本文選題：農業(yè)用水管理 + 數(shù)據同化��； 參考：《中國水利水電科學研究院》2016年博士論文

【摘要】：近年來,由于經濟社會發(fā)展帶來的工業(yè)和生活用水增長不斷擠占著農業(yè)用水空間,而人口增長同時帶來對糧食安全保障要求的提高,雙方面的壓力增加了農業(yè)供水安全保障的難度,需要開展科學灌溉和精細化農業(yè)用水管理。農業(yè)用水管理信息缺乏會導致灌溉不及時或用水浪費,信息及時、準確獲取對于提高農業(yè)用水管理的科學性和水平具有重要意義。土壤含水量信息是農業(yè)用水科學管理的重要基礎信息。依據精細的土壤含水量數(shù)據可以為作物需水估算、灌溉用水計劃制定、實施和調整、灌溉用水監(jiān)測、灌溉效果評估等提供支撐,極大改善灌溉用水管理水平,提高用水效率。土壤含水量信息的獲取方式有主要包括地面實測,遙感反演和模型模擬三種。這三種方式各有優(yōu)缺點,地面實測精度相對較高,但取樣成本高,空間代表性差；遙感反演具有空間連續(xù)性,但多為衛(wèi)星過境瞬時值,時間連續(xù)性差；在有灌溉的耕地區(qū)域,由于受人類活動影響,在灌溉水量時空分布不能準確獲得的情況下,模型很難準確模擬灌溉區(qū)域的土壤含水量時空變化。任何一種方式單獨使用都不能滿足農業(yè)用水管理對土壤含水量的數(shù)據需求。利用數(shù)據同化技術,可以實現(xiàn)地面實測、遙感反演和模型模擬三種方式的優(yōu)勢綜合,提供時空連續(xù)土壤含水量模擬數(shù)據,并有效改善多源數(shù)據的一致性問題。土壤含水量數(shù)據同化起步于20世紀90年代。目前最具代表性的數(shù)據同化系統(tǒng)如北美陸面數(shù)據同化系統(tǒng)(NLDAS)、歐洲陸面數(shù)據同化系統(tǒng)(ELDAS)和中國陸面數(shù)據同化系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)大多依靠靜止衛(wèi)星或被動微波數(shù)據,能提供高時間分辨率的陸面數(shù)據,但空間分辨率一般較粗,在10km以上,主要面向全球氣候變化和大尺度干旱預警需求,不能滿足農業(yè)用水管理尤其是精細化的需要。隨著我國航天事業(yè)的迅速發(fā)展,基于中高分辨率衛(wèi)星的對地觀測能力不斷提高,具備了以30米及以上分辨率衛(wèi)星組網形成高時間分辨率對地觀測的條件,使得基于衛(wèi)星遙感和我國自主衛(wèi)星數(shù)據源實現(xiàn)面向農業(yè)用水管理的土壤含水量監(jiān)測成為可能。農業(yè)用水管理所需要的土壤含水量數(shù)據與現(xiàn)有陸面數(shù)據同化系統(tǒng)的數(shù)據產品時空尺度不同。面向這一需求的土壤含水量數(shù)據同化還存在諸多技術難點有待解決,主要包括：1、在農業(yè)用水管理所需的時空尺度上,人類活動影響不可忽略,陸面過程模型應用受限,需解決陸面過程模型的合理應用問題;2、由于空問分辨率提高,衛(wèi)星數(shù)據單景范圍減少,需依靠多種數(shù)據源組合解決大區(qū)域范圍數(shù)據的時空一致性問題；3、時間尺度相對放寬,一個時間步長內有多種觀測數(shù)據源,需要研究多種數(shù)據源的融合技術,提高一致性和整體觀測精度；4、需要將遙感獲取的瞬時觀測轉換為農業(yè)用水管理所需的時間尺度：5、大區(qū)域范圍高分辨率的土壤含水量數(shù)據同化會面臨同一時段內觀測場與模擬場范圍不一致問題,需要研究差異范圍的數(shù)據同化技術。綜上,需要梳理需求和問題,建立面向農業(yè)用水管理的土壤含水量數(shù)據同化技術框架,研究各項問題的解決方法。本文針對上述問題,開展了以下研究：1、基于對農業(yè)用水管理中土壤含水量獲取和土壤含水量數(shù)據同化國內外研究現(xiàn)狀的梳理,總結了存在問題;2、從農業(yè)用水管理需求出發(fā),分析選擇了土壤含水量數(shù)據同化適宜的時空尺度,搭建面向農業(yè)用水管理的土壤含水量同化總體框架,針對灌溉期與非灌溉期建立不同土壤含水量獲取方案,在灌溉期,建立基于作物類型多源遙感土壤含水量空間插補及日間多源數(shù)據融合方法來保證灌溉期時空連續(xù)土壤含水量的獲取,非灌期則建立基于地塊尺度的土壤含水量同化方案；3、研究了土壤含水量時空尺度轉換方法。