夏季黑河流域蒸散发量卫星遥感估算研究

依据空气动力学方法和蒸散发量时间尺度扩展方案,利用MODIS资料和气象资料,计算中国西北内陆河黑河流域复杂地形下,2004年夏季7月蒸散发量空间分布及总量。利用Landsat-5TM资料对比分析发现,估算地表水热传输过程时,采用高分辨率遥感资料的估算结果受下垫面非均匀性影响程度,明显小于采用中分辨率资料。通过"金塔实验"湍流观测资料验证表明,利用高分辨率资料估算日蒸散发量的相对误差在10%以内。对月蒸散发量计算分析表明,黑河流域海拔2000m以上祁连山区,7月平均蒸散发量是海拔2000m以下山前地区的2.2倍,而山前平原区绿洲(NDVI>0.10区域)平均蒸散发量又是荒漠戈壁地区的12.3倍。因此,流域中下游绿洲地区特别是农业灌溉区是夏季主要水资源消耗区。     

Assessing the consistency between AVHRR and MODIS NDVI datasets for estimating terrestrial net primary productivity over India

This study examines the consistency between the AVHRR and MODIS normalized difference vegetation index (NDVI) datasets in estimating net primary productivity (NPP) and net ecosystem productivity (NEP) over India during 2001–2006 in a terrestrial ecosystem model. Harmonic analysis is employed to estimate seasonal components of the time series. The stationary components (representing long-term mean) of the respective NDVI time series are highly coherent and exhibit inherent natural vegetation characteristics with high values over the forest, moderate over the cropland, and small over the grassland. Both data exhibit strong semi-annual oscillations over the cropland dominated Indo-Gangetic plains while annual oscillations are strong over most parts of the country. MODIS has larger annual amplitude than that of the AVHRR. The similar variability exists on the estimates of NPP and NEP across India. In an annual scale, MODIS-based NPP budget is 1.78 PgC, which is 27% higher than the AVHRR- based estimate. It revealed that the Indian terrestrial ecosystem remained the sink of atmospheric CO ₂ during the study period with 42 TgC y ^?1 NEP budget associated with MODIS-based estimate against 18 TgC y ^?1 for the AVHRR-based estimate.     

MODIS在水文水资源中的应用与展望

MODIS是新一代遥感技术,其遥测数据与其他单独的遥感平台(如NOAA和Land Sat)所获得的数据相比,具有免费、较高时间分辨率(0.5d)、空间分辨率(250m)和光谱分辨率(波谱范围0.4～14μm,36个光谱通道)等优势和特点.详细介绍了国内外的研究现状,着重对MODIS在洪水过程和洪灾范围实时动态监测、冰川和积雪、降水、植被、土壤水分、蒸发、水文模型、水质等方面的应用和研究进展进行了评述,指出MODIS在水文水资源中具有广阔的应用前景.     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

草地植被盖度的多尺度遥感与实地测量方法综述

植被盖度作为一个重要的生态学参数被用在许多气候模型和生态模型中。地表实测和遥感测量是获取植被盖度的两种基本途径。以草地植被盖度的测量为研究对象,综合讨论了目前地表实测和遥感测量常用的方法,分析了它们的优缺点,并对如何提高草地植被盖度的测量精度做出展望。数码相机、高光谱遥感以及多尺度遥感数据的综合使用可能是未来草地植被盖度测量发展的趋势。     

Study on Precipitation Image Downscaling Based on the Method of Ill-posed Problems Solving

