2.5 遥感法测定区域作物需水量与耗水量的分析与评价

传统上，作物实际ET或作为水量平衡方程的余项法进行计算，或利用土壤水分亏缺函数对估算得到的潜在ET进行修正，或由气象数据结合田间测量得到。由于很难通过仪器测得足够数量的、可靠的作物实际ET数据，因此，作物ET主要通过各种方法，特别是气候学方法进行估算。与传统的作物ET计算方法相比，利用遥感进行作物ET监测具有快捷、经济、大区域尺度及可视化显示等特点。遥感方法以严格的次序执行一系列公式，从而将由卫星或航天飞机等测得的光谱辐射强度转化为实际的ET。遥感方法可以估算小到田间地块，大到小型工程及流域多种空间尺度的ET；与实地测量相比，遥感方法可以较少的花费来提供相似时间尺度的详细的ET分布信息。

利用遥感数据并结合SEBAL方法可获得区域作物ET。SEBAL方法通过利用各种具有可见光、近红外和热红外波段的卫星遥感数据，并结合常规地面资料（如气温、风速和太阳辐射等）计算能量平衡各分量，从而可得出不同时空分辨率的ET分布图 ^[63] 。中国科学院兰州高原大气物理研究所在“黑河地区地-气相互作用实验研究（黑河实验，HEIFE）”中 ^[76] ，将利用SEBAL方法和LANDSAT数据得到的黑河实验区地表特征参数、净辐射通量、土壤热通量和潜热通量等与地面实测值进行比较表明：无论在夏季还是深秋，地表反照率相对误差均在10%左右；地表温度的偏差约为2℃；地表净辐射通量和土壤热通量的相对误差都小于10%；潜热通量的相对误差为8.3%。

以位于甘肃河西走廊石羊河流域下游的民勤绿洲为例，如图2.32所示。表2.14列出了民勤绿洲各土地利用类型所占的比例，选取2000年3月5日、4月6日、7月11日和10月31日四景LANDSAT7 ETM+遥感影像，分别代表2000年的冬、春、夏和秋季情境，应用SEBAL方法获得研究区作物实际ET。

图2.33为民勤气象站2000年降水量分布和ET ₀ 的日变化曲线，其中，ET ₀ 由P-M公式计算得到。2000年3月5日、4月6日、7月11日和10月31日对应的儒略日分别为2000年第65天、第97天、第193天和第305天。从图2.33中可以看出，第193天的日平均ET ₀ 为8.89mm/d，为全年中仅次于第163天的第二大值；第97天处于春旱期，自第56天到第96天长达41d的时间里都没有降水发生。

2.5.1 遥感法测定的地表特征参数

图2.34～图2.36为用SEBAL方法计算得到的研究区地表特征参数的空间分布特征。从地表反照率分布图及由其统计计算得到的直方图中可以看出，甘肃民勤绿洲地表反照率具有以下特点：

（1）地表反照率在冬、春、夏和秋季基本集中于0.1～0.55，其中，4月6日、7月11日的反照率变化曲线均表现为明显的双峰状，较低的峰值为农田代表值，较高的峰值对应于除水体外，以裸地为主的其他覆被类型，由于水体像元数量较少，在0.05附近波峰不为明显。3 月 5 日，地面植被较少，反照率为明显的单峰型，峰值为 0.31，而在0.195附近不太明显的突起由灌溉农田和融水湿润的河道形成。10月31日，反照率曲线呈三峰状，最低波峰在0.18附近，为灌溉农田和水库中水位较浅水域。

（2）研究区反照率平均值在夏季7月11日最小，为0.26。从分布曲线上可以看出，该日农田波峰和以裸地为主的波峰峰值均偏左侧，在4月6日最大为0.32。3月5日和10月31日分别为0.31和0.30。秋季节农田庄稼或成熟或收割，冬季地面还覆有冰雪，因而地表反照率较高；而 4 月 6 日经过春耕和地膜覆盖后，地表反照率加大，由图 2.35（b）该日的植被指数分布图可以看出；且自2月25日以来几乎没有降水（图2.33），地面较干旱，因而反照率较秋冬季略高。

对于NDVI，从其分布图可以看出，夏季7月11日地面植被浓郁，在秋季较稀疏（10月31日），而在春季4月6日植被最显稀疏，原因同上。NDVI的分布直方图在夏季7月11日表现为明显的双峰状，农田部分的NDVI在0.3～0.60变化，峰值在0.47附近；在3月5日、4月6日和10月31日，NDVI曲线均为单峰型，农田区的NDVI基本为0.1～0.2。裸地部分峰值除7月1日较小，为0.07外，其余几日峰值均在0.08附近。另外，夏季NDVI的分布范围最宽，其次为秋季，冬季最窄，这是由不同季节的植被生长和分布状况决定的。

