一种基于地表能量平衡的遥感干旱监测新方法及其在甘肃河东地区干旱监测中的应用初探

目前遥感干旱监测方法的精度普遍不高,探求新的遥感干旱监测方法有助于干旱监测预警技术的提升与发展.波文比是感热通量与潜热通量之比,能综合反映地表水热特征,可尝试将其引入到遥感干旱监测领域加以利用.应用甘肃河东地区的EOS-MODIS卫星资料和同步地面气象资料,基于地表能量平衡原理构建了波文比干旱监测模型,对比分析了波文比(β)指数、温度植被指数(TVX)与土壤水分的相关性,并以典型晴空影像(2014年10月5日)为例初步建立了β的干旱分级标准,对研究区进行了旱情评估.结果表明:β与土壤相对湿度呈现出高度负相关,相比于当下广泛应用的TVX,β与0~20cm平均土壤相对湿度具有更好的相关性,监测精度得到了显著提高.用β干旱分级标准评估的研究区干湿状况与前期降水空间分布吻合得相当好,评估表明2014年10月5日研究区基本为适宜(无旱),与2014年9月的降水距平百分率特征一致.基于地表能量平衡的波文比(β)指数在干旱监测中效果突出,具有很好的应用前景.     

基于MODIS数据的干旱遥感监测研究

干旱是影响社会发展和农业生产的重要因素之一。本文基于EOS/MODIS卫星遥感资料,选取江西省2001-2006年的NDVI时间序列数据,分析了NDVI对干旱的响应规律。计算了NDVI与气温、降水之间的关系。并提取植被状态指数(VCI),分析VCI与气温距平、降水距平的空间分布规律。结果表明:2003年江西夏季旱灾以高温少雨天气为主。这一时期的NDVI数值明显低于其他年份同一时期的NDVI值。气温温度越高,NDVI值越大;日照时数时间越长,NDVI值越大;降水量越高,NDVI值越大;降水距平百分率越高,VCI值越高;平均温度距平越小,VCI值越高。说明气候因素对NDVI指数和VCI指数有很大影响。研究表明,基于MODIS的植被指数可以反映旱灾的时空分布规律。     

卫星遥感数据评估黄土高原陆面干湿程度研究

卫星遥感数据具有估算时空尺度上地表参量的优势,在陆地环境状况评估和监测等方面有很大的应用潜力.本文利用美国地球观测系统卫星搭载中等分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）在黄土高原2002-2010年期间获取的每16天归一化植被指数（NDVI）和每日地表温度（LST）数据,分析了黄土高原地区LST-NDVI空间的基本特征.结果发现：当研究区域足够大且遥感数据时间序列足够长时,LST-NDVI空间中（NDVI,LST）散点并非呈三角形或梯形分布.为了能够利用EOS/MODIS的NDVI和LST数据正确地评估陆面的干湿状况,本文给出了利用数据集合法确定LST-NDVI空间中干边和湿边的数值,即在LST-NDVI空间中,利用NDVI等值区间内LST最大值和最小值的集合代表干边和湿边的数值,并进一步证明了在LST-NDVI空间中干边和湿边数值并非呈线性关系.在分析LST-NDVI空间特征的基础上,通过构建地表温度-植被干旱指数（TVDI）,探讨其在评估黄土高原地区陆面的干湿状况的应用潜力.结果表明：由TVDI距平表征的陆面的干湿程度与局地降水距平有很好的关联性,二者在时空分布上有较好的对应关系.在我国陇东黄土高原塬区,TDVI数值与地面观测的表层土壤湿度有很好的相关性,相关系数在0.67以上,并通过显著性为1%的检验.由此说明：如果合理选取干边和湿边的数值,TDVI可应用于区域陆面干湿程度的客观评估.     

