本發(fā)明屬于水文計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于遙感的流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量估算方法。

背景技術(shù)：

水是生命之源，生產(chǎn)之要，生態(tài)之基。自然環(huán)境的維護(hù)和人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展均離不開(kāi)水資源。然而，氣候、地理等諸多條件決定了我國(guó)的水資源時(shí)空分布極度不均。因此，合理配置、利用水資源具有極其重要的意義。在水資源供給與配置中，“按需分配”是基本原則。水資源管理的最佳尺度為流域或區(qū)域尺度，針對(duì)一個(gè)區(qū)域的未來(lái)水資源配置方案，通常基于該區(qū)域歷史水資源消耗量進(jìn)行計(jì)算、制定。植被生態(tài)系統(tǒng)(包括天然植被生態(tài)系統(tǒng)和人工植被生態(tài)系統(tǒng))作為“耗水大戶”，消耗的水資源占消耗總量的70％左右。因此在制定水資源配置方案時(shí)，植被生態(tài)系統(tǒng)的水資源需求不容忽視。

合理、優(yōu)化的水資源配置方案對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的維持具有十分重要的意義。隨著黨中央和各級(jí)人民政府對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的日益重視，準(zhǔn)確估算植被生態(tài)系統(tǒng)的需水量顯得格外重要。由于旱季水資源相對(duì)匱乏，而植被恰好處于生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，因此旱季生態(tài)系統(tǒng)耗水量的估計(jì)顯得尤為重要。

目前，針對(duì)植被耗水，水利工作者已研發(fā)了作物系數(shù)模型、控制點(diǎn)模型等計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行估算。這些系統(tǒng)多基于單株植物或是田塊進(jìn)行計(jì)算，雖然原理簡(jiǎn)單，但是存在幾個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：(1)結(jié)果難以拓展到大面積區(qū)域(如流域、區(qū)域等)，對(duì)水資源配置方案制定的參考價(jià)值有限；(2)計(jì)算過(guò)程引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，缺乏物理機(jī)制，精度較低；(3)輸入數(shù)據(jù)難以獲取；(4)計(jì)算體系結(jié)果無(wú)法驗(yàn)證。此外，已有系統(tǒng)還存在輸出結(jié)果用途單一、計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、難以程序化等諸多缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：對(duì)于區(qū)域或者流域尺度，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)植被耗水的精確估算。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于遙感的流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量估算方法，其包括以下步驟：

步驟一：數(shù)據(jù)獲取

獲取目標(biāo)流域至少一年來(lái)日平均降雨量、日平均雪蓋厚度、歸一化植被指數(shù)旬值、日平均徑流數(shù)據(jù)、研究區(qū)域經(jīng)緯度五類(lèi)數(shù)據(jù)；

步驟二：數(shù)據(jù)切割及格式統(tǒng)一

將所獲得的五類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，并將數(shù)據(jù)覆蓋范圍轉(zhuǎn)換為研究區(qū)域；

步驟三：作圖法求流域植被旱季耗水量

(1)基于步驟二中得到的數(shù)據(jù)，求取逐日流域平均降雨量P

其中，P_i,j為研究區(qū)域內(nèi)任一柵格的日降雨量，n為研究區(qū)域內(nèi)所有的柵格數(shù)；

(2)求取逐日流域平均凈雨P(guān)_E,d

P_E,d＝P-E_i

其中，E_i為植被冠層截留量；

(3)基于步驟二中得到的日平均雪蓋厚度，求取逐日流域平均融雪水SW_d,i

其中，H_s是雪蓋厚度，ρ_s是積雪密度，ρ_w是融雪水密度，下標(biāo)i表示第i天，i+1表示第i+1天，以此類(lèi)推；

(4)基于P_E,d和SW_d,i求和，獲得逐日流域平均降水，累加逐日流域平均降水，獲得流域累積降水，即流域累積入流量，并繪制流域累積入流量曲線；

(5)基于步驟一中收集的徑流數(shù)據(jù)，求和獲得流域多年徑流量R，根據(jù)水量平衡原理，多年累積入流量減去多年徑流量即為多年耗水量，根據(jù)下式計(jì)算流域日平均耗水量E_ta，繪制流域日平均耗水直線：