Downscaling of remote sensing precipitation products and the forecasting of circulation model are always the intense interests in hydrology and meteorology. The essence of downscaling is primarily to enhance resolution of observation or simulated rainfall field, and to appropriately increase its details or high frequency characteristics. Precipitation, as the main driving factors of the earth’s hydrologic cycle, not only affects the moisture and heat condition of a certain river basin, but also affects the global water and heat circulation. Based on the properties of rainfall self-similarity structure, the mathematically ill-posed precipitation problem solving method was used in low resolution downscaling precipitation for high resolution reconstruction. When solving the downscaling ill-posed problem, the greedy method of orthogonal matching pursuit was introduced so as to get the best high-resolution estimation in an optimal sense. It is hard to imagine that we might be able to find very similar (in mathematical norms) precipitation patterns over relatively large storm-scales. However, finding similar features over sufficiently small sub-storm scales seems more feasible. Based on the characteristics that small scale organized precipitation features tend to recur across different storm environments, the precipitation of both high and low resolution was obtained by training, which could be used to reconstruct the desired high-resolution precipitation field. Multi-source merged precipitation products were used in this experiment. Given the consideration of incompleteness of merged precipitation dataset, it was firstly interpolated based on the method of Fields of Experts (FoEs), which could solve the problem that common interpolation method could hardly work on the interpolation for dataset where consecutive missing data exists. Secondly, ideal experiments of precipitation products downscaling were carried out, where smooth coupling sampling and resampling operator were adopted respectively. Assessment based on the metrics of fidelity and spatial structural similarity demonstrates that the method used in this paper is feasible.     

基于遥感的区域蒸散量监测方法——ETWatch

ETWatch是用于区域蒸散遥感监测的业务化运行系统,集成了具有不同应用优势的遥感蒸散模型,并以Pen-man-Monteith公式为基础建立下垫面表面阻抗估算方法,利用逐日气象数据与遥感反演参数,获得逐日连续的蒸散分布图。所生成的从流域级到地块级的数据产品能动态反映区域蒸散发的时空变化规律。基于ETWatch方法,对2002-2005年海河流域和河北省馆陶县的蒸散状况进行了连续监测。利用地面观测资料对蒸散遥感监测产品的验证表明,涡度相关观测数据能量闭合率在0.9以上时,1 km级的日蒸散结果的平均偏差约10%;对于地块级(30 m)的ET,受混合像元的影响,相对于土壤水分消耗法测量的作物蒸散发,遥感监测作物蒸散发的平均误差在12.7%左右。     

A SOAP Web Service for accessing MODIS land product subsets

Remote sensing data from satellites have provided valuable information on the state of the earth for several decades. Since March 2000, the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) sensor on board NASA’s Terra and Aqua satellites have been providing estimates of several land parameters useful in understanding earth system processes at global, continental, and regional scales. However, the HDF-EOS file format, specialized software needed to process the HDF-EOS files, data volume, and the high spatial and temporal resolution of MODIS data make it difficult for users wanting to extract small but valuable amounts of information from the MODIS record. To overcome this usability issue, the NASA-funded Distributed Active Archive Center (DAAC) for Biogeochemical Dynamics at Oak Ridge National Laboratory (ORNL) developed a Web service that provides subsets of MODIS land products using Simple Object Access Protocol (SOAP). The ORNL DAAC MODIS subsetting Web service is a standard based way of serving satellite data that exploits a fairly established and popular Internet protocol to allow users access to massive amounts of remote sensing data. The Web service provides MODIS land product subsets up to 201 × 201 km in a non-proprietary comma delimited text file format. Users can programmatically query the Web service to extract MODIS land parameters for real time data integration into models, decision support tools or connect to workflow software. Information regarding the MODIS SOAP subsetting Web service is available on the World Wide Web (WWW) at .     

基于多尺度遥感数据估算地表通量的方法及其验证分析

地表水热通量(显热通量、潜热通量)的遥感估算在全球气候变化、水资源、生态环境等研究领域具有重要的应用价值.MODIS数据的空间分辨率较低(热红外波段星下点为1 km),而地球表面的几何物理属性又具有高度非均匀性,因而在实际应用中面临较严重的尺度问题.探讨了多源卫星数据(中高分辨率Landsat TM与中低分辨率MODIS)相结合佑算像元通量的2种方法,分别利用高分辫率的地表分类及植被指数信息在混合像元内部进行亚像元处理,以提高非均匀地表混合像元的通量估算精度.研究数据来自于2008年黑河流域综合实验获取的遥感数据和辅助数据,验证数据来自于实验期间获取的不同下垫面的地表通量数据,包括涡度相关(EC)数据,以及大孔径闪烁仪(LAS)数据.计算结果表明,2种方法皆可在下垫面不均匀或者地表类型较复杂的情况下得到比较明显的纠正效果,纠正后的通量与观测更加接近.相比之下,利用植被指数分解温度的方法适用性更广,纠正效果更好.在地面验证中,对比分析了EC和LAS数据在TM尺度和MO-DIS尺度通量验证的适用性.LAS数据测量尺度与MODIS卫星像元尺度相匹配,可以直接验证MODIS通量计算结果,EC数据虽然可以直接验证TM计算的通量,但与MODIS数据对比,还需要进行尺度转换,即先用EC验证TM通量,然后将TM通量降尺度,与MODIS进行对比.最后对利用LAS验证通量的不确定性进行了分析,发现图像中LAS测点的几何定位误差以及LAS测量路径中像元的选取都对验证结果有一定影响.     

