馬磊 朱建雯

摘要：指出了在水資源相對(duì)缺乏的干旱、半干旱區(qū)，如何對(duì)克拉瑪依地區(qū)的地表蒸散進(jìn)行遙感反演？如何對(duì)該區(qū)域的生態(tài)耗水量進(jìn)行定量評(píng)估？是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。以克拉瑪依地區(qū)作為研究區(qū)，首先，利用HJ遙感影像進(jìn)行不同地類提取，得到了研究區(qū)不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后，運(yùn)用遙感技術(shù)提取該區(qū)域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數(shù)據(jù)的支撐下，根據(jù)SEBAL模型對(duì)研究區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行遙感反演，從而得到了研究區(qū)的蒸散發(fā)專題數(shù)據(jù);在上述工作基礎(chǔ)之上，根據(jù)生態(tài)耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計(jì)算得到了研究區(qū)生態(tài)耗水量數(shù)據(jù)。這將有利于分析不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規(guī)律，對(duì)干旱、半干旱區(qū)保障生態(tài)需水，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和利用等有著重要的意義。研究結(jié)果表明：研究區(qū)生態(tài)用地所占比例較大，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，需要從不同角度對(duì)該區(qū)域生態(tài)用地進(jìn)行生態(tài)保護(hù)、合理利用與開發(fā)，并對(duì)農(nóng)業(yè)、城市等發(fā)展做出科學(xué)地規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：生態(tài)耗水量;蒸散量;遙感反演;土地利用類型;克拉瑪依

中圖分類號(hào)：S271

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）6-0133-04

1研究背景及意義

我國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)面積約占國(guó)土面積1/4，水資源的短缺，大大限制了西部干旱、半干旱區(qū)的發(fā)展。然而，內(nèi)陸干旱區(qū)海拔較高的山區(qū)年降水量雖然可以達(dá)到200mm以上，但除此基本都在200mm以下，塔里木盆地甚至僅為50mm左右?？梢?，水資源是干旱、半干旱區(qū)城市發(fā)展的關(guān)鍵因素。但由于干旱區(qū)綠洲降水稀少、蒸發(fā)量較大，并且人類對(duì)水資源的利用不合理等一系列原因使干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境變得非常脆弱，土地退化、沙漠面積擴(kuò)大等生態(tài)問(wèn)題嚴(yán)重制約著綠洲的發(fā)展。

克拉瑪依是中緯度內(nèi)陸地區(qū)干旱、半干旱區(qū)的一座典型城市，屬典型的溫帶大陸性氣候。在水資源相對(duì)缺乏的干旱、半干旱區(qū)，如何對(duì)克拉瑪依地區(qū)的地表蒸散進(jìn)行遙感反演？如何對(duì)該區(qū)域的生態(tài)耗水量進(jìn)行定量評(píng)估？

就此科學(xué)問(wèn)題，本研究以克拉瑪依地區(qū)作為研究區(qū)，首先利用HJ遙感影像進(jìn)行不同地類提取，得到研究區(qū)不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后運(yùn)用遙感技術(shù)提取該區(qū)域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數(shù)據(jù)的支撐下，根據(jù)SEBAL模型對(duì)研究區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行遙感反演，從而得到研究區(qū)的蒸散發(fā)專題數(shù)據(jù);在上述工作基礎(chǔ)之上，根據(jù)生態(tài)耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計(jì)算得到研究區(qū)生態(tài)耗水量數(shù)據(jù)。

這將有利于分析不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規(guī)律，對(duì)干旱、半干旱區(qū)保障生態(tài)需水，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和利用等有著重要的意義。

2研究目標(biāo)及內(nèi)容

運(yùn)用遙感技術(shù)，分析克拉瑪依地區(qū)土地利用變化情況，對(duì)該區(qū)域地表參數(shù)進(jìn)行反演，計(jì)算該區(qū)不同地類的生態(tài)耗水量，以此提出生態(tài)環(huán)境建設(shè)保護(hù)建議和對(duì)策。利用遙感技術(shù)結(jié)合地面調(diào)查資料，根據(jù)不同時(shí)間的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行土地利用變化分析，并對(duì)植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度及地表蒸散進(jìn)行遙感反演。在地表參數(shù)反演的基礎(chǔ)上，計(jì)算不同地類的生態(tài)耗水量，客觀評(píng)價(jià)克拉瑪依地區(qū)的生態(tài)用水情況。提出生態(tài)環(huán)境建設(shè)保護(hù)建議和對(duì)策，為脆弱生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供有益的指導(dǎo)。

