简要信息

【获奖类型】中国水科院应用成果二等奖

【任务来源】引进国际先进水利科学技术项目（水利部948项目）

【课题编号】节0105522006

【课题起止时间】2006年3月～2009年6月

【完成单位】 中国水利水电科学研究院    清华大学水利水电工程系

【主要完成人】刘  钰、蔡甲冰、王  蕾、杨大文、刘国水、雷慧闽、彭致功

立项背景

水资源短缺是制约我国社会经济发展的瓶颈。强化水资源的管理，采用先进的高新技术加强对区域水资源状况进行实时监控和管理，势在必行。ET是水资源管理中最重要的控制要素，也是最难以准确测定和评价的要素。以往观测ET通常在灌溉试验站进行，以单点和单一作物为主。确定区域ET的方法有两种，一是将小尺度点上的实测数据用内插、外推等方法扩展到大尺度范围；二是在测定大尺度区域降雨、径流等来水和去水量的基础上，用水量平衡方程反求ET。这两种方法都有局限性。第一种方法在由点到面的外推过程中存在很大的盲目性和不确定性，因为人工监测ET需要的人力和设备投资较大，所以ET监测点数量一般很少，而且大多设在灌溉试验站的农田里，缺少城市和生态环境的ET监测数据，也缺少多种作物套种等复合植被的ET监测数据。第二种方法用水量平衡方程反求，只能得到较大尺度的综合ET总量，难以解决ET在小尺度的空间分布问题。

随着卫星遥感技术的发展，利用遥感数据和模型反演区域ET技术应运而生，并成为当前国内外的研究热点。遥感监测以像元为基础，能够将作物蒸散量在空间上的差别监测出来。利用遥感技术监测ET技术克服了人工测量ET工作量大和以点代面的缺陷，能提供不同土地使用类型和不同作物类型的ET信息。遥感监测ET技术的应用，使测定各种尺度的ET和空间分布成为可能，为大范围的ET管理提供了有效监测手段，尤其是在水平衡分析、用水定额管理、地下水管理、节水效果评价等方面遥感监测ET技术可发挥重要作用。

详细科学技术内容

本项目主要目标是：（1）引进国际上先进的遥感反演ET模型和地面监测ET设备，在水科院试验基地及典型灌区应用和检验；（2）对引进设备和软件系统进行改进和集成，建立基于3S技术的ET遥感监测系统，提高我国的ET监测技术水平，为水资源供需平衡分析和综合管理提供基础数据和技术支撑；（3）利用引进的先进仪器设备和软件系统，提高水科院的试验能力和科研水平，建立开放的综合试验平台，为承担国家重大科研项目和其他相关研究奠定基础；（4）通过新技术的引进，对科研人员进行培训，使有关技术人员掌握遥感监测ET的新方法，提高科研人员的技术水平。

本项目主要内容是从荷兰引进陆面蒸散量遥感监测与估算技术和地面标定设备，包括：（1）遥感估算区域蒸散量模型（SEBS）1套；（2）遥感信息处理基础软件（ILWIS）1套；（3）大口径闪烁仪（BLS150）1套。

通过模型软件的引进、学习和培训，了解和掌握了遥感估算区域蒸散量模型的基本原理和操作方法。通过在典型灌区的实际应用，检验了模型的适用性和模拟效果。根据需要对模型的时间扩展方法进行了改进，并将SEBS嵌套进ILWIS中，实现了遥感信息处理与区域蒸散量计算的一体化运行。

通过蒸散量地面监测设备LAS仪的引进、安装调试和运行，获得的连续两年的灌区大尺度蒸散量地面监测数据，通过与其它监测设备的对比分析，发现并解决了设备数据处理存在的问题，为遥感模型的验证提供了地面监测数据。

主要成果及创新点

项目经过近三年的实施，完成了引进、消化、吸收和应用任务，达到了预期目标。取得的主要成果有：

（1）完成了区域蒸散量遥感估算模型和地面监测设备的引进。通过对引进模型和设备的学习和培训，了解和掌握了遥感估算区域蒸散量模型的基本原理和操作，以及LAS仪的工作原理和监测方法。

（2）通过引进模型在典型灌区的实际应用，检验了模型的适用性和模拟效果。根据需要对模型的时间扩展方法进行了改进，并将SEBS嵌套进ILWIS中，实现了遥感信息处理与区域蒸散量计算的一体化运行。

（3）通过蒸散量地面监测设备LAS仪的引进、安装调试和运行，获得的连续两年的灌区大尺度蒸散量地面监测数据，通过与其它监测设备的对比分析，发现并解决了设备数据处理存在的问题，为遥感模型的验证提供了地面监测数据。

（4）应用遥感反演的区域ET数据，结合土地利用类型和作物产量数据，分析了典型区主要作物的耗水定额和节水潜力，为农业耗水管理提供了新思路和方法。

本项目的主要创新点为：遥感估算ET模型与地面监测ET技术结合，使测定各种时空尺度的ET分布成为可能，克服了传统的以点代面测定作物腾发量无法扩展到大范围不均匀下垫面的缺陷，为大范围的耗水管理提供有效监测手段。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

近30多年来，随着技术手段的进步，蒸散发的监测和估算取得了重大进展。20世纪50、60年代考虑不同作物在不同气象条件下的蒸散发的监测和计算已经成熟；20世纪80年代大气近地层观测技术与地气间能量和物质交换的研究大大提高了蒸散发的观测和计算精度。目前测定作物蒸散发的主要方法有：梯度法、土壤水量平衡法、蒸渗仪法、波文比法、涡度相关法和闪烁通量仪法等。