基于蒸散发构建的日干旱指数及其对区域干旱事件的表征分析

增温背景下,频发的干旱事件已对工农业生产和人民生活造成了巨大损失,旱情的监测和预报日益受到重视.然而,目前用于干旱研究的干旱指数绝大部分是针对月以上的时间尺度,适用于干旱监测和预报的日干旱指数相对稀缺,不利于对干旱监测和预报准确率的改进以及对现有日干旱指数的评估.文章利用气象站实测数据和ERA5高分辨率再分析资料,基于实际蒸散发和潜在蒸散发构建了一个新的日干旱指数——日蒸散发差指数(Daily Evapotranspiration Deficit Index,DEDI),并使用该指数分析了2019年春夏季发生在中国西南、华北、东北和西北东部地区的四个干旱事件的时空演变特征.通过与气象干旱综合指数和标准化降水蒸散发指数对比,系统地评估了DEDI对重大干旱事件旱情信号的表征能力.结果表明,DEDI较好地表征了2019年西南、华北、东北和西北东部地区四个不同强度干旱事件的时空演变过程,并在刻画旱情的起止时间及强度的多峰值方面更具优势.此外,DEDI还考虑了植被等下垫面条件,在气象甚至农业干旱监测和预警方面具有一定的应用潜力.     

作物生长模型同化MODIS反射率方法提取作物叶面积指数

叶面积指数(LAI)是监测农作物生长的重要参数. 遥感提取LAI的方法之一是通过植被冠层辐射传输模型反演, 但多数模型反演方法都没有考虑作物LAI在不同生长阶段的变化关系. 本文在模型反演的基础上引入用作物生长模型描述的LAI随生长变化的关系, 将作物生长过程中LAI地面先验信息作为约束信息, 提取最优目标参数LAI. 要点是在耦合作物生长模型和辐射传输模型中通过变分算法在作物生长不同时刻序列同化多时相遥感观测和LAI先验知识; 在同化过程中用伴随方法求解代价函数. 采用北京昌平和顺义地区MODIS数据的同化结果显示时序遥感观测能够极大改善被提取LAI的不确定性, 对比MODIS LAI产品发现提取LAI廓线符合实际的作物生长规律, 因而比MODIS LAI产品更加可靠.     

多核处理器环境下遥感数据处理的并行与串行算法的性能比较

卫星遥感能够提供(准)实时地面信息,在地震研究中的应用越来越广泛.MODIS是搭载在Terra和Aqua两颗卫星上的重要的“图谱合一”光学遥感观测仪器.由于MODIS数据具有多频段、高分辨率、高时效性、应用广泛等特点,使得MODIS数据对地球科学的综合研究和对陆表、生物圈、固态地球、大气和海洋的长期观测有着重要意义,在自然灾害的监测和分析研究领域也有着广泛的应用.     

基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测研究

2008年1月中国南方地区遭受了严重的低温雨雪冰冻灾害, 地面常规观测、地面雷达观测等气象监测手段因受冰雪灾害的影响, 未能提供全面及时的雪情信息. 为了补充雪情数据, 国家卫星气象中心采用区域ATOVS卫星遥感数据和NCEP预报数据, 利用与美国NCAR合作开发的WRF三维变分预报/同化系统(其中陆面子过程选用NOAH方案), 建立了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方低温雨雪冰冻灾害的暴雪监测系统, 提供了暴雪灾害时段内每6 h一次的雪水当量演化分布数据. 本文系统阐述了基于区域ATOVS数据同化的2008中国南方特大暴雪灾害监测方案, 并对比分析了同化前、后模拟结果与观测资料的吻合度. 研究表明: 同化后的分析场能更好地反映此次强降雪过程的天气特征, 雪深的计算精度较同化前有明显改进, 从而验证了基于区域ATOVS数据同化的雪情监测方案的可行性. 该研究不仅为暴雪天气灾害应急服务提供了及时准确的雪情空间分布和演变信息, 也为区域ATOVS数据的应用开辟了新途径.     

MODIS卫星遥感气溶胶产品在北京市大气污染研究中的应用

利用NASA MODIS气溶胶光学厚度产品与北京市空气污染指数做了长期比较分析, 发现二者的直接对比相关较低; 在引入季节变化的气溶胶标高、考虑了气溶胶的垂直分布后, 二者的相关系数有所提高; 在考虑了湿度影响因子订正后, 二者的相关系数显著提高. 证实卫星遥感气溶胶光学厚度在经过垂直和湿度影响两方面的订正后, 可以作为监测颗粒物污染物地面分布的一个有效手段. 利用 MODIS资料对2004年10月一次污染个例的分析, 表明卫星遥感气溶胶可以细致描绘地面污染事件的形成过程, 发现区域尺度输送和地形因素对北京市空气质量具有显著影响. 高分辨率的反演结果给出北京城区及周边地区气溶胶光学厚度的年平均分布, 表明高分辨率卫星遥感可能在监测颗粒物排放源分布上具有潜在的应用价值.     

