李 亮，翟 進(jìn)，史海濱

（1.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特010018）

目前區(qū)域蒸散研究具有相當(dāng)完善的理論基礎(chǔ)和較成熟的模型算法。但是所有模型算法都不是通用和萬(wàn)能的，必須針對(duì)研究區(qū)的實(shí)際情況，建立適合本研究區(qū)的具體蒸散模型，只有這樣才能使估算結(jié)果更加準(zhǔn)確有效。蒸發(fā)散計(jì)算生態(tài)需水量是較為普遍的方法之一。由于下墊面因素、水文參數(shù)等空間的變異性和不均勻性，使得由蒸發(fā)散計(jì)算的生態(tài)需水在向大尺度的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生了很大的誤差，影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。遙感技術(shù)的實(shí)時(shí)性、區(qū)域性，為監(jiān)測(cè)大范圍陸面地表能量和水分狀況提供了方便。同時(shí)隨著遙感空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的提高，利用遙感技術(shù)定量反演地表參數(shù)和地表通量，立足于地表能量平衡方程，進(jìn)而推算陸面蒸散量已成為區(qū)域蒸散估算的發(fā)展方向?；谶b感技術(shù)的區(qū)域蒸散研究在水資源缺乏的西北干旱、半干旱地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，而內(nèi)蒙古河套灌區(qū)在區(qū)域蒸散研究方面尚屬空白。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于中國(guó)西部，北緯40°19′—41°18′，東經(jīng)106°20′—109°19′，是全國(guó)三大灌區(qū)之一［1］。東西長(zhǎng)270km，南北寬40～75km。灌區(qū)地形平坦，西南高，東北低，海拔1 007～1 050m，坡度0.125‰～0.2‰。灌區(qū)總土地面積約為1.12×106hm2，現(xiàn)有灌溉面積約5.74×105hm2，占總土地面積的51.2%左右［2］。年降水量136.8～213.5mm，年蒸發(fā)量1 993～2 372mm，年平均氣溫6～8℃，自東向西升高，平均相對(duì)濕度40%～50%。全年封凍期5～6個(gè)月，最大凍結(jié)深度1.0～1.3m。封凍期為每年11月下旬至翌年4月，無(wú)霜期135～150d，全年日照期3 100～3 300h［3－4］。

2 數(shù)據(jù)選擇及研究方法

Landsat TM 5影像的精度高，重復(fù)訪問(wèn)周期為16d，本研究采用30m分辨率數(shù)據(jù)，可以滿(mǎn)足灌區(qū)尺度的應(yīng)用，選取2005年7月21日河套灌區(qū)1排干溝至7排干溝的灌區(qū)中、上游區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，1景TM 5影像可覆蓋。運(yùn)用遙感技術(shù)，使用Landsat TM 5、IKONOS多種分辨率影像數(shù)據(jù)對(duì)灌區(qū)基本特征參數(shù)進(jìn)行提取。運(yùn)用Erdas 9.1軟件進(jìn)行非監(jiān)督分類(lèi)提取耕地的種植結(jié)構(gòu)，用SEBAL模型反演灌區(qū)蒸散量。

3 數(shù)據(jù)解譯

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始遙感數(shù)據(jù)在使用前應(yīng)進(jìn)行圖像校正，本研究所用的數(shù)據(jù)為已經(jīng)經(jīng)過(guò)輻射校正和幾何粗校正的1B產(chǎn)品，因此，只需進(jìn)行幾何精校正，校正流程如圖1所示。

3.2 波段選擇

對(duì)影像各波段數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析、主成份分析、相關(guān)分析的結(jié)果表明，TM影像的7個(gè)波段數(shù)據(jù)中，TM5的信息量最大，其次為T(mén)M1、TM3和TM4，但TM1、TM3的波段相關(guān)性大，數(shù)據(jù)疊加多，因此本文選擇TM5、3、4偽彩色波段組合，疊加結(jié)果如附圖14所示。

