专利名称：获得地下水与天然植被系统的关系的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及地球科学技术领域，尤其涉及一种获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法及系统。
背景技术：
近些年来，在全球极端气候增多的 背景下，干旱和半干旱地区依赖地下水的生态环境问题日趋严重，突出表现为植被退化、湿地萎缩、沙漠化范围扩大及程度加剧等，其核心问题则是地下水潜水埋深和水化学特征对天然植被生长的控制作用，即地下水水位和水质的变化影响了天然植被的生长和发育。长期以来，研究干旱和半干旱地区的地下水一植被系统的关系问题，均是直接将研究区植被参数与地下水潜水埋深或者矿化度参数直接建立相关关系，研究成果均认为植被覆盖度与潜水埋深或者矿化度呈定量的数学关系模型，如植被覆盖度与潜水埋深之间呈对数函数关系模型。研究过程中，植被参数和地下水参数主要来自于两个方面，一是野外实地调查植被物种、植被覆盖度、地下水潜水埋深，并野外实地采集地下水数据在实验室测量矿化度，二是利用遥感数据定量反演植被覆盖度等。总体上看，已经公开发表技术方法存在如下不足(I)从单一学科入手，研究地下水一天然植被系统关系的方法单一，学科交叉研究程度较低，所以难以系统和全面地揭示地下水对天然植被生长的控制作用与规律。(2)所采用的技术方法中，设置的基本研究单元没有考虑包气带在地下水一天然植被系统研究中的重要作用，缺乏明确的水文地质学意义，所以无法给水资源调控与管理提供科学的基础数据，缺乏明确的物理意义，而仅停留在数学意义上。比如在干旱与半干旱地区，由于植被直接吸收利用的多是土壤水，而同样的潜水埋深下，不同的包气带岩性结构可能有着不同的土壤水分分布格局，进而影响植被的生长发育。(3)技术方法中多采用遥感数据和离散的野外调查数据，造成两者间数据的空间尺度不匹配。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法较好地获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的缺陷，提供一种可以有效获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法及系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法，包括以下步骤根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界，所述研究区为干旱或者半干旱区；利用所述包气带岩性结构边界裁切卫星影像数据，获取研究区的遥感数据；获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据；利用研究区的遥感数据，采用“像元二分模型”反演像元尺度下的植被覆盖度并生成植被覆盖度图像，且反演的植被覆盖度数据与对应的所述野外测量的植被覆盖度数据相关系数大于O. 80 ；根据所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据，生成与所述植被覆盖度图像具有相同空间分辨率的地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像；利用图像处理工具，对所 述像元尺度下的植被覆盖度图像与所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像进行二维散点图运算，生成像元尺度下的植被覆盖度与地下水潜水埋深和地下水水化学浓度关系的二维散点图；根据所述二维散点图以及系统科学理论，获得天然植被生长随地下水潜水埋深和水化学浓度变化关系。本发明所述的获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法中，所述卫星影像数据为RapidEye卫星影像IB级数据，空间分辨率为5m。本发明所述的获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法中，所述根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界具体为通过在研究区获取的土壤钻孔数据和基于RapidEye卫星影像修编的地貌图，确定包气带岩性结构边界。本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是提供一种获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的系统，包括包气带岩性结构边界确定模块，用于根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界，所述研究区为干旱或者半干旱区；研究区遥感数据获取模块，用于利用所述包气带岩性结构边界裁切卫星影像数据，获取研究区的遥感数据；植被覆盖度和地下水数据获取模块，用于获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据；植被覆盖度遥感反演模块，用于利用研究区的遥感数据，采用“像元二分模型”反演像元尺度下的植被覆盖度并生成植被覆盖度图像，且反演的植被覆盖度数据与对应的所述野外测量的植被覆盖度数据相关系数大于O. 80 ；地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像生成模块，用于根据所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据，生成与所述像元尺度下的植被覆盖度图像具有相同空间分辨率的地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像；二维散点图生成模块，用于利用图像处理工具，对所述像元尺度下的植被覆盖度图像与所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像进行二维散点图运算，生成像元尺度下的植被覆盖度与地下水潜水埋深和地下水水化学浓度关系的二维散点图；地下水一天然植被系统关系获取模块，用于利用所述二维散点图，获得天然植被生长随地下水潜水埋深和水化学浓度变化关系。本发明所述的系统中，所述卫星影像数据为RapidEye卫星影像IB级数据，空间分辨率为5m。本发明所述的系统中，所述包气带岩性结构边界确定模块，具体用于通过在研究区获取的土壤钻孔数据和基于RapidEye卫星影像修编的地貌图，确定包气带岩性结构边界。本发明产生的有益效果是本发明以包气带岩性结构作为基本研究单元，使地下水一植被系统研究具备了明确的水文地质学意义；以高分辨率卫星影像数据的像元作为研究尺度，突破了地下水-植被系统研究中研究对象尺度不匹配的瓶颈问题；采用“像元尺度模式”能够深入揭示地下水-天然植被系统之间的关系，进而为依赖地下水的生态安全和水资源管理与调控提供技术方法支撑。