遥感地质学课件：专题-水问题遥感2.ppt

1、1.1.利用累积利用累积 NDVI NDVI 估算黄河流域年蒸散量估算黄河流域年蒸散量2.2.应用应用 MODIS MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分3.黄河流域干旱状况的时空变化分析黄河流域干旱状况的时空变化分析*注： 本节内容为973项目G1999043601成果。仅用于教学，引用请注明出处，不可用于其它用途。利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量1992年气象资料潜在蒸散月降水量年实际蒸散年累积NDVI相对湿润指数年平均温度年降水量水量平衡公式Penman公式遥感蒸散模型拟合蒸散模型的建立过程利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量Po, P分别为标准大气压和

2、当地大气压；为气温与饱和水汽压关系曲线的斜率；为干湿球湿度计常数；Rn为净辐射；Ea为空气动力学参数。式中所需资料可从常规气象观测资料获得。 1)1)NDVI NDVI 影像数据美国美国航空暨太空总署探险者影像数据美国美国航空暨太空总署探险者 AVHRR AVHRR 陆地数据集的陆地数据集的 8km8km旬旬NDVINDVI数据，时间：数据，时间： 1982-2000 1982-2000 年年 (1994 (1994 年资料不全，故未采用年资料不全，故未采用) ) 影像初始投影为古德投影，便于研究，将其转影像初始投影为古德投影，便于研究，将其转换为等积圆锥投影，并截取出黄河流域。换为等积圆锥投

3、影，并截取出黄河流域。2)2)气候资料包括黄河流域内及周围地区气候资料包括黄河流域内及周围地区 76 76 个气个气象台站象台站 19822000 19822000 年的月平均气温，月降水量，年的月平均气温，月降水量，以及以及 1992 1992 年月日照时数，平均风速年月日照时数，平均风速, ,湿度等点湿度等点上气候资料经上气候资料经 KrigingKriging 插值法插值得到流域面插值法插值得到流域面上降水量和气温的分布。上降水量和气温的分布。3)3)径流资料包括兰州、头道拐、龙门、三门峡、径流资料包括兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口花园口 5 5 个水文站个水文站 82-97 82-

4、97 年径流观测资料。年径流观测资料。利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量沁河流域黄河下游伊洛河流域兰 州 以 上 区 间山陕区间泾河北洛河流域内流区宁蒙河段渭河流域汾河流域三花干流# 黄河流域不同分区及气象站点分布图利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量l利用公式，计算黄河流域 76 个台站 1992 年月潜在蒸散y： 气温 T 时的饱和水汽压曲线斜率： 干湿表常数Qn ：地表净辐射，由日照时数,水汽压等计算Ea ：空气干燥力，由风速及水汽压计算利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量anpEQETl由月潜在蒸散、月降水量，利用水量平衡公式计算实际蒸散dw/dt ：土壤水分随时间的变化

5、PT ：降水量ET：实际蒸散F ：径流损失W ：土壤含水量Wk ：临界土壤含水量FETPTdtdwapkaETwwET1 ,min利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量0.00.51.01.52.02.53.03.54.00100200300400500600700800蒸散 ET(mm)累积NDVIIntegrated NDVI1992 年年蒸散量与累积 NDVI 散点图年累积 NDVI 取月平均气温大于 0oC 期间的月NDVI累加值，由于NDVI小于 0.05 时，基本无植被生长，因此取 NDVI 的阈值为 0.050)05. 0(TNDVINDVI利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸

6、散量l建立年蒸散量与年累积 NDVI,相对湿润指数之间 RMI 的关系IMMIRMI 010. 0TPMI150)34. 1(*79. 1exp(1*463NDVIRMIETIMMIRMI 010. 0TPMI150)34. 1(*79. 1exp(1*463NDVIRMIETP：年降水量 ：大于0C积温0T01002003004005006007008000100200300400500600700800实 际 蒸 散 Actual ET (mm)模拟蒸散 Simulated ET (mm)r = 0.8291992年实际蒸散与由累积NDVI估算蒸散值的比较 利用累积 NDVI 估算黄河流域

7、年蒸散量黄河流域年蒸散量的时空分布图利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量l近 20 年来，黄河流域多年平均蒸散量为 389mm ；l东南部最大，年蒸散量基本在 400mm 以上；l其次是兰州以上区间，大部分地区在 300450 公厘之间；l宁蒙河段及鄂尔多斯高原，蒸散量最小，年蒸散量不到 300mm ；l银川平原和河套平原两个大灌区，年蒸散量明显高于周围地区。利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量l近 20 年来，全流域平均年蒸散量有减小的趋势。l流域蒸散的年际间变化很大，以流域东南部为例， 1997 年年蒸散量基本在 350-450 公厘之间，而 1996 年年蒸散量在 600mm 左

