基于NPP-VIIRS的河南省冬小麦蒸散发遥感估算及干旱监测研究

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蒸散发(ET)作为连接能量和水分平衡的重要环节,对改善大气环流和区域气候有着重要作用。VIIRS传感器将取代MODIS传感器对地球生态环境进行观测,然而将VIIRS数据应用于蒸散发估算的研究较少。作物缺水指数(CWSI)是区域作物生长状况和旱情监测的一个重要指标。对作物缺水指数进行改进,可以更好地反映农作物的缺水情况。开展基于VIIRS数据的蒸散发估算研究,并对作物缺水指数进行改进,对于区域水资源管理、农田作物需水量估算、水资源优化配置以及干旱监测等均具有重要意义。研究基于NPP-VIIRS卫星遥感数据,根据地表能量平衡系统理论对河南省冬小麦种植区关键生育期内的日蒸散发(VIIRS ET)进行估算。利用郑州农业气象试验站实测ET数据、Penman公式计算所得ET(Penman ET)以及基于MODIS数据所估算的ET数据(MODIS ET),对VIIRS ET进行精度验证和结果分析。针对作物缺水指数(CWSI)在低植被覆盖区域旱情指示性差的问题,利用叶面积指数(LAI)变化量对其进行改进,建立了改进的作物缺水指数(CWSIIMP),并基于CWSIIMP对河南省冬小麦旱情等级进行划分。通过研究分析,得到以下主要结论:(1)基于NPP-VIIRS卫星数据估算的区域蒸散发数据精度高,可靠性好。VIIRS ET与Penman ET平均绝对偏差为0.101 mm/d,平均相对偏差为4.517%;与郑州农业气象试验站实测蒸散发的平均绝对偏差为0.306 mm/d,平均相对偏差为10.64%,均方根误差RMSE为0.331 mm/d。将2016-2018年三年间同一时相的VIIRS ET与MODIS ET进行对比分析,决定系数R~2分别为0.8042、0.734、0.8023,均方根误差RMSE分别为0.222 mm/d、0.158 mm/d、0.211 mm/d,两者的数据点分布均在1:1线附近。(2)河南省冬小麦关键生育期蒸散发大致表现为西北较低、东南较高的趋势。返青到抽穗灌浆期,冬小麦日蒸散发呈波动上升趋势。抽穗至灌浆期间,蒸散发量升高速度较快,三个峰值对应的日期分别是3月24日、4月17日、5月11日,5月11日达到最大峰值后逐渐下降。基于VIIRS数据估算的关键生育期蒸散发的变化基本符合冬小麦生长发育变化规律。(3)基于CWSIIMP所划分的旱情等级指示效果较好。通过2016年至2018年20 cm土壤相对湿度与改进前后的作物缺水指数拟合分析发现,改进前后R~2由0.8005提高至0.8952,均方根误差RMSE从0.048减低至0.037,改进后的作物缺水指数(2对20 cm土壤相对湿度的指示性要优于改进之前。在与丘陵、岗地,城市区域相接触的种植区边缘,基于(2所划分的旱情等级较基于CWSI所划分的等级较轻,更接近于《干旱等级标准》中基于20cm土壤相对湿度所做的旱情等级划分。
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