基于多源遥感数据的青藏高原植被变化特征评价

近几十年来青藏高原升温速率约为全球同期升温速率的2倍,对植被产生了巨大影响,给脆弱的生态环境增加了许多不确定因素,准确评估该地区植被变化显得尤为重要。不同的卫星遥感数据源对评估结果带来一定的不确定性,而过去对多源数据在该地区评估的差异性研究尚不清晰。利用MODIS、GIMMS和SPOT的NDVI数据集通过Theil-Sen趋势估计和Mann-Kendall趋势检验对2000—2014年青藏高原地区的植被变化进行分析,并对不同数据之间的差异性进行评价。结果表明：SPOT NDVI反映的植被绿化显著且迅速,27.44%的像元显著绿化,分别超出MODIS与GIMMS NDVI 4.10%、15.89%,生长季显著绿化趋势达到0.0182 （10a）^-1,高于其他数据0.0078~0.0090 （10a）^-1。MODIS NDVI随着分辨率的提高,显著绿化的像元占比与绿化趋势却逐渐降低;MODIS数据之间显著绿化的像元占比相差不足2.80%。GIMMS NDVI显著褐化的像元占比平均达5.83%,超出其他数据3.37%~5.51%,在春季显著褐化像元最多（7.88%）,与显著绿化像元占比相当。区域平均NDVI具有最小的显著绿化趋势［0.0092 （10a）^-1］,并在春、夏两季表现为植被褐化。因此,基于GIMMS NDVI探究青藏高原植被变化特征时,特别是对春季物候研究,可能会造成结果较大的不确定性。而SPOT与MODIS NDVI体现了较高的一致性,可以互为补充,探究高原植被变化。     

区域蒸散发遥感估算方法及验证综述

蒸散发是地表水热平衡的重要参量,也是农作物生长状况和产量的重要指标。与传统的蒸散发计算方法相比,遥感技术经济、适用、有效,在非均匀下垫面的区域蒸散发监测上具有明显的优越性。系统回顾了5种常用的区域蒸散发遥感估算方法,包括经验统计模型、与传统方法相结合的遥感模型、地表能量平衡模型、温度—植被指数特征空间模型以及陆面过程与数据同化等,分析了这些模型的最新研究进展及各自的优缺点,并对地表蒸散发的地面验证方法进行了概述。最后简要分析了区域蒸散发遥感估算存在的问题,并展望了其未来发展趋势。多源遥感数据协同反演与非遥感参数遥感化、蒸散发模型改进与多模型集成、陆面过程与遥感数据同化、遥感蒸散发估算及地面验证中的尺度问题与空间代表性问题研究等将会是未来区域蒸散发研究中的重点发展方向。     

基于计算机模拟的植物返青期遥感监测方法比较研究

植物返青期变化与气象和气候因素密切相关,已成为研究全球变化对陆地生态系统影响和反馈机理的一个重要参数。利用遥感手段及时准确地监测区域及全球尺度植物返青期变化,是当前地学、生态学研究的一个前沿课题。但是目前国内外对植物返青期遥感监测方法缺乏有效比较,还没有形成统一认识。因此,在综述植物返青期传统测量方法和遥感监测方法最新研究进展的基础上,利用计算机模拟手段,对目前常用的4种遥感监测方法（滑动平均方法、NDVI比率阈值方法、最大变化斜率方法及Logistic函数拟合方法）进行了比较研究。模拟结果表明：4种方法的返青期计算值最大相差20天,突出反映了它们在构建原理方面的差别,即滑动平均方法将NDVI突增点对应的时期作为植物返青期;NDVI比率阈值方法将最大上升斜率点对应的时期作为植物返青期;最大变化斜率方法将NDVI数据斜率角变化最大的点对应的时期作为植物返青期;Logistic函数拟合方法则将拟合曲线上曲率变化最大的点对应的时期作为植物返青期;同时,4种方法所得返青期均满足一个共同的特点,即返青期之后NDVI曲线应保持最大持续增长。该研究也表明计算机模拟技术在帮助认识和理解植物返青期遥感监测方法中的巨大潜力。     

