基于Landsat 8影像的策勒县域典型时期日蒸散量时空分布格局分析

陆 婷，郑江华，2

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)

基于Landsat 8影像的策勒县域典型时期日蒸散量时空分布格局分析

陆 婷1，郑江华1，2

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046)

目的估算地表蒸散量有利于水资源合理分配与管理，为水资源可持续发展提供依据。方法利用Landsat 8遥感数据集，在ENVI遥感图像处理软件的支持下，结合气温、风速、气压、日照时数等气象数据，应用SEBS模型估算2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日新疆策勒县的蒸散发量。结果估算结果时间上存在秋季<春季<夏季的变化规律，典型季节的4 d蒸散发量分别为：3.885，4.095，4.701和4.511 mm/d；其空间变化趋势为：北部荒漠区<南部山区<中部平原区。结论利用彭曼公式计算的结果与对SEBS的估算结果进行比较，SBES模型的结果是合理的。

Landsat 8；SEBS；蒸散发

0 引 言

【研究意义】估算地表能量通量是确定水圈、大气圈和生物圈之间的能量和物质交换的重要过程[1]。蒸散(Evapotranspiration，ET)包括土壤和水面的水分蒸发，以及植被的蒸腾，它是地表水量和热量平衡的重要参量，研究ET过程是深入认识陆面过程的基础[2，3]，有效地估算区域蒸散发，在水资源合理分配利用方面有重要的应用价值[4]。蒸散的估算主要有通过地表水分平衡模型估算和通过地表能量平衡来估算两种途径。通过地表能量平衡理论估算蒸散可以使用Penman-Monteith方程[5，6]，使用气象资料直接计算蒸散量或利用反演模型来估算蒸散量[7，8，9]。目前常见的以地表能量平衡为基础的模型主要有表面能量平衡系统(Surface Energy Balance System，SEBS)和陆面能量平衡算法(Surface Energy Balance Algorithm for Land，SEBAL)等模型(Bastiaanssen et al，1998a，1998b；Su and Jacobs，2001)。【前人研究进展】SEBS模型是由苏中波提出的[10]，在SEBAL基础上发展的遥感蒸散单层模型，估算精度较高，实用价值更好，近年来得到了广泛的应用[11]，例如李发鹏等[12]、赵军等[13]、金晓媚等[14]基于MODIS数据，应用SEBS模型，估算了各自研究区的区域蒸散发量并分析研究区ET的时空分布及影响因素。Ma等[15]利用ASTER数据和SEBS模型估算澳大利亚新南威尔士西南的Coleamball灌区的蒸散量，结合实地测量数据证明了SEBS模型在该研究估算的合理性。【本研究切入点】目前新疆相关蒸散的研究，其区域主要为较大空间范围区域，对于较小区域的遥感蒸散量估算较少。策勒县有典型的小型独立绿洲，在新疆具有较好的代表性，研究策勒县域蒸散量时空分布有利于绿洲的发展。【拟解决的关键问题】利用SEBS模型，使用30 m空间分辨率的Landsat 8影像和气象数据计算2016年典型时期策勒县域蒸散量并验证，表明SEBS模型在策勒县蒸散发估算具有一定的适用性，分析策勒县蒸散发时空分布和变化规律，为水资源可持续发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

策勒县位于昆仑山北麓，塔克拉玛干沙漠南缘，新疆西南部。地处80°03′E～82°10′E，35°17′N～39°30′N，最高海拔点6 810 m，最低海拔点1 380 m。策勒县地形南宽北窄，地势南高北低，坡降较急。南部为昆仑山区和山口冲积扇，中部为冲积平原，北部为沙丘与流动沙漠。属极端干旱型大陆荒漠气候，气候干燥，昼夜温差大，降水量少，蒸发量大，风沙灾害频繁。图1

图1 研究区示意
Fig.1 Study area

根据ILWIS(Integrated Land and Water Information System)软件中SEBS模块对参数的需要，所输入的数据包括遥感和气象两类，遥感数据为：地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn/)中ASTERMDEM高程以及2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日的Landsat 8影像，预处理后提取得到的地表参数，包括地表温度(K)、比辐射率、反射率、NDVI；气象数据为中国气象科学共享网(http：//data.cma.cn/)的卫星过境当天的温度、气压、风速、日照时数等。列出SEBS模型所输入数据。表1

1.2 方 法

1.2.1 SEBS模型原理

SEBS模型的基本原理是基于地表能量平衡，其在任意时刻可以表示为：

Rn=G0+H+λE.