3研究方法

3.1遙感數(shù)據(jù)處理

HJ星遙感數(shù)據(jù)利用ENVI5.0軟件進(jìn)行預(yù)處理。包括影像切割、幾何配準(zhǔn)、幾何精校正、影像配準(zhǔn)等基礎(chǔ)性工作。根據(jù)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)確定對(duì)照點(diǎn)位置，使解譯地類與實(shí)際地類一致，再利用ArcGIS軟件進(jìn)行解譯區(qū)劃和拓?fù)?，以制作相?yīng)的土地利用分類專題圖。

3.2土地利用分類

3.2.1確定分類標(biāo)準(zhǔn)及解譯標(biāo)志

根據(jù)研究?jī)?nèi)容和目的，通過(guò)對(duì)2009年、2012年兩期HJ星數(shù)據(jù)影像進(jìn)行實(shí)地比對(duì)，并查閱相關(guān)資料，確定分類標(biāo)準(zhǔn)及解譯標(biāo)志（表1）?？死斠赖貐^(qū)土地利用一級(jí)分類主要包括林業(yè)用地、農(nóng)業(yè)用地、城市綠地、水域和生態(tài)用地五大類。其中，每個(gè)一級(jí)大類下面將進(jìn)一步細(xì)化分為如表1所示的20多類，本文研究采用一級(jí)大類對(duì)2009年、2012年兩期遙感影像進(jìn)行分類。

3.2.2地類提取

根據(jù)確定的分類標(biāo)準(zhǔn)及解譯標(biāo)志，通過(guò)實(shí)地對(duì)不同地類的調(diào)查數(shù)據(jù)，確定遙感影像上不同地類的典型訓(xùn)練樣本，在ENVI軟件中采用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，并使用Confusion Matrix功能計(jì)算分類精度。2009年總體分類精度和Kappa系數(shù)分別為92.35%和0.90，2012年總體分類精度和Kappa系數(shù)分別為93.50%和0.91，均達(dá)到了分類要求。

3.3地表參數(shù)的遙感反演和地表蒸散量的計(jì)算

基于HJ衛(wèi)星可見光、近紅外、熱紅外波段遙感數(shù)據(jù)，利用ENVI5.0、Erdas提取地表比輻射率、地表溫度、地表反照率等地表特征參數(shù)。本研究選擇SEBAL 模型對(duì)該區(qū)域的地表蒸散量進(jìn)行模擬。

3.4生態(tài)耗水量的計(jì)算

生態(tài)耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，根據(jù)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降雨量，計(jì)算得到研究區(qū)生態(tài)耗水量數(shù)據(jù)。

4研究結(jié)果及分析

利用土壤水平衡方程，按生態(tài)耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，計(jì)算研究區(qū)的生態(tài)耗水量，并利用GIS空間疊加分析、統(tǒng)計(jì)功能，計(jì)算研究區(qū)不同地類的平均生態(tài)耗水量及總生態(tài)耗水量，這對(duì)分析在不同植被覆蓋和土地利用條件下的耗水分布規(guī)律、實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和利用均具有重要意義。

4.1不同地類地表蒸散量

不同地類月地表蒸散量總體上反應(yīng)了該地類的蒸散能力，從表2中可以明顯看出，水域的蒸散能力最強(qiáng)，在植被生長(zhǎng)旺季，農(nóng)業(yè)用地和城市綠地的蒸散能力明顯高于生態(tài)用地和林業(yè)用地。該區(qū)域林地主要以葉面積較低的樹種構(gòu)成，所以蒸騰能力較低，蒸散量較小。水域的蒸散量最大值出現(xiàn)在8月份，主要是由于8月份日照時(shí)間和日照強(qiáng)度最大。農(nóng)業(yè)用地在5月份到8月份之間，蒸散量持續(xù)較高。城市綠地隨著日照強(qiáng)度和日照時(shí)間的增加而增加。生態(tài)用地和林業(yè)用地蒸散量較低，主要是由于這兩種地類處于極度缺水狀態(tài)，所以蒸散發(fā)能力偏低。

4.2不同地類月地表蒸散總量

根據(jù)不同地類單位面積的蒸散量與該地類總面積相乘計(jì)算得到各地類月地表蒸散量（表3），由于研究區(qū)生態(tài)用地面積分布范圍廣泛且最大，所以其蒸散總量較高;農(nóng)業(yè)用地的面積較為適中，平均蒸散量高，導(dǎo)致蒸散總量也較高;水域由于蒸散能力強(qiáng)，但面積較低，因此蒸散總量較為適中;林業(yè)用地由于蒸散能力較弱，其蒸散總量較低;城市綠地面積分布較少，蒸散總量在各地類中總體偏低。

4.3不同地類月降雨量

研究假設(shè)克拉瑪依地區(qū)每個(gè)子區(qū)域的降雨量一樣，根據(jù)不同地類的面積和氣象統(tǒng)計(jì)的降雨量數(shù)據(jù)（表4）.可直接計(jì)算出不同地類月降雨總量（表5）。