在時間尺度上,發(fā)展了基于時譜特征的多源土壤含水量時間尺度方法,實現(xiàn)遙感反演瞬時土壤含水量向日均值的轉換；在空間尺度上,將研究單元轉換到了地塊尺度上,以統(tǒng)一作物和土壤屬性的地塊作為研究單元,更加符合農業(yè)用水區(qū)的特點,避免了以像元為研究單元所帶來的混合像元分解和對高分辨率數(shù)據過分依賴的問題,也不會像網格模擬對研究的空間尺度和模擬精度有妥協(xié)。在滿足應用需求的同時,也可在一定程度上提高產品生產效率。同時,提出了面向農業(yè)用水的地塊編碼方案,為盡一步將農業(yè)用水管理制度引入陸面過程模型打下基礎；4、針對灌溉期模型應用受限的問題,提出了基于作物類型多源遙感土壤含水量空間插補及多源數(shù)據日間融合方法保證灌溉期連續(xù)時空土壤含水量監(jiān)測；5、針對非灌溉期,利用Noah陸面過程模型,搭建了基于EnKF的土壤含水量同化方案,進行了同化算法的參數(shù)率定研究,研究了相關參數(shù)對同化結果的影響,并實現(xiàn)了算法應用：6、以河套灌區(qū)為研究區(qū)域,基于多衛(wèi)星遙感數(shù)據、地面觀測數(shù)據、模型模擬進行了方法的驗證與應用研究,進行了土壤含水量數(shù)據同化,形成了研究區(qū)日-地塊尺度的土壤含水量數(shù)據,并依據該數(shù)據進行了灌前作物需水量分析、灌后灌溉面積監(jiān)測,對最終結果進行了分析與校驗。通過本文研究,得到以下結論：1、日-地塊尺度是適合農業(yè)用水管理的時空尺度,這一的土壤含水量既能滿足農業(yè)用水管理對數(shù)據的時空精度要求,又有效避免了混合像元問題、減少了計算負荷,具有農業(yè)用水特點；2、通過對多衛(wèi)星數(shù)據源的插補融合,可有效提高衛(wèi)星遙感監(jiān)測土壤含水量的時空分辨率,擴大監(jiān)測范圍,改善多源數(shù)據一致性。基于我國自主中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據源,利用多源衛(wèi)星數(shù)據的插補融合技術,已可實現(xiàn)對農業(yè)生產較高時空分辨率的覆蓋觀測；3、考慮人類活動影響,對灌溉期和非灌溉期建立不同的數(shù)據解決方案,在灌溉期充分利用遙感觀測進行融合和插補,彌補模型不足；在非灌溉期,利用模型驅動,同化得到時空連續(xù)數(shù)據,并不斷更新誤差分布特征,改善同化效果,最大程度地綜合了觀測和模擬各自的優(yōu)勢,為農業(yè)用水管理提供土壤含水量數(shù)據服務：4、對大區(qū)域范圍的農業(yè)用水管理,建立了部分區(qū)域缺測條件下的數(shù)據同化技術,利用地統(tǒng)計方法將誤差統(tǒng)計特征進行擴展,提高了觀測數(shù)據的使用效率和區(qū)域數(shù)據的一致性；5、本文建立的面向農業(yè)用水管理的土壤含水量數(shù)據同化技術框架及包含的多個技術方法在內蒙古河套灌區(qū)進行了應用,應用結果表明技術框架合理可行,綜合應用框架中的各類技術方法,可獲得日-地塊尺度時空連續(xù)的土壤含水量數(shù)據,為灌溉前的作物需水估算、灌溉中和灌溉后的灌溉面積監(jiān)測、灌溉水量估算、灌溉效果評估提供定量依據,為灌溉計劃制定、實施、監(jiān)督、調整、評估等提供支撐,對提高農業(yè)用水管理水平有重要作用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國水利水電科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S152.7

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