生态系统碳通量估算中耦合涡度协方差与遥感技术研究进展

陆地生态系统CO^₂和水热通量的长期观测研究一直是国际上关注的热点问题。截止目前,利用微气象学原理的涡度协方差技术是唯一能直接测定生物圈与大气间物质与能量通量的标准方法,成为国际通量观测网络的主要技术。但是涡度协方差技术的测定仍然是一种小尺度观测方法,其观测结果难于直接外推到更大尺度。同时,缺乏区域、跨尺度生态系统及其时空动态观测数据一直是限制碳循环研究的主要障碍,而遥感技术的发展可望在不远的将来使大尺度、高分辨生态系统变化的长期定量观测成为可能。这些问题在当今集中体现在如何建立通量—遥感的跨尺度观测体系,并有效地将有限的通量站点测量数据与大尺度遥感资料以及生态模型有机地结合。总结过去耦合涡度协方差技术与遥感技术的工作,主要在以下3个层面展开：①涡度协方差技术与遥感技术对碳通量估算的相互验证;②涡度协方差技术为遥感反演提供地面参数;③遥感观测解译辅助分析通量贡献区（footprint）。集中在这3个方面进行探讨,通过总结各方面的研究特点与进展,可望为未来在这个领域开展工作理顺思路。     

一种简化的MODIS亚像元积雪信息提取方法

遥感技术已逐步成为大范围内积雪信息提取的主要手段,但通常的遥感积雪像元识别算法使用二值判定的模式,这对于山区非连续分布的积雪监测能力较差.针对目前应用广泛的MODIS传感器数据,充分利用了雪盖指数在积雪监测中的重要性,并在考虑了地表覆盖的情况下,建立了像元雪盖率与雪盖指数、植被指数之间的线性关系模型,并利用ETM+数据对模型估算的雪盖率进行了验证.结果表明,该方法能有效地提取亚像元尺度的积雪信息.     

水均衡法验证蒸散量计算的可靠性——以张掖盆地为例

蒸散量的计算方法有很多种,表面能量平衡系统(SEBS)是近年来应用较为广泛的计算蒸散量的方法之一。SEBS是应用卫星对地观测的可见光、近红外和热红外波段资料,结合实测气象数据或大气模式输出数据,根据表面能量平衡原理估算不同尺度的地表大气湍流通量,从而估算地表相对蒸散的一种方法。将水文数据与遥感数据相结合,运用SEBS方法对张掖盆地的区域蒸散量进行了估算,并在水均衡原理的基础上,对蒸散量计算结果的准确性进行了验证。结果表明:SEBS方法计算的蒸散量与水均衡法计算出的蒸散量结果吻合较好,从而验证了SEBS方法计算盆地蒸散量的准确性。     

MODIS地表温度产品在青藏高原连续多年冻土区的适用性分析

利用自动气象站观测的长波辐射计算得到的地表温度对MODIS地表温度(LST)产品在青藏高原中部连续多年冻土区的精度进行验证, 并利用具有较高空间分辨率的Landsat 5 TM和Landsat 7 ETM+反演的地表温度与MODIS LST产品进行了对比分析. 结果表明: 白天MODIS LST产品的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别约为3.42~4.41 ℃和4.41~5.29 ℃, 夜晚MODIS产品MAE和RMSE分别为2.15~2.90 ℃和3.05~3.78 ℃, 精度高于白天; MODIS LST与TM、ETM+反演的地表温度一致性较好, 相关系数分别达到0.85和0.95. 说明MODIS LST产品在连续多年冻土区的适用性较高, 是研究多年冻土地表热状况的一个非常好的数据源. 而且, 不同空间尺度的遥感数据之间一致性较好, 可考虑将多源遥感数据应用于多年冻土热状况监测研究.     