式中，N為研究時(shí)段的總天數(shù)；

(6)計(jì)算流域旱季日平均耗水量，繪制流域旱季日平均耗水直線：

式中，E_td是流域旱季日平均耗水量，F(xiàn)_a和F_d分別是流域年平均植被蓋度和流域旱季平均植被蓋度；V是歸一化植被指數(shù)旬值，V_n和V_x分別為一個(gè)區(qū)域的歸一化植被指數(shù)的最小值和最大值。

用(6)中獲得的流域旱季日平均耗水直線的平行線切(4)中獲得的流域累積入流曲線，求取兩根切線之間的距離，及可得該年流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量Sr。

其中，所述步驟一中，日平均降雨量數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為3小時(shí)，空間分辨率為11km，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為全國(guó)；日平均雪蓋厚度數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1天，空間分辨率為25km，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為全國(guó)；歸一化植被指數(shù)旬值的時(shí)間分辨率為8天，空間分辨率為1km，數(shù)據(jù)覆蓋范圍為全國(guó)；日平均徑流數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1天；研究區(qū)域經(jīng)緯度空間分辨率為1km。

其中，所述步驟二中，根據(jù)研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，確定研究區(qū)域內(nèi)的所有柵格，將日平均降雨量、日平均雪蓋厚度、歸一化植被指數(shù)旬值均轉(zhuǎn)化為txt格式，數(shù)據(jù)覆蓋范圍也由全國(guó)轉(zhuǎn)化為研究區(qū)。

其中，所述步驟(2)中，E_i取1.6；所述步驟(6)中，V_n和V_x分別取0.15和0.85。

(三)有益效果

上述技術(shù)方案所提供的基于遙感的流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量估算方法，能夠在流域尺度計(jì)算植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量，填補(bǔ)現(xiàn)有空白。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行耗水量估算的方法圖示。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

基于現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明方法的思路為：植被根區(qū)土壤在降水量較大時(shí)儲(chǔ)存多余的水分，水分不足時(shí)為植被提供水分；基于水量平衡原理，由逐日降雨量扣除填洼、截留和徑流得到累積入流量，進(jìn)一步計(jì)算干旱期植被耗水量；通過(guò)建立氣象(降雨及融雪)、水文(徑流)和生態(tài)(植被)之間的關(guān)系，估計(jì)流域尺度土壤水分情況。

具體地，本發(fā)明實(shí)施例流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量估算方法包括以下步驟：

步驟一：數(shù)據(jù)獲取

獲取目標(biāo)流域至少一年來(lái)日平均降雨量、日平均雪蓋厚度、歸一化植被指數(shù)旬值(NDVI)、日平均徑流數(shù)據(jù)、研究區(qū)域經(jīng)緯度五類(lèi)數(shù)據(jù)。

上述五類(lèi)數(shù)據(jù)可以通過(guò)水文數(shù)據(jù)記載記錄進(jìn)行查詢或者通過(guò)其他方式來(lái)獲得，五類(lèi)數(shù)據(jù)的詳細(xì)要求分別描述如下。

(1)日平均降雨量

日平均降雨量數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為3小時(shí)，即每三小時(shí)一個(gè)降雨量數(shù)據(jù)；空間分辨率為11km，即研究區(qū)域被劃分為若干個(gè)變長(zhǎng)為11km的正方形柵格，類(lèi)似于數(shù)碼相機(jī)拍出來(lái)的照片其實(shí)都是由一個(gè)一個(gè)像素組成的，每一個(gè)柵格的中心點(diǎn)的經(jīng)緯度是已知的。數(shù)據(jù)格式為NetCDF文件，覆蓋范圍為全國(guó)。

(2)日平均雪蓋厚度

雪蓋厚度數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1天，空間分辨率為25km。數(shù)據(jù)格式為T(mén)IFF文件，覆蓋范圍為全國(guó)。

(3)歸一化植被指數(shù)旬值

NDVI數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為8天，空間分辨率為1km。數(shù)據(jù)格式為T(mén)IFF文件，覆蓋范圍為全國(guó)。

(4)日平均徑流數(shù)據(jù)

徑流數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1天，該數(shù)據(jù)為站點(diǎn)數(shù)據(jù)，不存在空間分辨率。數(shù)據(jù)格式為ASCII碼(.txt文件)。