基于EOS/MODIS数据的青海湖遥感监测

在二十世纪八十年代,NASA 开始设计地球观测系统(EOS),MODIS 数据是地球观测系统中很具特色的数据,在 TERRA 和 AQUA 卫星上均搭载有 MODIS 传感器．利用 MODIS 的较高的空间分辨率和光谱分辨率进行地球资源的监测 及预测、预报未来变化的研究是近几年热点的研究问题．本文介绍利用 EOS/MODIS 遥感数据进行湖泊水域计算机自动 识别及面积计算、湖水面温度反演、湖冰信息自动提取、湖泊封冻和解冻监测原理和方法,并以青海湖为例介绍了实际应 用情况．     

一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.     

一种基于指数函数的遥感水体信息提取方法

MODIS数据具有高时相分辨率、高光谱分辨率和中等地面分辨率的特征,利用MODIS数据来监测和提取旱情严重地区的水体信息已经成为一个重要的研究方向.本文利用各类地物在MODIS各个波段上的波谱特征差异性进行水体提取,但与以往水体信息提取方法有创新之处在于:本文借助于非线性的指数函数对低反射的水体的反射率进行了拉伸而对高...     

MODIS陆地气溶胶遥感反演--利用TERRA和AQUA双星MODIS数据协同反演算法

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点.利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据,DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果.然而,该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域,大大限制了该算法的实际应用范围,尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演.文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS),用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息.该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演,可应用于各种地表反射率类型,包括城市等亮地表区域.通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证,结果表明,该算法具有较高的精度,进一步的验证工作还在继续.     

MODIS陆地气溶胶遥感反演

利用卫星数据遥感陆地气溶胶一直是国际上研究的难点与热点. 利用新一代传感器MODIS(中分辨率成像光谱仪)数据, DDV(Dark Dense Vegetation)算法反演陆地气溶胶的分布以及性质已经取得了较好的效果. 然而, 该算法只适用于诸如水体、浓密植被等较低地表反射率区域, 大大限制了该算法的实际应用范围, 尤其是无法应用于城市等亮地表区域气溶胶的遥感反演. 文中提出了基于利用TERRA和AQUA双星MODIS数据的协同反演模型算法(SYNTAM-Synergy of Terra and Aqua MODIS), 用以反演陆地气溶胶的光学厚度等信息. 该算法实现了地表反射率与气溶胶光学厚度的同时反演, 可应用于各种地表反射率类型, 包括城市等亮地表区域. 通过与国际AERONET的地面观测数据对比做初步的反演验证, 结果表明, 该算法具有较高的精度, 进一步的验证工作还在继续.     

星载微波SSM/I多时相辐射观测的特征指数监测与评估2003年7月中国淮河流域汛情

由辐射传输方程推导星载被动微波遥感SSM/I辐射观测的极化指数PI,凸现地表土壤湿度的变化与距平异常ΔnPI,用特征性指数PI、ΔnPI和散射指数SI来监测大尺度陆地地面的降雨和地区土壤湿度、洪涝汛情的变化.用中国淮河流域7年同月SSM/I观测数据的平均<PI>,洪涝期间的PI,ΔnPI和SI监测该流域2003年7月的洪涝汛情.提出距平异常值指数K分布,定量评估了洪涝汛情的范围和程度.     