基于地面观测的遥感监测蒸散量验证方法研究

为了保证遥感监测蒸散量的准确性,需建立一套较完整的遥感监测蒸散量地面验证方法对其进行验证.通过由大孔径闪烁仪、涡动相关仪和自动气象站等组成的蒸散量观测系统可以获取不同卫星像元尺度蒸散量的地面观测值.自2002年以来,由海河流域的密云、馆陶、大兴及小汤山等站构建了一个不同卫星像元尺度蒸散量的观测站网,经过严格的观测数据处理与质量控制,获取了一大批卫星像元尺度蒸散量及其配套参数的地面观测值.同时,建立了一套基于地面观测的遥感监测蒸散量验证流程,重点对验证像元的选取以及评价指标的构建等进行探讨.依据上述验证流程,在海河流域的北京地区开展了遥感监测蒸散量的地面验证工作.利用2008年密云站和大兴站的大孔径闪烁仪观测数据,对基于MODIS数据估算的北京地区区域蒸散量进行验证.结果表明:这套基于大孔径闪烁仪观测数据的遥感监测蒸散量验证方法是合理、可行的.其中2008年北京地区遥感监测月、日蒸散量的均方差分别为13.75和0.91 mm,平均相对误差分别为22.79%、18.61%.     

格尔木河流域植被指数时空分布及其影响因素研究

格尔木河流域气候干旱少雨,生态环境较脆弱,植被动态对其生态环境保护具有重要意义。基于连续序列的MODIS NDVI数据,分析了格尔木河流域植被指数时空分布及其影响因素。结果表明:研究区NDVI平均值总体较小,主要在0.10～0.12间波动,但呈增大趋势。区内植被改善区分布在格尔木市东、西两侧,基本不变区为荒漠地区,植被退化区分布在北部盐湖区。区内裸土的面积逐渐减小,低覆盖率和高覆盖率植被的面积逐渐增加。研究区植被生长与气象、土壤水分和地下水位埋深都有关系。气温与植被指数相关关系较好,相关系数为0.822,而降水对植被的生长也有一定的作用。植被指数与表观热惯量是正相关关系,相关系数为0.979。区内植被的地下水位埋深范围为0～12 m,在水位埋深约为6.5 m的地方,植被长势最好。     

Estimation of improved resolution soil moisture in vegetated areas using passive AMSR-E data

Microwave remote sensing provides a unique capability for soil parameter retrievals. Therefore, various soil parameters estimation models have been developed using brightness temperature (BT) measured by passive microwave sensors. Due to the low resolution of satellite microwave radiometer data, the main goal of this study is to develop a downscaling approach to improve the spatial resolution of soil moisture estimates with the use of higher resolution visible/infrared sensor data. Accordingly, after the soil parameters have been obtained using Simultaneous Land Parameters Retrieval Model algorithm, the downscaling method has been applied to the soil moisture estimations that have been validated against in situ soil moisture data. Advance Microwave Scanning Radiometer-EOS BT data in Soil Moisture Experiment 2003 region in the south and north of Oklahoma have been used to this end. Results illustrated that the soil moisture variability is effectively captured at 5 km spatial scales without a significant degradation of the accuracy.     

基于涡动相关仪验证的SEBS模型对黑河中游地表蒸散发的估算研究

在我国西北干旱和半干旱地区, 农业收获主要依靠灌溉保证, 灌溉绿洲的蒸散发(ET)是当地水资源的主要消耗. 通过遥感估算区域灌溉绿洲的ET对于地区合理利用水资源极其重要, 利用MODIS/Terra 影像, 基于物理过程的地表能量平衡模型(SEBS), 结合WRF模式输出的气候驱动数据和地面观测数据来估算黑河中游地区的地表通量和日蒸散发(ET_daily). 估算的ET用不同下垫面的涡动相关仪观测数据进行验证, 结果显示: SEBS模型估算的不同下垫面的ET_daily具有很好的拟合效果(R²=0.96, P<0.001), 在灌溉绿洲估算的ET_daily比实测值偏高, 说明干旱、半干旱地区灌溉绿洲土壤水分胁迫是影响ET的主要因素. 模型估算绿洲作物生长期间的ET_daily和实测的ET_daily平均相对误差为12.5%, 精度在观测的能量不闭合误差以内且精度比戈壁和沙漠地区高.