(5)研究區(qū)域經(jīng)緯度

研究區(qū)域經(jīng)緯度空間分辨率為1km，數(shù)據(jù)格式為txt文件。

步驟二：數(shù)據(jù)切割及格式統(tǒng)一

根據(jù)研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，確定研究區(qū)域內(nèi)的所有柵格(因?yàn)槊總€(gè)柵格的經(jīng)緯度都是已知的，而研究區(qū)域的經(jīng)緯度范圍也是已知的，所以可以確定研究區(qū)范圍內(nèi)所有的柵格)，將日平均降雨量、日平均雪蓋厚度、歸一化植被指數(shù)旬值均轉(zhuǎn)化為txt格式，數(shù)據(jù)覆蓋范圍也由全國(guó)轉(zhuǎn)化為研究區(qū)域。

步驟三：作圖法求流域植被旱季耗水量

其中，下述步驟(1)-(4)求取流域累積入流曲線，(5)-(6)求取流域旱季日平均耗水直線。

(1)基于步驟二中獲取的數(shù)據(jù)，求取逐日流域平均降雨量P，即將研究區(qū)域內(nèi)所有柵格的日降雨量求和后再除以柵格數(shù)：

其中，P_i,j為研究區(qū)域內(nèi)任一柵格的日降雨量，n為研究區(qū)域內(nèi)所有的柵格數(shù)。

(2)求取逐日流域平均凈雨P(guān)_E,d，即逐日流域平均降雨量P減去植被冠層截留量E_i，本實(shí)施例中E_i取1.6；

P_E,d＝P-E_i

(3)基于步驟二中獲取的日平均雪蓋厚度，求取逐日流域平均融雪水SW_d,i。下式中H_s是雪蓋厚度，ρ_s是積雪密度，ρ_w是融雪水密度。下標(biāo)i表示第i天，i+1表示第i+1天，以此類(lèi)推。

(4)基于P_E,d和SW_d,i求和，獲得逐日流域平均降水(降水和降雨并不相同，降水包括降雨和降雪的融水)，累加逐日降水，獲得流域累積降水，即流域累積入流量，繼而繪制流域累積入流量曲線。

(5)基于步驟一中收集的徑流數(shù)據(jù)，求和獲得流域多年徑流量R，根據(jù)水量平衡原理，多年累積入流量減去多年徑流量即為多年耗水量。根據(jù)下式計(jì)算流域日平均耗水量E_ta，繪制流域日平均耗水直線：

式中，N為研究時(shí)段的總天數(shù)。

(6)計(jì)算流域旱季日平均耗水量，繪制流域旱季日平均耗水直線：

式中，E_td是流域旱季日平均耗水量，F(xiàn)_a和F_d分別是流域年平均植被蓋度和流域旱季平均植被蓋度。V是NDVI，V_n和V_x分別為一個(gè)區(qū)域的歸一化植被指數(shù)的最小值和最大值，為固定值，本實(shí)施例分別取0.15和0.85。

用(6)中獲得的流域旱季日平均耗水直線的平行線切(4)中獲得的流域累積入流曲線，如圖1所示，求取兩根切線之間的距離，及可得該年流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量Sr。

獲得目標(biāo)流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量之后，可以進(jìn)行以下應(yīng)用。

一、基于未來(lái)流域植被旱季耗水量預(yù)測(cè)的干旱災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)

基于大氣環(huán)流模型(GCM，Global Circulation Model，這是一種用于預(yù)報(bào)未來(lái)氣候的模型，輸出的模擬結(jié)果包含降雨、氣溫等眾多氣象要素，其實(shí)就是一種大型軟件，需在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行)輸出的降雨、降雪、氣溫?cái)?shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)水文模型，獲得模擬徑流量。在此基礎(chǔ)上重復(fù)步驟1-4，對(duì)未來(lái)某一年的流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量Sr進(jìn)行預(yù)測(cè)，若耗水量預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)高于歷史值，則發(fā)出干旱災(zāi)害預(yù)警。為未來(lái)水資源配置、應(yīng)對(duì)干旱等提供科學(xué)依據(jù)。

二、基于GCM不同情景下(如溫室氣體排放量增加、溫室氣體排放量不變等)的輸出氣象要素，驅(qū)動(dòng)水文模型，獲得模擬徑流量。在此基礎(chǔ)上重復(fù)步驟1-4，獲得不同溫室氣體排放情景下的流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量Sr估計(jì)值。基于此，預(yù)測(cè)不同溫室氣體排放程度下流域植被生態(tài)系統(tǒng)旱季耗水量，若溫室氣體排放量達(dá)到一定程度，使得流域植被旱季耗水劇烈增加，則發(fā)出預(yù)警，調(diào)控溫室氣體排放量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。