圖1 TM影像校正流程

3.3 分類(lèi)結(jié)果

3.3.1 分類(lèi)精度 在ERDAS IMAGINE 9.1軟件中，采用非監(jiān)督分類(lèi)法，將影像分為40類(lèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及地面實(shí)際數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行判別，最后合并為7個(gè)大類(lèi)。由于實(shí)測(cè)資料不足，本文采用IKONOS影像對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。IKONOS影像全色波段精度為1m，它能夠很好地反映地表覆蓋，目視即可判別大部分地表覆蓋。結(jié)果顯示，除林地和荒地外，其他各個(gè)類(lèi)別都達(dá)到了較好的分類(lèi)精度，總體精度為71.27%，Kappa系數(shù)為0.681 7。水體因其顯著的光譜差異性而具有很高的識(shí)別精度。由此可見(jiàn)，影像的分類(lèi)精度較高，所得數(shù)據(jù)可靠性好，分類(lèi)結(jié)果如附圖14所示。

3.3.2 分類(lèi)結(jié)果 各類(lèi)別名稱(chēng)及在研究區(qū)域所占面積及比例見(jiàn)表1及附圖15。由表1可見(jiàn)，耕地所占的比例為50.8%，與實(shí)地調(diào)查所得的51.2%十分接近。

表1 研究區(qū)遙感土地利用分布

4 蒸散發(fā)反演

4.1 基本原理

太陽(yáng)輻射是地表能量交換的基礎(chǔ)，當(dāng)輻射能量經(jīng)過(guò)大氣衰減到達(dá)地表后，其能量主要被用于加熱空氣與土壤以及促進(jìn)水分蒸發(fā)，SEBAL模型就是利用了地表能量平衡原理來(lái)計(jì)算蒸騰量，其表達(dá)式如下：

式中：λET——潛熱通量，其中λ為汽化潛熱；ET——蒸騰量；Rn——凈輻射通量；G——土壤熱通量；H——感熱通量；PH——用于植物光合作用的能量（其值很小可以忽略）［5－7］。SEBAL模型根據(jù) Landsat 5數(shù)據(jù)以及相關(guān)氣象資料逐像元地計(jì)算出研究區(qū)地面反照率，植被指數(shù)，比輻射率和地表溫度資料，并依據(jù)反演參數(shù)逐步計(jì)算出衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的Rn，G，H值，求出瞬時(shí)ET值，最終通過(guò)計(jì)算蒸發(fā)比分的方法推求出時(shí)段的ET量。

4.2 參數(shù)推求

（1）大氣外光譜反射率rb。Landsat TM／ETM波段1～5和7的波長(zhǎng)為0.45～2.35μm，接收的主要是地面物體反射的太陽(yáng)輻射，因此可以計(jì)算地面物體在大氣外光譜反射率rb。

式中：Lb——地面物體在波段b處的大氣外光譜輻射亮度［W／（m2·μm·sr）］；d——日地天文單位距離；Eb——波段b處的大氣頂層太陽(yáng)光譜照射度［W／（m2·μm·sr）］；θ——太陽(yáng)天頂角。

計(jì)算每個(gè)波段的反射率，需將灰度值（DN）轉(zhuǎn)化為輻射量。

式中：Gain——增益［W／（m2·μm·sr）］；Bias——偏置［W／（m2·μm·sr）］；QCAL——經(jīng)過(guò)定標(biāo)和量子化的比輻射率，無(wú)量綱；Lmin——QCAL＝0（或1）時(shí)的波譜輻射率，Lmax——QCALmax時(shí)的波譜輻射率；QCALmax——新的比輻射率（Rescaled Radiance）范圍，對(duì)于所有的TM值，QCALmax＝255。Lmin和Lmax的值可以從Landsat技術(shù)手冊(cè)得到（Landsat 7Science Data Users Handbook，2002）。

（2）地面反照率α。各波段反射率計(jì)算大氣頂層反照率αtoair的公式為：

式中：wb——波段b的權(quán)重系數(shù)，各波段權(quán)重參見(jiàn)表2；rb——波段b的反射率。

表2 各波段權(quán)重

對(duì)大氣外反照率作簡(jiǎn)單的大氣輻射校正，得到地面的反照率α：

式中：αtoair——大氣外反射率；αpath——考慮了大氣影響的程輻射。本文中原始影像已進(jìn)行了大氣校正，故忽略了大氣對(duì)地表反射率計(jì)算的影響，取αpath＝0。晴空單向大氣透射率的值一般可以由經(jīng)驗(yàn)公式估算［8］：