8、右。1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000200250300350400450500 Actual ET (mm)Year流域平均年蒸散量的年际变化流域平均年蒸散量的年际变化利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量l利用兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口五个水文站径流观测资料及气象台站降水资料计算得到不同分区的平均蒸散量，并与遥感计算得到的区域平均蒸散量进行比较。利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量200250300350400450500200250300350400450500观测值 Observed ET (mm)估算值 E

9、stim ated ET (m m )198219841986198819901992199419961998050100150200250300350400450 计算值 Calculated 观测值 Observed蒸散 E T(mm)年份 Y ear198219841986198819901992199419961998050100150200250300350400450 计算值 Calculated 观测值 Observed蒸散 E T(mm)年份 Y ear1982198419861988199019921994199619980100200300400500600 计算值 Cal

10、culated 观测值 Observed蒸散 E T(mm)年份 Y ear1982198419861988199019921994199619980100200300400500600700 计算值 Calculated 观测值 Observed蒸散 E T(mm)年份 Y ear1982198419861988199019921994199619980100200300400500600700 计算值 Calculated 观测值 Observed蒸散 E T(mm)年份 Y ear花园口以上区间三门峡-花园口龙门-三门峡头道拐-龙门兰州-头道拐兰州以上区间不同区间平均年蒸散观测值与估算值

11、的比较利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量 兰州以 上区间 兰州至头 道拐区间 头道拐至 龙门区间 龙门至三 门峡区间 三门峡至 花园口区间 花园口 以上区间 最大绝对误差(mm) 49.12583 -56.6032 -106.799 -44.7785 70.31144 -35.9017 最大相对误差(%) 16.86231 -14.1306 -21.5746 -8.10798 19.82803 9.501312 平均绝对误差(mm) 12.46602 -11.806 -27.634 -5.70222 19.19533 -2.89173 平均相对误差(%) 4.052693 -3.8288

12、3 -7.61674 -1.2934 4.054708 -0.80032 利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量l在植被长势差，降水少的地区，如兰州至头道拐区间，头道拐至龙门区间估算结果偏低，其中头道拐至龙门区间平均绝对误差为-27.6mm ， 1985 年误差最大，误差为-107 公厘，兰州至头道拐区间平均绝对误差为-11.8mm ；而植被长势好,降水量多的地区，如兰州以上区间及三门峡至花园口区间总体估算偏高，尤其是在 1986 年前在龙门至三门峡区间模拟结果最好，平均估算误差仅为-5.7 公厘。利用累积 NDVI 估算黄河流域年蒸散量应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究

13、黄河流域土壤水分作物缺水指数（作物缺水指数（ CWSI ）和土壤水分间的模型：）和土壤水分间的模型：CWSIbaeW*微气象学建微气象学建立立 CWSI 的的模型模型温度梯度方温度梯度方法确立法确立 CWSI热红外反演地面热红外反演地面组分温度、近地组分温度、近地面气温等等困难面气温等等困难研究方法是：通过植被冠研究方法是：通过植被冠层近红外波段对土壤水分层近红外波段对土壤水分的敏感性，达到反演干旱、的敏感性，达到反演干旱、半干旱区植被覆盖条件下半干旱区植被覆盖条件下土壤水分的目的土壤水分的目的应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分C2 样地灌层光谱010203

14、040506070809010031835939943947951855659463166870474077581084487891194497710091041108811621236130913821454152515961665173317721883199321022210231624212524波段（n m ）反射率（% ）4-1 耕层含水 1 0 . 20(3/30)4-11 耕层含水2 7 . 3 (4/10)4-20 耕层含水1 0 . 7 (4/20)5-3 耕层含水2 0 . 3 6(4/30)C3样地灌层光谱02040608010012014016031838444851

15、1573633692749805860914967101910811200131914351550166217711902207822512421波段（n m )反射率（% ）4-1 耕层含水1 3 . 1 0(3/30)4-20 耕层含水2 1 . 3 （ 4/20 ）5-3 耕层含水2 4 . 9 6(4/30)C4 样地灌层光谱0204060801001203183784384965536086637177698208719209681016106511751284139114981602170417771941210222612416波段（n m )反射率（% ）4-1 耕层含水1 3