(1)

式中：Rn为地表获得的净太阳辐射通量(w/rn2)；G0表示土壤热通量(w/m2)；λE为潜热通量(w/rn2)，λ为水的气化热，为常数2.49×106(J/kg)；E为蒸散率(kg/m2s)；H为感热通量(w/m2)又称显热通量。当式(1)中Rn、G0、H等计算后，可利用余项法得到潜热通量λE[16-20]。

SEBS模型基于地表能量平衡原理来估算区域单日蒸散量，模型的大致原理为：

(1)遥感数据反演获得的地表参数(如地表反照率、比辐射率、地表温度、NDVI等)；

(2)结合地面观测的气象数据(如气温、日照时间、风速、气压等)，估算区域尺度空气动力学参数(d0、z0m)、感热通量、地表净辐射；

(3)基于SEBS模型原理通过实际蒸发比得到区域尺度的蒸散发量[21]。

表1 SEBS模型输入数据
Table 1 The input parameters for SEBS

数据来源Datasources参数Parameter单位Unit中国气象科学共享网ChinaMeteorologicalAdministration气温℃气压Pa风速m/s日照时数hLandsat8NDVI-植被覆盖度-地表比辐射率-地表温度K地表反照率-ASTERDEMDEMm

1.2.2 蒸散量计算流程

使用Landsat 8卫星影像反演包括地表温度、地表反照率、NDVI、植被覆盖度等一系列地表参数，结合地面观测的气温、日照时间、风速、气压等气象资料，以及ASTGTM2 DEM高程，导入ILWIS软件中计算得到策勒县蒸散发的分布结果。图2

2 结果与分析

2.1 策勒绿洲蒸散量时空分布特征

SEBS模型计算得到的策勒县单日蒸散量分布显示，图3a、图3b、图3c、图3d分别表示3月27日、5月21日、7月24日、9月10日策勒县蒸散量，可看出估算结果存在着夏季>春季>秋季的变化规律。空间变化趋势为：北部沙漠区<南部山区<中部平原区。图3

研究表明，策勒县蒸散发时间变化特征：3月27日蒸散结果对应初春，中部平原区的耕地大部分地区还未开始播种，此时气温较低，限制蒸发能力；南部山区因冰雪融化限制蒸发能力，蒸散量相对较小。(图3a)

5月21日蒸散结果对应初夏，农田开始灌溉，水分供给充足，作物开始生长，较3月相比蒸散量有所上升。(图3b)

7月24日的蒸散结果对应盛夏，中部平原区由于农田大量引水灌溉，水分供给充足，蒸散量达到最大；北部沙漠水分供给不足，蒸散量处于最低。(图3c)

9月10日的蒸散结果对应秋季，温度下降，植被生长季进入尾声，蒸散量较7月24日有回落。(图3d)

从空间来看，中部平原地区耕地较多，蒸散发量和农作物生长对应，明显受到人类活动影响；南部山区的策勒河产流区有草地覆盖[22，23]，蒸散发量较大；策勒县北部为沙漠覆盖，水分供给不足，蒸散量较小。图3～5

图2 蒸散量计算流程

Fig.2Computationalflowdiagramofevapotranspiration

图3 策勒县单日蒸散量分布
Fig.3 distribution of daily evapotranspiration in Qira county

图4 研究区土地利用格局
Fig.4 Land use pattern of study area

图5 主要土地利用类型平均日蒸散量对比
Fig.5 Daily ET of main land use

2.2 模型验证

SEBS模型蒸散发量结果的精度验证数据为新疆气象信息中心提供的策勒气象站(44°4'48" N，86°29'24" E)2016年3月27日、5月21日、7月24日、9月10日4 d的气象观测数据。蒸发皿水面蒸发反映了区域一定时段内的潜在蒸发，可认为是实际蒸散发的上限，若遥感估算的蒸散发高于蒸发皿蒸发，则结果不合理[24]，将蒸发皿水面蒸散量值与策勒遥感蒸散量分布图的最大值进行比较，得出遥感估算的蒸散发量最大值低于蒸发皿观测值。表2

表2 策勒县水面蒸散量值对比
Table 2 Comparison of water surface evapotranspiration values in Qira county

月．日M．D水面蒸发Watersurfaceevaporation(mm)SEBS最大值SEBSmax(mm)3．279587345．219485127．2410091289．10494726

使用彭曼公式计算的结果作为参照。彭曼公式估算蒸散量值与策勒县遥感日蒸散量的比较结果。研究表明，通过SEBS模型对Landsat 8进行蒸散发遥感估算，所估算出的蒸散发结果变化趋势比较接近参考值。表3