式中：z——地面高程（m）。

（3）歸一化差值植被數(shù)NDVI。

式中：CH3，CH4——式（9）計(jì)算的波段3和4的反射率。NDVI主要在－1～＋1之間，水體、建筑物、沙地及裸地的值接近于0；對(duì)應(yīng)于高覆蓋度植被NDVI的值越大。

（4）比輻射率ε。比輻射率是一個(gè)無(wú)量綱值，取值在0～1之間。假定研究目標(biāo)對(duì)熱輻射是不透明的，取值為0［9－11］。SEBAL中采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算比輻射率ε：

式中：INDV＞0，否則假設(shè)ε為0。研究區(qū)地表比輻射率均值為0.915，植被好的區(qū)域比輻射率較高，一般在0.96以上；鹽堿地及荒地的比輻射率最低，基本在0.90以下。

（5）地面溫度Ts。Landsat TM／ETM波段6的波譜范圍是10.4～12.5μm，主要接收地面長(zhǎng)波輻射，可以用來(lái)計(jì)算地面溫度。Stafan—Boltzman定律反映物體溫度與輻射之間的關(guān)系，單波段6的波譜范圍太窄，因此利用Plank公式計(jì)算地面物體的亮度溫度Ts：

式中：L6——地面物體在波段6處的大氣頂層光譜輻射亮度，K1和K2為計(jì)算常數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算常數(shù)K1和K2

4.3 模型參數(shù)確定

（1）地表凈輻射Rn。由所有的入射能量減去出射能量來(lái)計(jì)算，如圖2所示：

圖2 地表輻射平衡示意圖

式中：Sin——入射短波輻射；Lin——入射長(zhǎng)波輻射；Lout——出射長(zhǎng)波輻射；（1－ε）Lin——經(jīng)地表反射的入射長(zhǎng)波輻射項(xiàng)；α——地表反射率。研究區(qū)凈輻射量（Rn）值集中在500～600W／m2，占研究區(qū)域面積的90%以上，均值為581.4W／m2。

（2）土壤熱通量G。土壤熱通量取決于地表特征和土壤含水率等因素，在本文中，通過(guò)對(duì)多種計(jì)算土壤熱通量經(jīng)驗(yàn)公式的比較，我們采用Bastiaanssen［12］提出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算地表（包括植被覆蓋地區(qū)和裸地）的G：

G＝（Ts－273.16）（0.0038＋0.0074α）

式中：Ts——地表溫度（K）。

研究區(qū)土壤熱通量（G）集中在40～80W／m2之間的值占研究區(qū)域面積的90%以上，其分布和地表溫度大致相同，而與地表反射率相反，即地表反射率越高，相應(yīng)土壤吸收熱量的能力就越弱。

（3）感熱通量H。感熱通量的計(jì)算，假定研究區(qū)內(nèi)Ts為線性關(guān)系，通過(guò)在地表溫度分布圖上選擇“冷點(diǎn)”與“熱點(diǎn)”，采用 Monin－Obukor迭代方法；通過(guò)對(duì)摩擦風(fēng)速u(mài)＊和空氣動(dòng)力學(xué)阻力rah經(jīng)過(guò)多次循環(huán)遞歸最終求出穩(wěn)定的H 值，計(jì)算公式如下：

式中：H——感熱通量（W／m2）；ρa(bǔ)ir——空氣密度；Cpair＝1004［J／（kg·K）］；rah——空氣動(dòng)力學(xué)阻力（s／m）。

式中：P——大氣壓。H、aTS＋b和rah都是未知量，且彼此直接相關(guān)。計(jì)算Monin－Obukov長(zhǎng)度時(shí)還需用到感熱通量H，因此只能進(jìn)行迭代求解確定感熱通量H。