估算区域植被或作物蒸散发的主要方法有：水量平衡法、彭曼综合法、互补相关法等。区域蒸散发的估算方法与计算的时间尺度、空间尺度以及所掌握的水文气象数据及植被土壤参数的多少均有很大关系。每种方法都是根据一定的对象和条件发展起来的。

20世纪中后期，随着遥感技术的不断发展，国内外相继开展了利用卫星遥感技术估算区域蒸散量的研究。由于卫星遥感具有很好的时效性和区域性，因而借助遥感手段使传统的蒸散发估算方法在不同时空尺度上得以扩展。克服了地面监测方法中定点观测难以推广到大区域的局限性，因此利用遥感技术估算区域蒸散量具有很好的应用前景和巨大的发展潜力。

尽管遥感不能直接测量蒸发蒸腾，但充分利用其时空连续性和大跨度的特点，可将地面实测值通过卫星遥感扩展到大的区域或流域上。同时，在遥感反演区域蒸发蒸腾量时，能够充分考虑蒸发蒸腾的主要驱动因子——太阳辐射，利用能量平衡原理，在综合考虑净辐射通量Rn、土壤热通量G和显热通量H的基础上，通过能量平衡方程获得区域不同时段的蒸发蒸腾量。多波段卫星遥感还可以测量或反演水文气象模式所需的一些基本地面参数，能够相对准确地描绘蒸发蒸腾的空间分布。这些遥感反演区域蒸发蒸腾的能力和特点，为进行宏观尺度的蒸发蒸腾的监测和计算提供了相对可靠的工具。当然，在认识遥感监测蒸发蒸腾优势的同时，不能否认遥感反演蒸发蒸腾受到卫星影像监测范围和时间上的局限，由于遥感自身的瞬时性，不能提供地表连续的蒸散发过程，造成遥感反演结果的精度还不够高，且未全面考虑蒸发蒸腾的水循环特性。此外，区域地表和大气非均匀性带来的尺度效用也是遥感模型应用中必须解决的一个关键问题。新技术的发展如大孔径闪烁仪（LAS）等为遥感反演的区域验证带来了希望，同时也会促进对不同尺度的水热通量传输机理的深入认识。随着遥感技术和反演模型的进一步发展，以及地面监测和验证技术的不断完善，利用遥感反演蒸发蒸腾的精度将会得到进一步提高。

成果应用情况及社会经济效益

（1）成果应用前景

陆面蒸散发（ET）是水资源最主要的消耗量，是水资源管理中最重要的控制要素，也是最难以准确测定和评价的要素。在当前水资源严重短缺的情况下，ET的监测对流域的水资源管理、区域规划和可持续发展研究至关重要。采用遥感手段对ET进行定量监测是一项新技术，遥感监测以像元为基础，能够将作物蒸散量在空间上的差别监测出来。利用遥感技术监测ET技术克服了人工测量ET工作量大和以点代面的缺陷，能提供不同土地使用类型和不同作物类型的ET信息。遥感监测ET技术的应用，为大范围的ET管理提供了有效监测手段，尤其是在水平衡分析、用水定额管理、地下水管理、节水效果分析等方面遥感监测ET技术可发挥重要作用。

我国的遥感数据的保障程度在世界上位居前列，有大量的遥感数据可用于ET估算，而且价格逐渐下降，并有大量的近乎免费的数据存在，为ET遥感估算技术的推广提供了保证。

本系统的潜在用户是流域水管理机构和灌区管理单位。采用遥感监测ET技术，可为开展作物耗水监测和需水预测，节水效果评价提供技术手段，从而推动我国的灌区现代化管理和节水高效农业建设。

（2）社会经济效益

陆面蒸散发（ET）的精确估算是开展水资源管理和灌区节水管理的基础，随着水资源的日益短缺，区域ET监测和管理越来越重要。

采用遥感模型反演ET与传统的地面实测相比，具有更高的经济合理性和实用性。遥感模型可从动态和宏观角度研究区域耗水量时空分布，不仅克服了传统的以点代面测定ET无法扩展到大范围不均匀下垫面的缺陷，还可节省大量人工观测费用和设备费用，经济效益显著。

该项技术的引进并推广应用于流域和区域水资源规划管理，尤其是在我国北方干旱、半干旱地区，水资源紧缺和生态环境脆弱区，指导农业高效节水，水生态环境修复、跨流域调水，优化配置水资源，促进水资源可持续利用，提高水资源的现代化管理水平，都具有十分重要的现实意义，可产生的经济、社会和生态效益十分显著。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

利用遥感数据估算区域蒸散量是一项新技术，影响遥感模型估算精度的因素很多，本研究通过对引进模型和地面监测设备的应用，发现一些问题需要在今后的研究中改进：

（1）模型中需要确定的参数仍比较多，一些参数具有不确定性，影响模型的模拟精度。

（2）SEBS模型不提供土地利用类型和作物种植结构的遥感反演数据，这使利用模型分析不同下垫面的耗水规律受到限制。

（3）在今后模型进一步完善过程中，还应考虑增加利用遥感数据估算生物量和作物产量的功能，以满足利用遥感数据分析水分生产效率的需求。

大兴区蒸散量空间分布