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图I为本发明实施例获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法的 流程图；图2为本发明实施例反演的像元尺度下的植被覆盖度和野外测量的植被覆盖度之间的相关系数图；图3为本发明实施例获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的系统结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法，如图I所示，包括以下步骤S101、根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界，研究区为干旱或者半干旱区；在本发明的一个实施例中，根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界具体为通过在研究区获取的土壤钻孔数据和基于RapidEye卫星影像修编的地貌图，确定包气带岩性结构边界。将敦煌盆地做为研究区，所需的数据来源包括3个部分1、采用野外开挖探坑的形式，采集敦煌盆地土壤钻孔数据。2、收集整理敦煌盆地内上世纪80年代公开出版的钻孔数据。3、经敦煌盆地RapidEye卫星修编后的地貌图。综合分析上述数据，确定包气带岩性结构边界范围，面积为408. 36km2。S102、利用包气带岩性结构边界裁切卫星影像数据，获取研究区的遥感数据；本发明实施例中采用的卫星影像数据为RapidEye卫星影像IB级数据，空间分辨率为5m。本发明实施例中，选用2010年8月18号成像的RapidEye卫星数据，数据成像质量良好，空间分辨率为5m，能够满足需求。以选定的包气带岩性结构为研究单元，裁切该RapidEye数据，得到研究单元。裁切后的栅格图像，像素矩阵为9059X5771，即共有52，279,489 个像元。S103、获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据；
本发明实施例中，在2011年6月1-20日，对包气带内的天然植被进行IOmX IOm或者5mX5m的样方调查，完成了分布较为均匀的24个植被的样方调查，测量了其植被覆盖度。尽管釆用的RapidEye成像时间和野外测量植被覆盖度的时间相差一年，但是在一个季度内，植被覆盖度基本没有变化，满足发明条件。植被覆盖度测量结果如下表I所示表I植被覆盖度野外测量结果
权利要求
1.一种获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法，其特征在于，包括以下步骤 根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界，所述研究区为干旱或者半干旱区； 利用所述包气带岩性结构边界裁切卫星影像数据，获取研究区的遥感数据； 获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据； 利用研究区的遥感数据，采用像元二分模型反演研究区的植被覆盖度，获取像元尺度下的植被覆盖度图像，且反演的像元尺度下的植被覆盖度数据与对应的所述野外测量的植被覆盖度数据相关系数大于O. 80 ； 根据所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据，生成与所述植被覆盖度图像具有相同空间分辨率的地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像； 利用图像处理工具，对所述像元尺度下的植被覆盖度图像与所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像进行二维散点图运算，生成像元尺度下的植被覆盖度与地下水潜水埋深和地下水水化学浓度关系的二维散点图； 根据所述二维散点图以及系统科学理论，获得天然植被生长随地下水潜水埋深和水化学浓度变化关系。
2.根据权利要求I所述的获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法，其特征在于，所述卫星影像数据为RapidEye卫星影像IB级数据，空间分辨率为5 m。
3.根据权利要求2所述的获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的方法，其特征在于，所述根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界具体为通过在研究区获取的土壤钻孔数据和基于RapidEye卫星影像修编的地貌图，确定包气带岩性结构边界。
4.一种获得干旱、半干旱区地下水与天然植被系统的关系的系统，其特征在于，包括 包气带岩性结构边界确定模块，用于根据预先收集的数据确定研究区的包气带岩性结构边界，所述研究区为干旱或者半干旱区； 研究区遥感数据获取模块，用于利用所述包气带岩性结构边界裁切卫星影像数据，获取研究区的遥感数据； 植被覆盖度和地下水数据获取模块，用于获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据； 植被覆盖度遥感反演模块，用于利用研究区的遥感数据，采用像元二分模型反演像元尺度下的植被覆盖度并生成植被覆盖度图像，且反演的植被覆盖度数据与对应的所述野外测量的植被覆盖度数据相关系数大于O. 80 ； 地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像生成模块，用于根据所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征数据，生成与所述像元尺度下的植被覆盖度图像具有相同空间分辨率的地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像； 二维散点图生成模块，用于利用图像处理工具，对所述像元尺度下的植被覆盖度图像与所述地下水潜水埋深和地下水水化学特征图像进行二维散点图运算，生成像元尺度下的植被覆盖度与地下水潜水埋深和地下水水化学浓度关系的二维散点图；地下水一天然植被系统关系获取模块，用于利用所述二维散点图，获得天然植被生长随地下水潜水埋深和水化学浓度变化关系。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述卫星影像数据为RapidEye卫星影像IB级数据，空间分辨率为5m。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述包气带岩性结构边界确定模块，具体用于通过在研究区获取的土壤钻孔数据和基于RapidEye卫星影像修编的地貌图，确定包气带岩性结构边界。
全文摘要
本发明提出一种获得地下水与天然植被系统的关系的方法及系统，其中，方法包括以下步骤确定研究区的包气带岩性结构边界，研究区为干旱或者半干旱地区；获取研究区的遥感数据；获取研究区野外测量的植被覆盖度数据，以及地下水潜水埋深和水化学特征数据；利用“像元二分模型”反演研究区遥感数据，获取像元尺度下的植被覆盖度图像；生成像元尺度下的地下水潜水埋深和水化学特征图像；生成像元尺度下的植被覆盖度与地下水潜水埋深和水化学浓度关系的二维散点图；获得天然植被生长随地下水潜水埋深和水化学浓度变化的关系。本发明所研究的地下水—天然植被系统中研究对象的空间尺度相匹配；可有效、深入地揭示地下水—天然植被系统之间的关系。
文档编号G01V8/02GK102819047SQ201210274029
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者陈伟涛, 孙自永, 王焰新 申请人:中国地质大学(武汉)