基于MODIS的土壤水分反演及在流域产流模型中的应用

摘要

土壤干湿状况是监测土壤状况的重要指标之一，是农业、水文、气象等领域的重要基础信息。土壤含水量随时空的转换而变化，对地面和大气间的热量平衡、土壤温度及农田墒情等都会产生明显的影响。土壤水分的宏观、动态分布规律为监测土壤旱情、区域洪涝和土地退化等方面的研究提供有效信息。传统土壤水分测量方法虽然精度较高，但是费时费力且无法实现大面积土壤水分的动态监测。随着3S技术的发展，使用遥感技术手段监测土壤含水量成为国内外学者研究的热点内容。
　　 本研究选择中分辨率MODIS标准数据产品MOD11A2和MOD13A2以及30米分辨率DEM作为数据源。首先使用温度和植被指数构造特征空间的方法反演浙江省土壤含水量，接着利用土壤含水量、DEM水文因子和实时水雨情信息等作为输入参数，结合流域水文模型来模拟计算流域断面产流量，最后利用集成开发技术将上述研究在一套软件系统中实现。主要研究内容包括以下几个方面:
　　 (1)基于MODIS的土壤水分遥感反演
　　 本研究将反映土壤干湿趋势的温度植被干旱指数(TVDI)转化为土壤相对含水量，然后对研究区进行干旱分级。并使用同时相野外实测土壤含水量进行数据验证，发现反演结果与20cm深度土层含水量显著相关，能够较好地反映该深度土壤含水量。
　　 (2)基于三水源新安江模型的流域断面产流量计算
　　 本研究首先使用高分辨率DEM数据提取流域，然后将土壤相对含水量反演结果作为新安江模型的初始参数计算流域断面产流量，最后通过与实测值的相关性分析发现新安江模型计算结果和实测值有较好的相关性。
　　 (3)水情信息监测与流域产流计算集成系统的实现
　　 本研究使用微软公司提供的VS2008开发环境结合组件式GIS开发技术，将遥感数据处理、土壤水分反演、干旱分级和产流计算等功能模块化，便于软件系统的调试和功能重用。最后完成“水情信息监测与流域产流计算集成系统”的开发，该软件系统具有兼容性好、功能完善和数据处理效率高的优点。

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摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题依据

1．2 研究背景

1．2．1 国内外土壤水分遥感反演的研究进展

1．2．2 国内外流域产流模型的研究进展

1．3 主要研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

2 研究区概况和数据源介绍

2．1 研究区概况

2．2 数据源介绍

2．2．1 MODIS数据

2．2．2 DEM数据与水文参数提取

2．2．3 土壤水分实测数据

2．2．4 降水量数据

3 基于温度-植被指数的土壤水分遥感反演

3．1 方法与原理

3．2 数据处理和验证

3．2．1 数据预处理

3．2．2 构造不同时期特征空间

3．2．3 干湿边方程拟合

3．3 结论分析

3．3．1 土壤相对含水量反演结果

3．3．2 反演结果精度分析

3．4 土壤水分反演模型的应用

4 水情信息监测与流域产流计算集成系统设计

4．1 系统相关技术介绍

4．1．1 ArcGIS Engine介绍

4．1．2 VisualStudio2008介绍

4．1．3 C#语言介绍

4．2 开发环境

4．2．1 系统开发环境

4．2．2 系统运行环境

4．3 系统总体设计

4．3．1 需求分析

4．3．2 系统结构设计

4．3．3 数据库设计

5 水情信息监测与流域产流计算集成系统实现

5．1 系统类关系图

5．2 系统实现关键技术

5．2．1 HDF格式文件的读取

5．2．2 图层渲染技术

5．2．3 防止在处理遥感数据过程中操作界面假死

5．3 系统主界面

5．4 遥感数据处理模块

5．4．1 图层拼接

5．4．2 投影转换

5．4．3 图层裁剪

5．4．4 影像校正

5．5 土壤水分反演模块

5．5．1 构造特征空间和干湿边方程

5．5．2 计算TVDI

5．6 新安江模型与系统集成

5．6．1 模型结构

5．6．2 模型计算结果分析

5．6．3 模型计算结果演示

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献