作物冠層溫度和旱情遙感監(jiān)測及估產(chǎn)研究.pdf

1、準(zhǔn)確的作物長勢動態(tài)監(jiān)測和產(chǎn)量估測對于保障糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。衛(wèi)星遙感估產(chǎn)和作物生長模擬在作物監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)測方面有各自不可替代的優(yōu)勢。但遙感估產(chǎn)難以揭示作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的內(nèi)在機(jī)理，作物模擬在區(qū)域應(yīng)用時初始值的獲取和參數(shù)的區(qū)域化遇到很多困難。如何利用二者的互補(bǔ)性使其相互結(jié)合受到人們?nèi)找骊P(guān)注。本文以地面試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究冬小麥/夏玉米主要生育期(拔節(jié)到灌漿期)作物冠層水、熱通量變化和冠層溫度、冠氣溫差變化過程及

2、與其它環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系，分析了冠氣溫差指標(biāo)指示農(nóng)田水分狀況的最佳時間段和最適土壤水分測定深度；使用新型的1×1公里分辨率TerraMODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行了區(qū)域土壤水分信息提??；利用MODIS圖像進(jìn)行了地表溫度反演與驗(yàn)證；采用作物缺水指數(shù)法對區(qū)域表層土壤水分進(jìn)行了監(jiān)測和驗(yàn)證；探討了將PS-123模型與MODIS遙感冠層溫度信息結(jié)合進(jìn)行區(qū)域估產(chǎn)的方法，并利用發(fā)展的復(fù)合模型PS-X進(jìn)行了區(qū)域產(chǎn)量估測。 研究表明，冬小麥主要生育期中，

3、土壤熱通量只占5％左右，其余95％皆消耗在潛熱和感熱上，且潛熱通量消耗凈輻射大部分并隨LAI的增加而增大，尤以抽穗期比例最大?；诠趯訙囟扔嬎愕恼羯⒘枯^波文比系統(tǒng)實(shí)測值稍偏大，在忽略和考慮土壤熱通量時二者的相對平均偏差分別為16％和10％左右，差別不大，這為將熱紅外遙感冠層溫度引入作物模型進(jìn)行區(qū)域估產(chǎn)提供了試驗(yàn)依據(jù)。 對冬小麥和夏玉米晴天冠層表面溫度變化過程及其影響因素的研究表明，3個不同水分處理(充分灌溉、節(jié)水灌溉和不灌溉)的

4、冬小麥冠層溫度與氣溫表現(xiàn)為一致的單峰型日變化規(guī)律，夏玉米也有相似規(guī)律，土壤水分狀況是決定晴天作物冠層溫度高低的重要因素。氣溫對冠層溫度影響較大，不同時段不同水分處理的冬小麥冠層溫度和氣溫之間均呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系。12:00～14:00時段影響冠氣溫差的主導(dǎo)因素是土壤含水率，遙感冠層溫度監(jiān)測作物和土壤水分狀況的合適時段為：13:00～14:00最佳，12:00～14:00較佳，10:00～12:00次之。凈輻射是影響冠層溫度高低的主

5、導(dǎo)生態(tài)環(huán)境因子；風(fēng)速與冠氣溫差呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；冠氣溫差和空氣飽和差的關(guān)系是與風(fēng)速有關(guān)的函數(shù)，低風(fēng)速下二者存在高度相關(guān)性。冬小麥不同深度土層的平均相對含水量與冠氣溫差、旱濕地冠層溫度差均呈顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，夏玉米因生長期適逢雨季其情況則比較復(fù)雜，出現(xiàn)2、3次方程或反比關(guān)系。冠氣溫差與旱濕地冠層溫度差都可反映農(nóng)田土壤水分狀況，估測深度可達(dá)100cm，0～80cm四個土層中以中午20和40cm處的土壤體積含水率與冠氣溫差相關(guān)關(guān)系最好且穩(wěn)

6、定，尤其在節(jié)水灌溉下較其它土層更能反映冠氣溫差的變化，可以利用此關(guān)系評價作物的缺水狀況。 利用溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)法對區(qū)域旱情的研究表明，TVDI與土壤濕度顯著相關(guān)，可作為指示地表土壤濕度的指標(biāo)和干旱評價指標(biāo)；0～40cm土層中，TVDI更能穩(wěn)定反映和指示地表10～20cm土壤水分狀況。 利用MODIS數(shù)據(jù)反演地表/冠層溫度的研究表明，采用推廣分裂窗算法反演地表溫度結(jié)果比較理想。誤差分析表明，冬小麥拔節(jié)到灌漿期間

7、其估測結(jié)果與實(shí)測值接近，絕對誤差為0.89～11℃；與NASA的地表溫度產(chǎn)品比較，平均誤差為-0.73℃，相關(guān)系數(shù)達(dá)到94％。 采用作物缺水指數(shù)法監(jiān)測旱情表明，對裸露土壤區(qū)和植被全覆蓋區(qū)分別建立裸土蒸發(fā)模型和植被蒸騰模型計算區(qū)域蒸散，并利用簡化的作物缺水指數(shù)法監(jiān)測區(qū)域土壤水分狀況，能夠準(zhǔn)確反演土壤缺水狀況，同時該方法涉及因子減少，計算量明顯降低。在邯鄲地區(qū)干旱監(jiān)測中，監(jiān)測結(jié)果明顯好于供水植被指數(shù)和溫度植被干旱指數(shù)。 研究

8、表明，將衛(wèi)星遙感冠層溫度信息納入作物生長模型，利用冠氣溫差計算作物缺水指標(biāo)，可使模型簡化。用陰雨天氣溫替代冠層溫度是解決數(shù)據(jù)缺失的有效方法，用它與晴天TerraMODIS數(shù)據(jù)反演冠層溫度進(jìn)行插值計算，可獲得全生育期作物冠層溫度及相應(yīng)的蒸騰速率。PS-X模型可在不同層次模擬作物的生長和產(chǎn)量，在PS-1、PS-2、PS-X水平計算的分別是作物的光溫生產(chǎn)潛力、水分限制下的生產(chǎn)力和實(shí)際產(chǎn)量。利用該模型，論文分別模擬了邯鄲地區(qū)2004年夏玉米的光

9、溫生產(chǎn)潛力、水分限制下的生產(chǎn)力和實(shí)際產(chǎn)量，并通過比較不同模擬水平下產(chǎn)量進(jìn)行區(qū)域產(chǎn)量差分析。結(jié)果表明：PS-1和PS-2水平之間的產(chǎn)量差主要由水分和土壤質(zhì)地差異造成；水分充足條件下，PS-2與PS-X水平間的平均產(chǎn)量差異較大，占總產(chǎn)量差(PS-1與PS-X水平之差)的比重可達(dá)71％，主要由田間管理差異造成；對于平原地區(qū)，28個像元的模擬產(chǎn)量與農(nóng)戶調(diào)查產(chǎn)量的標(biāo)準(zhǔn)化平均誤差為275kgha-1，平均估測誤差為4％，估測精度可達(dá)90％以上，產(chǎn)量