CMAQ模式卫星产品源同化模型及其在空气质量预报中的应用研究

对比分析了2006年1月和8月华北地区OMINO2卫星遥感二级产品和NO2实测浓度变化趋势的一致性,重点构建了CMAQ空气质量模式卫星遥感产品源同化模型,采用变分订正方法和CMAQ卫星遥感产品源同化技术方案探讨了华北地区冬夏季OMI高分辨率柱浓度卫星资料在空气质量数值预报中的应用.分析结果表明,无论冬季还是夏季,华北地区NO2实测浓度与OMINO2卫星遥感柱浓度的变化趋势具有较好的一致性,两者的相关性较显著,该卫星资料可适用于华北地区卫星遥感-地面观测综合变分分析;经过线性和变分订正后,北京周边地区OMINO2柱浓度的空间分布特征与实测值分布一致,而且可清晰反映出NO2空间分布特征,即NO2的城市局地污染特征较明显.经变分订正的OMINO2柱浓度的空间分布特征可看出,北京的西南、东南地区污染源对北京地区的NO2浓度的影响较大.采用高分辨率的OMINO2卫星遥感资料同化修正排放源时,WRF-CMAQ模式对于华北地区冬、夏季NO2浓度水平预报和趋势预报可取得较显著的改善效果.采用经变分订正的、高分辨率的OMINO2卫星遥感资料进行源同化时,可模拟得到与实测浓度分布较一致的、高分辨率的NO2浓度信息,弥补了采用地面...     

基于MODIS数据的全国144个重点湖库营养状态监测:以2018年夏季为例

随着经济社会的快速发展和进步,我国湖库水体富营养化情况越来越严重.卫星遥感在水体营养状态监测方面具有重要潜力,但基于卫星遥感的全国范围内湖库水体营养状态监测和分析方面还鲜有研究.本文基于2018夏季的MODIS卫星遥感数据生产FUI指数产品,构建基于FUI水色指数的湖库营养状态评价方法,监测全国范围内144个重点湖库水体的营养状态等级.结果表明：贫营养、中营养、富营养的湖库比例分别为16%、24%、60%;营养状态在空间上分布不均匀,总体上呈现东高西低的现象;东北山地与平原和东部平原湖区以富营养状态水体为主;西部湖库水体以贫到中营养状态为主,尤其是青藏高原湖区贫营养比例比较高;海拔和地表温度等自然因素与工业点源和农业面源污染等人为因素是湖库营养状态的重要影响因素.     

中国东北半干旱区能量水分循环的同化模拟

使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义．     

基于NIR-Red光谱特征空间的土壤水分监测新方法

干旱是一种频繁发生的自然灾害, 而土壤水分作为干旱监测最重要的指标, 一直成为干旱遥感监测研究的重点内容. 利用经过几何精校正和大气校正的ETM＋近红外(Nir)、红光(Red)波段反射率建立Nir-Red光谱特征空间, 根据土壤水分在该特征空间的分布规律, 提出了遥感监测土壤水分的新方法, 并建立了基于Nir-Red光谱特征空间的土壤水分监测模型(SMMRS). 利用野外测定的不同深度土壤水分数据验证了SMMRS模型. 计算结果表明SMMRS模型观测值变化曲线和实测土壤水分变化趋势保持一致, 与5 cm和0~20 cm平均土壤水分相关系数分别为0.80和0.87. 认为基于Nir-Red光谱特征空间的SMMRS简单、易于构建, 有一定的应用价值和推广意义.     

基于遥感的雄安新区地表水时序变化与区域规划研究

以1970年-2019年KH、Spot-1、Landsat-5/7、ALOS-1 PALSAR-1、Sentinel-1 A、GF-2共30期卫星遥感影像为数据源,使用基于平均强度图阈值分割、面向对象的多尺度分割算法、NDWI波段指数的遥感解译数据,结合区域地质地貌形态成因特征,开展了雄安新区长时间序列地表水及敏感地质地貌分析.结果 表明:(1)卫星遥感影像数据能够有效圈画地表水空间分布,并通过近50年长时间序列地表水空间分析,划定5处白洋淀地区往年最大淹没区范围;(2)基于高分辨率遥感影像纹理信息和敏感地质地貌特征划定雄安新区2处河口三角洲和河漫滩范围;(3)建议上述7处划定区域谨慎开展大规模城镇化建设,推荐作为景观用地及生态涵养区等进行规划统筹.研究表明,卫星遥感技术及其发展能够发挥"天眼"优势,为白洋淀水域治理与保护、大规模城建物的选址、绿色生态涵养区的规划等雄安新区功能区规划与环境治理提供技术支撑,而且能够进一步支持雄安新区的动态地理空间规划与建设.     

基于简化参数方法的蒙古干旱区土壤湿度被动微波遥感

卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm³/cm³, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料.