表3 蒸散发计算结果对比
Table 3 Comparison of evapotranspiration calculation results

月．日M．DSEBS模型SEBSmodelGF-1P-M公式P-Mformula3．273885439365．214095672247．244701718489．10451147469

尽管在验证数据方面比较缺乏，但仍可认为SEBS模型在策勒县域的蒸散量计算结果基本符合实际。

3 讨 论

目前，针对较小区域(流域)的蒸散量估算已开展了一些研究，并取得了一定的成果。如张圆等[24]使用Landsat 8影像和SEBS模型分析了呼图壁县蒸散量时空格局。姜红[25]、田成明等[26]、潘竟虎等[27]基于不同遥感影像，根据能量平衡原理生成研究区符合实际的蒸散发量区域分布图。这些研究对于提高较小区域(流域)的遥感蒸散量估算提供了较为可行的理论和方法基础，在最严格水资源管理的背景下，估算较小区域(流域)的更精确蒸散量成为水资源合理开发利用的必然要求。但是目前对于遥感估算蒸散量的验证还很缺乏，地表蒸散发与复杂的地气交换过程密切相关，受到气象条件、植被生理生态特性、土壤特征、地形等多种因素的综合影响，遥感估算地表蒸散发在模型机理、输入数据、参数化方案、尺度扩展等方面仍存在许多不确定性[28]，因此，通过验证来定量评估遥感估算的区域地表蒸散发，对于提高遥感区域估算蒸散发的实用价值至关重要。

4 结 论

4.1 使用Landsat 8影像，应用SEBS模型计算出策勒县2016年典型时期4的蒸散量，其模拟结果与彭曼公式计算的结果进行比较，表明SBES模型的估算的结果是比较合理的，对于较小区域的蒸散发估算有一定适用性。

4.2 策勒县蒸散发量估算结果合理反映了蒸发量的时空差异，秋季的蒸散量<春季<夏季。南部山区有草地覆盖蒸发量较高，中部农田灌溉地区蒸发量高，北部地区为沙漠区域，供给蒸发的水分不足，该区域蒸散量在各个时期都较小。

4.3 利用Landsat 8影像的周期性获取蒸散发量的空间分布，为水资源可持续发展提供了科学依据，对于区域水资源管理、合理有效分配资源和减少资源纷争，具有重要意义。

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AnalysisofTemporalandSpatialDistributionPatternofDailyEvapotranspirationinQiraCountyBasedonLandsat8Images

LU Ting1, ZHENG Jiang-hua1, 2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi, 830046,China;2.KeyLabforOasisEcosystemofMOE,Urumqi830046,China)

ObjectiveThe estimation of surface evapotranspiration is beneficial to the rational allocation and management of water resources, which might provide the basis for the sustainable development of water resources.MethodBy using the Landsat 8 remote sensing data set, With the support of the ENVI remote sensing image processing software, combined with the air temperature, air pressure, wind speed, sunshine duration and other meteorological data, evapotranspiration was estimated by SEBS model in March 27th, May 21st, July 24th and September 10th 2016 in Xinjiang Qira County.ResultThe results could reflect season change; for instance, the results of farmland were 3.885, 4.095, 4.701, 4.511 mm/day on four days respectively. The overall trend was the northern desert plain < the southern mountains > the central region.ConclusionThe results of SEBS estimation are compared with those calculated by Penman formula, which shows that the results of SBES model are reasonable.

Landsat 8; SEBS model; evapotranspiration

ZHENG Jiang-hua (1973-), male, Professor, Doctoral supervisor, native place: Jiangshan, Zhejiang. Research field: Application of resource monitoring and 3S Technology. (E-mail) zheng_jianghua@126.com

K90；S16

A

1001-4330(2017)10-1941-08

10.6048/j.issn.1001-4330.2017.10.020

2017-08-26

教育部促进与美大地区科研合作与高层次人才培养项目“”(117-40101)；中科院新疆生态与地理研究所策勒国家野外研究站开放研究基金资助课题“”(ZKYXJSDCL-201502)；水利部公益性行业科研专项“”(201301103)

陆婷(1992-)，女，新疆人，硕士研究生，研究方向为水资源管理及GIS应用，(E-mail)lt_mio@foxmail.com

郑江华(1973-)，男，浙江江山人，教授，博士生导师，研究方向为资源监测和3S技术应用，(E-mail)zheng_jianghua@126.com

Supported by: The program for promoting scientific research cooperation with America and Oceania and high-level talented personnel training.of Ministry of Education of the People's Republic of China (117-40101); Open research fund of Qira National Field Research Station, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, (ZKYXJSDCL-201502); Special scientific research project of the publick welfare industry of Ministry of Water Resources (201301103)