域尺度的蒸散發[13]。

任意時刻的地表能量平衡方程為

式中:Rn為凈輻射(w·rn–2);G0為土壤熱通量(w·m–2);λE為潛熱通量(w·rn–2) (其中λ=2.49×106為水的汽化熱(J·kg–1);E為蒸散率(kg·m–2·s–1);H為感熱通量(w·m–2)。

(1) 凈輻射(Rn)公式如下:

式中:a為地表反照率; ε為地表發射率;T0為地表溫度(℃); δ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(5.67e10-8)。

(2) 土壤熱通量(G0)

式中:Γc為植被覆蓋較好區域的參數為0.05;Γs為裸土區域的參數為0.315;fc為植被覆蓋度。

(3) 感熱通量(H)。

在大氣近地層中, 根據大氣邊界層相似理論,有以下的關系

式中:z為參考高度(m);u為風速(m·s–1);u﹡為摩擦風速(m·s–1);d0為零平面位移高度(m);z0m和z0h分別為動力學粗糙長度(m)和地表熱傳輸粗糙長度(m);Ψm和Ψk分別為動力學和熱力學傳輸的穩定度訂正函數;θ0和θα分別為觀測面和參考面高度的虛溫(℃);L為莫寧霍夫長度(m);H為感熱通量(w·m–2);k為卡爾曼常數;ρ為空氣密度(g·m–3);Cp為空氣的熱容(J·g–1·℃);θv為近地表的位溫(℃);g為重力加速度(m·s–2)。

摩擦風速(u)、感熱通量(H)、莫寧霍夫長度(L)可以通過迭代求解方程(4)、(5)、(6)得到。其他的變量可通過氣象觀測信息結合遙感觀測信息求得。

(4) 相對蒸發比的提出。

根據地表能量平衡方程, 在土壤水分虧缺的干燥地表環境下, 由于沒有土壤水分供給蒸發, 潛熱通量約為零, 此時感熱通量達到最大值:

式中:Hdry為干燥地表環境下的感熱通量(w·m–2)。

土壤充分供水情況下的感熱通量是通過結合Penman-Monteith由公式得出:

2.3 Landsat8影像特點

Landsat 數據的波譜信息豐富、空間分辨率高,數據源穩定, 是通過遙感技術反演蒸散發的理想數據源[14]。2013年2月11號, NASA 成功發射了Landsat 8衛星, 為四十年的Landsat計劃注入了新鮮的血液。Landsat8上攜帶有兩個主要載荷: OLI和TIRS。Landsat8衛星在設計的特征上與之前Landsat系列基本相同, 因此Landsat8影像與前期的Landsat數據保持很高的一致性和可比性。基于Landsat8自身的特點, 研究者們已經開始挖掘Landsat8影像對于生態環境和地表監測的不同意義[15–17]。

3 研究區域與數據

3.1 研究區概況

呼圖壁縣屬于新疆昌吉回族自治州, 境內主要有呼圖壁河、軍塘湖河兩大水系。地勢南高北低, 由南向北的地形分布依次為:南部多為高山和丘陵, 平均海拔在2400米左右, 占全縣總面積的31.6%; 中部是整個呼圖壁縣主要的農作物種植區, 是多年形成的沖積平原, 平均海拔在580米之間, 占總面積43.2%; 北部為沙漠和戈壁, 海拔在360-460米之間,占總面積的25.2%。呼圖壁縣受到中緯度西風帶的控制下, 是溫帶大陸性氣候, 因此晝夜溫差大, 冬長夏短。氣候隨著南北部的地形差異而變化明顯, 其中低山、平原和沙漠地區屬中溫帶, 南部中山和高山地區屬于寒溫帶。溫度由北向南逐漸降低, 年最高氣溫為 36.0 ℃-43.1 ℃, 日照時數2900小時, 年降水量為110-400毫米, 蒸發量2300毫米, 年均風速3.1 m·s-1[18]。研究區如圖所示:

3.2 遙感數據與氣象數據

下載http://glovis.usgs.gov/ USGS網站中4月22日、6月9日、8月28日, 10月15日Landsat8遙感影像, 并且進行拼接、裁剪、大氣校正等預處理。