從表4可以看到，6月、7月和8月這3個(gè)月份的降雨量最大，這3個(gè)月份的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間也是最長(zhǎng)，同時(shí)也是植被生長(zhǎng)旺季，從而導(dǎo)致該時(shí)間段蒸散量最大。此外，從表5可以得出，不同地類降雨總量從大到小依次為：生態(tài)用地、農(nóng)業(yè)用地、林業(yè)用地、水域、城市綠地;從不同月份來(lái)看，各地類降雨總量幾乎集中在6月、7月與8月，其中以生態(tài)用地降水量最大，這主要是由于生態(tài)用地分布廣泛造成的，說(shuō)明各地類降雨總量與不同地類面積分布有密切關(guān)聯(lián)。

4.4不同地類平均生態(tài)耗水量

根據(jù)土壤水分平衡方程，生態(tài)耗水量（生態(tài)需水量）近似等于地表蒸散量減去降雨量，從表6可以看到，水域的平均耗水量最大，4月份到10月份之間總耗水量為642mm，主要是由于水體蒸散發(fā)能力最大;耗水量其次的是農(nóng)業(yè)用地和城市綠地，主要是由于植被和農(nóng)作物的蒸騰作用;林業(yè)用地和生態(tài)用地的土壤含水量較低，其蒸散能力處于臨界狀態(tài)，所以平均耗水量較小。

4.5不同地類總生態(tài)耗水量

由表7可以看出：農(nóng)業(yè)用地在4月到10月之間的合計(jì)耗水量為5.332×l0⁸m?，這部分水主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)的直接灌溉，是該區(qū)域水資源主要消耗源之一，生態(tài)用地（5.451×l0⁸m?）和林業(yè)用地（1.266×lO⁸m?）在該地區(qū)生態(tài)耗水中占有最大比重，主要是由于生態(tài)用地和林業(yè)用地為該區(qū)域的主要地類，這兩種地類的平均耗水量均較低。城市綠地（0.199×lO⁸m?）的平均耗水量較高，但城市綠地總體面積較小，所以在該區(qū)域總耗水量方面占有較低比重。水域（0.511×l0⁸m?）平均耗水量最高，但面積較低，所以耗水總量適中。

4.6小結(jié)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)生態(tài)耗水量的計(jì)算，得到研究區(qū)林業(yè)用地、城市綠地、農(nóng)業(yè)用地、生態(tài)用地、水域的平均生態(tài)耗水量分別為127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;總生態(tài)耗水量分別為1.266×10⁸m?、0.199×lO⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×l0⁸m?、0.511×l0⁸m?。

5結(jié)論

本研究以克拉瑪依地區(qū)為研究區(qū)，首先利用HJ遙感影像進(jìn)行不同地類提取，得到研究區(qū)不同土地利用類型專題圖及各地類面積;然后運(yùn)用遙感技術(shù)提取該區(qū)域的植被覆蓋度、地表比輻射率、地表溫度等，在氣象數(shù)據(jù)的支撐下，根據(jù)SEBAL模型對(duì)研究區(qū)蒸散發(fā)進(jìn)行遙感反演，從而得到研究區(qū)的蒸散發(fā)專題數(shù)據(jù);生態(tài)耗水量近似等于地表蒸散量與降雨量之差，因此，根據(jù)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)降雨量以及遙感反演的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到研究區(qū)生態(tài)耗水量數(shù)據(jù)。主要結(jié)論總結(jié)為以下幾個(gè)部分：

（1）通過(guò)對(duì)研究區(qū)相關(guān)地表參數(shù)的遙感反演可以看出，研究區(qū)各地表參數(shù)的分布與土地利用類型的分布密切相關(guān)。

（2）通過(guò)對(duì)研究區(qū)生態(tài)耗水量的計(jì)算，得到研究區(qū)林業(yè)用地、城市綠地、農(nóng)業(yè)用地、生態(tài)用地、水域的平均生態(tài)耗水量分別為127.31mm、322.81mm、438.98mm、110.22mm、642.02mm;總生態(tài)耗水量分別為1.266×l0⁸m?、0.199×l0⁸m?、5.332×l0⁸m?、5.451×10⁸m?、0.511×l0⁸m?。

（3）研究區(qū)生態(tài)用地所占比例較大，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，需要從不同角度對(duì)該區(qū)域生態(tài)用地進(jìn)行生態(tài)保護(hù)、合理利用與開發(fā)，并且，對(duì)農(nóng)業(yè)、城市等發(fā)展應(yīng)做出科學(xué)的規(guī)劃。