基于遥感的流域植被生态系统旱季耗水量估算方法与流程
本发明属于水文计量技术领域，涉及一种基于遥感的流域植被生态系统旱季耗水量估算方法。
背景技术：
水是生命之源，生产之要，生态之基。自然环境的维护和人类社会的可持续发展均离不开水资源。然而，气候、地理等诸多条件决定了我国的水资源时空分布极度不均。因此，合理配置、利用水资源具有极其重要的意义。在水资源供给与配置中，“按需分配”是基本原则。水资源管理的最佳尺度为流域或区域尺度，针对一个区域的未来水资源配置方案，通常基于该区域历史水资源消耗量进行计算、制定。植被生态系统(包括天然植被生态系统和人工植被生态系统)作为“耗水大户”，消耗的水资源占消耗总量的70％左右。因此在制定水资源配置方案时，植被生态系统的水资源需求不容忽视。
合理、优化的水资源配置方案对生态系统健康的维持具有十分重要的意义。随着党中央和各级人民政府对生态文明建设的日益重视，准确估算植被生态系统的需水量显得格外重要。由于旱季水资源相对匮乏，而植被恰好处于生长发育的关键时期，因此旱季生态系统耗水量的估计显得尤为重要。
目前，针对植被耗水，水利工作者已研发了作物系数模型、控制点模型等计算系统进行估算。这些系统多基于单株植物或是田块进行计算，虽然原理简单，但是存在几个严重的问题：(1)结果难以拓展到大面积区域(如流域、区域等)，对水资源配置方案制定的参考价值有限；(2)计算过程引进经验参数，缺乏物理机制，精度较低；(3)输入数据难以获取；(4)计算体系结果无法验证。此外，已有系统还存在输出结果用途单一、计算耗时长、难以程序化等诸多缺陷。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：对于区域或者流域尺度，如何实现对植被耗水的精确估算。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于遥感的流域植被生态系统旱季耗水量估算方法，其包括以下步骤：
步骤一：数据获取
获取目标流域至少一年来日平均降雨量、日平均雪盖厚度、归一化植被指数旬值、日平均径流数据、研究区域经纬度五类数据；
步骤二：数据切割及格式统一
将所获得的五类数据进行数据格式统一，并将数据覆盖范围转换为研究区域；
步骤三：作图法求流域植被旱季耗水量
(1)基于步骤二中得到的数据，求取逐日流域平均降雨量P
其中，Pi,j为研究区域内任一栅格的日降雨量，n为研究区域内所有的栅格数；
(2)求取逐日流域平均净雨PE,d
PE,d＝P-Ei
其中，Ei为植被冠层截留量；
(3)基于步骤二中得到的日平均雪盖厚度，求取逐日流域平均融雪水SWd,i
其中，Hs是雪盖厚度，ρs是积雪密度，ρw是融雪水密度，下标i表示第i天，i+1表示第i+1天，以此类推；
(4)基于PE,d和SWd,i求和，获得逐日流域平均降水，累加逐日流域平均降水，获得流域累积降水，即流域累积入流量，并绘制流域累积入流量曲线；
(5)基于步骤一中收集的径流数据，求和获得流域多年径流量R，根据水量平衡原理，多年累积入流量减去多年径流量即为多年耗水量，根据下式计算流域日平均耗水量Eta，绘制流域日平均耗水直线：
式中，N为研究时段的总天数；
(6)计算流域旱季日平均耗水量，绘制流域旱季日平均耗水直线：
式中，Etd是流域旱季日平均耗水量，Fa和Fd分别是流域年平均植被盖度和流域旱季平均植被盖度；V是归一化植被指数旬值，Vn和Vx分别为一个区域的归一化植被指数的最小值和最大值。
用(6)中获得的流域旱季日平均耗水直线的平行线切(4)中获得的流域累积入流曲线，求取两根切线之间的距离，及可得该年流域植被生态系统旱季耗水量Sr。
其中，所述步骤一中，日平均降雨量数据的时间分辨率为3小时，空间分辨率为11km，数据覆盖范围为全国；日平均雪盖厚度数据时间分辨率为1天，空间分辨率为25km，数据覆盖范围为全国；归一化植被指数旬值的时间分辨率为8天，空间分辨率为1km，数据覆盖范围为全国；日平均径流数据的时间分辨率为1天；研究区域经纬度空间分辨率为1km。
其中，所述步骤二中，根据研究区域的经纬度范围，确定研究区域内的所有栅格，将日平均降雨量、日平均雪盖厚度、归一化植被指数旬值均转化为txt格式，数据覆盖范围也由全国转化为研究区。
其中，所述步骤(2)中，Ei取1.6；所述步骤(6)中，Vn和Vx分别取0.15和0.85。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于遥感的流域植被生态系统旱季耗水量估算方法，能够在流域尺度计算植被生态系统旱季耗水量，填补现有空白。
附图说明
图1为本发明实施例进行耗水量估算的方法图示。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