根據ILWIS軟件中關于SEBS模塊對參數的需要,結合實際獲取的數據, 所輸入的數據分為遙感和氣象兩類, 遙感數據為: 由Landsat8數據反演得到的地表溫度(K), 比輻射率, 反射率, NDVI和ASTERM DEM高程, 以及自中國氣象科學共享網的氣象數據,包括衛星過境當天的溫度, 氣壓, 風速, 日照時數等。SEBS模型所輸入數據詳見表 1。

圖2 研究區示意圖Fig. 2 Study area

4 結果分析

利用SEBS模型估算呼圖壁縣4月22日、 6 月13日、8月28日 、10月15日4天的蒸散量, 對應植被生長隨季節變化的規律, 并對蒸散發結果與氣象站的蒸發皿測量值和彭曼公式計算的參考蒸散量進行對比。

4.1 呼圖壁縣蒸散發量的時空規律分析

模型計算的呼圖壁縣單日蒸散量分布圖, 如圖2所示, 圖3(a)、圖3(b)、圖3(c), 圖3(d)分別代表4月22日、6月13日、8月28日, 10月15日呼圖壁縣蒸散量,圖中可以看出估算結果存在明顯的季節變化規律:夏季最大, 春季次之, 秋季最小。空間上整體變化趨勢為: 北部荒漠區＜中部平原區＜南部山區。

該結果反映出的呼圖壁河流域蒸散發空間變化特征是: 1)南部高原及丘陵地區多被林地覆蓋,蒸散發量較大2)中部平原地區蒸散發量能夠和農作物的生長具有較好對應, 受到人類活動影響最為明顯 3)呼圖壁縣南部為戈壁和沙漠覆蓋, 供給蒸發的水分不足, 蒸散量較小。

從時間上來看: 4月22日蒸散結果圖3(a)對應著初春, 是農作物生長的初期, 大部分地區還未開始播種, 此時氣溫較低限制蒸發能力, 中部的平原區以耕地為主其中夾雜部分城鎮, 南部高山和丘陵大多被森林覆蓋是呼圖壁河的產流區, 因此蒸散量相對較大。

表1 輸入信息Tab. 1 The input parameters for SEBS

圖3 SEBS模型計算結果Fig. 3 Evapotranspiration results

6月9日蒸散結果對應初夏, 由于大量引水灌溉,水分供給充足, 作物生長比較旺盛, 較 4月份相比南部山區與中部平原區蒸散量顯著升, 大水面如水庫等地的蒸散量值也大幅增加, 呼圖壁縣蒸散量的差異由北向南也達到最大, 位于南部山區的呼圖壁河產流區蒸散量極高, 北部荒漠區蒸此時散量仍為三個部分的最低。

8月28日的蒸散結果對應于夏末, 整個呼圖壁縣蒸散量仍處于較高水平, 中部平原區與南部山區蒸散量值略低于6月。

10月15日的蒸散結果對應于秋季, 隨著溫度下降, 植被生長季進入尾聲, 部分農作物已經收割完成, 蒸散量較8月28日有較大回落, 中部平原區蒸散量較8月28日大大減少。

為近一步分析不同地物類型下的蒸散發量特征,利用GEOEYE-1 影像將地表分為耕地、林地、水體、裸地、沙地、其他共計6類, 使用ArcGIS軟件中的區域分析功能, 得到各類地物蒸散發量統計直方圖如下圖4所示:

我們可以得出以下結論: 林地和水體的蒸散量在所計算的 4天當中的值都較高, 主要原因是北部的林地屬于高海拔山區, 受到的太陽輻射多, 植被覆蓋度較高, 蒸散量較大。中部平原區受到人類活動影響, 蒸散量的季節變化很明顯。

4.2 模型驗證

4.2.1 蒸發皿數據驗證

SEBS模型蒸散發結果的精度驗證數據為中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/ home.do)呼圖壁氣象站(44.08N,86.49E)4月22日、6 月9日、8月26日、10月15日的蒸發皿水面蒸散量值與呼圖壁遙感蒸散量分布圖上統計出的最大值進行比較。水面蒸發反映了一定區域特定時段內蒸發潛能, 可視為實際蒸散發的上限, 如果估算的陸面蒸散發高于蒸發皿蒸發, 則結果不合理[19], 由下表可知, 遙感估算的蒸散發量大都低于蒸發皿觀測值,但在10月15日的模型計算結果當中, 蒸散量值出現了高于水面蒸發的情況, 有可能是受到了遙感影像中的云的影響。