地表温度经过比辐射率校正后得到，与NDVI类似。在3月5日、4月6日和10月31日农田波峰不明显，为单峰型曲线；7月11日地表温度有两个明显的峰值，且分布范围比较宽，值也比较大，较高峰值对应于裸地，约为320K，较低的农田峰值为303K。从3月5日开始，地表温度曲线向右移动，即地表温度渐渐升高，到夏季7月11日达到最高；而当秋季来临后，温度又缓慢降低，到10月31日基本回落至3月5日的温高。地表温度的分布图还反映出，3月5日和10月31日部分灌溉农田的温度较低；在夏季，植被、裸地和水体等各种覆被区分较明显。

为了进一步验证反演参数的合理性，分别在河道、裸地、稀疏植被、农田和水库五种土地覆盖类型中，随机选取5组数据，每组4个样点对SEBAL方法得到的地表反照率、NDVI和地表温度进行分析。

由图2.37（a）中水库的反照率变化曲线可以看出，在3月5日，红崖山水库中大部分水面处于结冰状态，平均反照率可达0.42；随着气温升高，水体冰消雪化，4月6日反照率降至0.05左右；而在7月11日和10月31日，因水库水位较浅，反照率较高，分别为0.16 和 0.15。在 3 月 5 日与水库相连的河道，因水量较少，反照率为0.08，之后随着河道中水位的不断上升，反照率逐渐降低。裸地、农田和稀疏植被的反照率均在7月11日达到最低，之后又缓慢回升，这是由植被生长过程和地表的干湿状况决定的。

裸地的NDVI值在年内变化比较平稳，维持在0.08左右。水体（河道和水库）的NDVI值在7月11日为0.11，大于0。这是河道中有稀疏水草或河床变化后有植被生长，从而使NDVI在夏季陡然升高。农田和稀疏植被的NDVI值在 7 月 11 日均为最高，这是由植被在夏季生长较为茂盛决定的[图2.37（b）]。图2.37（c）显示出裸地、河道和水库的地表温度与气温密切相关，均呈现出先升高再降低，夏季最高的变化趋势。而农田和稀疏植被表面温度还受到植被生长状态的影响，因而在长势较旺盛的7月11日，两者的地表温度较低，在此点为下降趋势，进一步表明了植被的调温功能。这五种土地覆被类型中，地表温度由高到低的变化顺序为：裸地＞稀疏植被＞农田＞河道＞水库。

2.5.2 遥感法测定的作物日ET与精度评价

作物日ET的分布特征如图2.38所示。7月11日各类覆被明显区分，由直方图也可以看出，该日ET的变化范围最大；个别像元的日ET可达8.65mm/d，农田峰值对应的日ET为6.60mm/d，裸地峰值对应的日ET为1.87mm/d。10月31日，民勤绿洲的日ET量最小，平均值为0.32mm/d，对应的直方图偏向左侧，直方图面积最小；3月5日次之，平均值为0.50mm/d。4月6日农田波峰逐渐明显，ET开始增大，到夏季7月11日达到最大。

参照《甘肃省农村年鉴》（2000—2003年），2000年民勤县农作物总播种总面积为4.77万hm ² ，占耕地面积的74.42%；其中，春小麦和春玉米为主要粮食作物，播种面积分别为2.16万hm ² 和0.67万hm ² ，占农作物总播种面积的59.46%。另外，民勤县还有马铃薯和棉花等主要经济作物。

表2.15列出从SEBAL方法的估算结果中提取的植被区（NDVI＞0.1）ET的平均值，和由FAO-56 P-M公式计算得到的日ET ₀ 与民勤主要农作物与经济作物相应生育期的作物系数K _c 相乘得到作物在影像获取日的需水量。其中，春小麦的生育期为3月21日—7月16日，春玉米生育期从4月14日—9月13日，马铃薯的生育期为4月14日—9月6日，棉花生育期由4月21日—10月20日。从表2.15中可以看出，SEBAL估算得的植被区ET平均值均小于ET ₀ （P-M），且在4月6日和7月11日，SEBAL估算得到的植被区实际ET要小于作物需水量，表明SEBAL估算的植被区ET较为合理。王春梅等利用LANDSAT7 ETM+数据和SEBAL方法计算得到2005年6月22日甘肃武威市农作物区域的ET平均值为5.23mm/d，与我们的估算结果接近。