通過(guò)計(jì)算得到a＝0.499，b＝－143.66，rah＝21.15s／m。計(jì)算得到感熱通量分布在0～599.8W／m2，均值為282.81W／m2。低值主要分布在水域，高值主要分布在沙地，植被條件好的感熱通量為200～300W／m2，占區(qū)域面積的50%左右。

（4）潛熱通量。潛熱通量是下墊面與大氣之間交換的水汽通量，是水分循環(huán)和能量平衡的重要組成部分，潛熱通量與顯熱通量正好相反。研究區(qū)潛熱通量在0.022～704.77W／m2，均值為212.12W／m2。其分布規(guī)律與感熱通量相反。遙感反演區(qū)域潛熱通量見(jiàn)圖3—4。

（5）時(shí)段蒸騰量ET。根據(jù)上式計(jì)算出的能量平衡方程的各項(xiàng)結(jié)果，即可求得潛熱通量λET。但這一結(jié)果僅為衛(wèi)片拍攝時(shí)的瞬時(shí)蒸散值，可以通過(guò)蒸發(fā)比在一天之中為常數(shù)的特性，通過(guò)計(jì)算蒸發(fā)比率Λ將瞬時(shí)的蒸散值ET延伸為全天蒸散值ET24。計(jì)算公式如下：

式中：ETinst——區(qū)域瞬時(shí)蒸散值；cos（s）——地表坡度余弦；λET——潛熱通量；ET——蒸騰量；λ——汽化潛熱；Λ——蒸發(fā)比率；G——土壤熱通量；G24——全天土壤熱通量；Rn——凈輻射通量；Rn24——全天太陽(yáng)凈輻射。

圖3 遙感反演區(qū)域潛熱通量Histogram圖

圖4 遙感反演研究區(qū)蒸散量Histogram圖

4.4 區(qū)域蒸散量反演

利用蒸發(fā)比率推算出的日蒸散量結(jié)果如表4所示，根據(jù)區(qū)域內(nèi)5個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)田間微氣象站及蒸散量反演值，日蒸散量均值為4.81mm／d，實(shí)測(cè)均值為5.09 mm／d，相對(duì)誤差平均為5.8%，結(jié)果合理可靠。由于外界熱量平流輸入會(huì)破壞自我穩(wěn)定狀態(tài)，使能量構(gòu)成比例發(fā)生變化，因而在使用瞬時(shí)蒸發(fā)比計(jì)算日蒸散量時(shí)存在一定誤差。對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的蒸散量計(jì)算，需要長(zhǎng)序列的遙感影像，鑒于本地區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)的不足，本文暫未考慮。

表4 反演值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)遙感數(shù)據(jù)分析，確定了TM影像的最佳波段組合，經(jīng)過(guò)幾何校正采用非監(jiān)督分類(lèi)對(duì)影像進(jìn)行分類(lèi)，最終得到灌區(qū)土地分類(lèi)及耕地種植結(jié)構(gòu)。利用高分辨率IKONOS影像對(duì)分類(lèi)結(jié)果作了精度評(píng)估，精度分析證明多時(shí)相中分辨率TM影像用于灌區(qū)尺度土地利用分類(lèi)有很高的精度。

利用基于地表能量平衡原理的SEBAL模型，根據(jù)Landsat TM 5數(shù)據(jù)以及相關(guān)氣象資料逐像元地計(jì)算出研究區(qū)地面反照率，植被指數(shù)，比輻射率和地表溫度資料，并依據(jù)反演參數(shù)逐步計(jì)算出衛(wèi)星過(guò)境時(shí)刻的Rn，G，H值，求出瞬時(shí)ET值，最終通過(guò)計(jì)算蒸發(fā)比分的方法推求出時(shí)段的ET量。經(jīng)過(guò)反演得到日蒸散量均值為4.81mm／d，實(shí)測(cè)均值為5.09mm／d，相對(duì)誤差平均為5.8%，結(jié)果合理。利用地表能量平衡原理的SEBAL模型對(duì)蒸散發(fā)進(jìn)行反演，反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差在允許范圍內(nèi)，為河套灌區(qū)區(qū)域用水量研究提供新的方法。

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