4.2.2 空間位置上的可靠性驗證

在蒸散發分布圖上提取氣象站點所對應經緯度的像元值和利用該氣站數據以彭曼公式計算的蒸散量值進行對比。

一般, 蒸發皿觀測的蒸散量總是保持最大, 其次是彭曼方法估算的蒸散量。在半干旱區, 陸面水分條件大多時候不能滿足蒸散需要, 實際蒸發要明顯比彭曼法估算的蒸散量低。

圖4 蒸散發量直方圖Fig. 4 Histogram of evapotranspiration

表2 呼圖壁縣水面蒸散量值對比Tab. 2 Comparision of Hutubi water surface on evapotranspiration map

表3 三種蒸散發計算結果對比Tab. 3 Comparision of three kinds of evapotranspiration calculated results

由以上兩種方式可以看出, SEBS模型所計算的蒸散發量與氣象站所測水面蒸發量和彭曼公式的計算結果三者變化趨勢相吻合, 盡管在驗證方面實測數據較為缺乏, 但表中仍然可以認為 SEBS模型在呼圖壁縣的蒸散量計算結果基本符合實際。

5 結論

(1) 使用 Landsat8影像, 利用SEBS 模型計算出2013年4月22日、6月9日、8月28日、10月15日的呼圖壁縣蒸散量, 并對SEBS的模擬結果與呼圖壁縣氣象站的觀察結果和利用彭曼公式計算的結果進行了比較, 表明SBES模型的結果是合理的,可以適用于較小區域蒸散發估算有一定適用性。

(2) 呼圖壁縣蒸散發量時空變化顯著, 春季的蒸散量較低, 夏季最大。南部山區具有較高的蒸發量, 中部農業灌溉地區包含城鎮部分, 夾雜著植被和水體等具有較高蒸散發的地類物型, 也呈現出較高的蒸發量, 北部地區多為戈壁和沙漠, 供給蒸發的水分不足, 該區域蒸散量在各個時期都較小, 估算結果合理地反映了蒸發量的時空差異。

(3) 利用 Landsat8影像周期性獲取可視化蒸散發量的空間分布, 對于縣域水資源管理和分配, 保護水資源平衡, 促進農業發展都具有重要意義。

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Spatial and temporal distribution of evapotranspiration in the hutubi County based on Landsat8 data and SEBS model

ZHANG Yuan1,2, ZHENG Jianghua1,2,*, LIU Zhihui1,2,3, YAO Junqiang1,2
1.College of Resources and Environment Sciences,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang830046,China2.Key Lab for Oasis Ecosystem of MOE,Xinjiang University,Urumqi,Xinjiang830046,China3.Institute of Arid Ecology and Environment,Xinjiang University,Urumqi Xinjiang830046,China

The evapotranspiration of Hutubi County was estimated by Landsat8 and meteorological observations based on SEBS model. Estimated evapotranspiration of four days on April 22th, June 9th, August 28thand October 15th, and the distribution maps of were retrieved. The results could reflect season change; for instance, the results of farmland were 1.938, 3.136, 2.641, 1.314 mm·day-1on four days respectively. The overall trend was the northern desert plain ＜the central region ＜ the southern mountains. The maximum value in four days appeared on June 9th in southern mountain area which was 4.128 mm·day-1. The results showed the SEBS model has accuracy in estimating evapotranspiration of arid and semi-arid climate and it can capture temporal and spatial change on typical northern slope of Tianshan Mountain.

SEBS model; evapotranspiration; Landsat8; northern slope of Tianshan Mountain; County

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.02.005

K90

A

1008-8873(2016)02-026-07

2014-11-24;

2015-09-22

水利部公益性行業科研專項(201301103)資助; 教育部促進與美大地區科研合作與高層次人才培養項目(117-40101)

張圓(1990—)女, 漢, 籍貫: 山西, 碩士研究生, 主要從事水資源管理及GIS應用等方面研究, E-mail: zy13659958670@aliyun.com

*通信作者:鄭江華(1973—), 男, 教授, 碩士生導師, 主要從事資源監測和3S技術應用研究, E-mail: zheng_jianghua@126.com