16、 . 7 0（ 3/30 ）4-11 耕层含水1 3 . 5 （ 4/10 ）5-3 耕层含水1 8 . 9 3(4/30)4月1 1日 灌层光谱0204060801001203183784384965536086637177698208719209681016106511751284139114981602170417771941210222612416波段( n m)反射率（% ）C2 耕层含水2 7 . 3 （ 4/10 ） C4 耕层含水1 3 . 5 ( 4/10)利用植物叶片水利用植物叶片水分吸收谷进行植分吸收谷进行植物缺水指数反演物缺水指数反演应用应用 MODIS 数据研究黄河流

17、域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分band 18y = 11.908e0.1798xR2 = 0.76280.005.0010.0015.0020.0025.0030.00-0.500.511.522.533.544.5反射率（% ）耕层含水量band 17y = 12.52e0.355xR2 = 0.66920.005.0010.0015.0020.0025.0030.0000.511.522.5band16-band17耕层含水量band 19y = 11.937e0.1316xR2 = 0.65850.005.0010.0015.0020.0025.0030.0001234567band

18、 5y = 10.489e0.0482xR2 = 0.74420.005.0010.0015.0020.0025.0030.0002468101214161820MODIS 波段植被冠层水分吸收敏感性分析波段植被冠层水分吸收敏感性分析应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分反射率反射率ABCDEFGHOL2L17L19波长波长xyDOCDCOWLH)(1917OHLL)(192LLyxyAGyxyOH)(1921917LLyxyLLWLH通过通过 MODIS 第第 2,17,19 波段波段建立建立 WLH 植被水分反演模型植被水分反演模型应用应用 MODIS 数据

19、研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分黄河黄河汾河汾河应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分黄河黄河汾河汾河应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分黄河黄河汾河汾河应用应用 MODIS 数据研究黄河流域土壤水分数据研究黄河流域土壤水分数据资料数据资料实际干旱NAVImni 气象干旱DImni 分别用每一个像元位置上分别用每一个像元位置上NAVImni、DImni与与时间时间i的线性回归斜率的线性回归斜率K-NAVImn和和K-DImn表表示实际干旱和气象干旱的时间动态趋势，示实际干旱和气象干旱的时间动态趋势，再用每一个像元位置

20、上再用每一个像元位置上NAVImni、DImni与时与时间间i的相关系数的相关系数R-NAVImn和和R-DImn控制二者控制二者线性回归的时段，反映实际干旱和气象干线性回归的时段，反映实际干旱和气象干旱的时间动态趋势的变化情况旱的时间动态趋势的变化情况 分析分析实际干实际干旱时空变化旱时空变化分析分析气象干气象干旱时空变化旱时空变化分析实际干旱和气象干旱的组合情况，得分析实际干旱和气象干旱的组合情况，得出了黄河流域干旱状况的时空分异特征出了黄河流域干旱状况的时空分异特征 类型3-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.482 83 8485 86 87 88 89 9091 9

21、2 93 94 95 9697 98 99时间类型1-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5282 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99时间类型2-0.6-0.4-0.200.20.40.60.882 83 8485 86 87 88 89 9091 92 93 94 95 9697 98 99时间类型4-0.5-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5828384858687888990919293949596979899时间距平NDVI距平NDVI趋势现干旱指数干旱指数趋势线l受干旱威胁和危害地区

22、面积共占黄河流域面积的 71%,所以黄河流域生态环境保护和治理面临着比较严重的困难l黄河流域在 101o20E 以西的源头地区，气象干旱和实际干旱趋势一致，目前都处在相对减弱的趋势中，干旱没有进一步严重恶化的迹象l银川平原和河套灌区则处于持续气象干旱相对增强过程中，实际干旱相对减弱均是以提高引黄灌溉水量为代价黄河流域黄河流域 1km 1km分辨率分辨率DEM黄河流域水循环黄河流域水循环 GIS黄河流域土地利用类型（黄河流域土地利用类型（ 1km 1km分辨率）分辨率）黄河流域水循环黄河流域水循环 GIS基于基于 NDVI(1km分辨率）的黄河流域植被分类分辨率）的黄河流域植被分类黄河流域水循环黄河流域水循环 GIS1km 1km网格化的黄河流域气温网格化的黄河流域气温水文参数的尺度转化水文参数的尺度转化1km 1km网格化的黄河流域降水网格化的黄河流域降水水文参数的尺度转化水文参数的尺度转化