基于现有技术中存在的技术问题，本发明方法的思路为：植被根区土壤在降水量较大时储存多余的水分，水分不足时为植被提供水分；基于水量平衡原理，由逐日降雨量扣除填洼、截留和径流得到累积入流量，进一步计算干旱期植被耗水量；通过建立气象(降雨及融雪)、水文(径流)和生态(植被)之间的关系，估计流域尺度土壤水分情况。
具体地，本发明实施例流域植被生态系统旱季耗水量估算方法包括以下步骤：
步骤一：数据获取
获取目标流域至少一年来日平均降雨量、日平均雪盖厚度、归一化植被指数旬值(NDVI)、日平均径流数据、研究区域经纬度五类数据。
上述五类数据可以通过水文数据记载记录进行查询或者通过其他方式来获得，五类数据的详细要求分别描述如下。
(1)日平均降雨量
日平均降雨量数据的时间分辨率为3小时，即每三小时一个降雨量数据；空间分辨率为11km，即研究区域被划分为若干个变长为11km的正方形栅格，类似于数码相机拍出来的照片其实都是由一个一个像素组成的，每一个栅格的中心点的经纬度是已知的。数据格式为NetCDF文件，覆盖范围为全国。
(2)日平均雪盖厚度
雪盖厚度数据时间分辨率为1天，空间分辨率为25km。数据格式为TIFF文件，覆盖范围为全国。
(3)归一化植被指数旬值
NDVI数据的时间分辨率为8天，空间分辨率为1km。数据格式为TIFF文件，覆盖范围为全国。
(4)日平均径流数据
径流数据的时间分辨率为1天，该数据为站点数据，不存在空间分辨率。数据格式为ASCII码(.txt文件)。
(5)研究区域经纬度
研究区域经纬度空间分辨率为1km，数据格式为txt文件。
步骤二：数据切割及格式统一
根据研究区域的经纬度范围，确定研究区域内的所有栅格(因为每个栅格的经纬度都是已知的，而研究区域的经纬度范围也是已知的，所以可以确定研究区范围内所有的栅格)，将日平均降雨量、日平均雪盖厚度、归一化植被指数旬值均转化为txt格式，数据覆盖范围也由全国转化为研究区域。
步骤三：作图法求流域植被旱季耗水量
其中，下述步骤(1)-(4)求取流域累积入流曲线，(5)-(6)求取流域旱季日平均耗水直线。
(1)基于步骤二中获取的数据，求取逐日流域平均降雨量P，即将研究区域内所有栅格的日降雨量求和后再除以栅格数：
其中，Pi,j为研究区域内任一栅格的日降雨量，n为研究区域内所有的栅格数。
(2)求取逐日流域平均净雨PE,d，即逐日流域平均降雨量P减去植被冠层截留量Ei，本实施例中Ei取1.6；
PE,d＝P-Ei
(3)基于步骤二中获取的日平均雪盖厚度，求取逐日流域平均融雪水SWd,i。下式中Hs是雪盖厚度，ρs是积雪密度，ρw是融雪水密度。下标i表示第i天，i+1表示第i+1天，以此类推。
(4)基于PE,d和SWd,i求和，获得逐日流域平均降水(降水和降雨并不相同，降水包括降雨和降雪的融水)，累加逐日降水，获得流域累积降水，即流域累积入流量，继而绘制流域累积入流量曲线。
(5)基于步骤一中收集的径流数据，求和获得流域多年径流量R，根据水量平衡原理，多年累积入流量减去多年径流量即为多年耗水量。根据下式计算流域日平均耗水量Eta，绘制流域日平均耗水直线：
式中，N为研究时段的总天数。
(6)计算流域旱季日平均耗水量，绘制流域旱季日平均耗水直线：
式中，Etd是流域旱季日平均耗水量，Fa和Fd分别是流域年平均植被盖度和流域旱季平均植被盖度。V是NDVI，Vn和Vx分别为一个区域的归一化植被指数的最小值和最大值，为固定值，本实施例分别取0.15和0.85。
用(6)中获得的流域旱季日平均耗水直线的平行线切(4)中获得的流域累积入流曲线，如图1所示，求取两根切线之间的距离，及可得该年流域植被生态系统旱季耗水量Sr。
获得目标流域植被生态系统旱季耗水量之后，可以进行以下应用。
一、基于未来流域植被旱季耗水量预测的干旱灾害预警系统
基于大气环流模型(GCM，Global Circulation Model，这是一种用于预报未来气候的模型，输出的模拟结果包含降雨、气温等众多气象要素，其实就是一种大型软件，需在超级计算机上运行)输出的降雨、降雪、气温数据，驱动水文模型，获得模拟径流量。在此基础上重复步骤1-4，对未来某一年的流域植被生态系统旱季耗水量Sr进行预测，若耗水量预测值远高于历史值，则发出干旱灾害预警。为未来水资源配置、应对干旱等提供科学依据。
二、基于GCM不同情景下(如温室气体排放量增加、温室气体排放量不变等)的输出气象要素，驱动水文模型，获得模拟径流量。在此基础上重复步骤1-4，获得不同温室气体排放情景下的流域植被生态系统旱季耗水量Sr估计值。基于此，预测不同温室气体排放程度下流域植被生态系统旱季耗水量，若温室气体排放量达到一定程度，使得流域植被旱季耗水剧烈增加，则发出预警，调控温室气体排放量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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