本文關鍵詞：基于RS與GIS的井岡山國家級自然保護區(qū)森林冠層截留模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：森林冠層截留是森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程的重要組成部分。雨水到達森林生態(tài)系統(tǒng)的所經(jīng)過的第一個層次便是冠層,冠層的主要水文特性之一是對降雨的截留作用。截留作用,一方面可以防止雨水直接沖刷地表,減緩雨水達到地表的時間,使得林下枯落物層和土壤層能夠充分吸收雨水,減少水土流失；另一方面可以截留一部分雨水,減少到達地面的水量,被截留的雨水通過葉面蒸發(fā)重新進入森林的局部水循環(huán)過程,起到涵養(yǎng)水源的作用。本文選取井岡山國家級自然保護區(qū)作為研究區(qū),該區(qū)森林覆蓋率約95%,氣候類型屬于亞熱帶季風氣候,年均降水量約1400 mm。作為贛江上游重要的水源地,保護區(qū)森林冠層的截留研究能夠為保護區(qū)森林資源、水資源和生態(tài)環(huán)境的管理和保護提供科學依據(jù),還能作為區(qū)域水量平衡和水資源評價等相關研究的基礎。研究對已有的冠層截留模型進行改進,以用于研究區(qū)冠層截留模擬。采用實地觀測數(shù)據(jù)對模型進行率定,并將模型寫入計算機程序,實現(xiàn)截留模型的集成化。利用集成化模型研究實現(xiàn)區(qū)域尺度冠層截留模擬,并通過對模擬結果進行分析得到區(qū)域尺度的森林冠層在不同時間尺度的截留特征。以Aston冠層截留模型為基礎,對模型進行如下改進：a)根據(jù)樹體持水能力和綜合氣象條件將降雨事件劃分為可以使樹體持水量飽和不飽和兩類,使模型可用于任意降雨事件的截留模擬；b)考慮了降雨事件開始時樹體的濕潤程度對截留的影響,剔除了降雨開始時樹體干燥的假設；c)建立了樹體最大持水量與冠層生態(tài)參數(shù)間的關系,使模型可以用于區(qū)域尺度的模擬。除去常規(guī)氣象觀測可以直接獲取的參數(shù),改進后的截留模型需要通過實驗率定的參數(shù)包括：LAI、濕潤樹體蒸發(fā)強度e和單位面積冠層最大持水量Icm*。森林冠層葉面積指數(shù)LAI是郁閉度c的冪函數(shù)。在野外實驗中利用LP-80葉面積指數(shù)儀采集了10個觀測樣地的葉面積指數(shù)值LAI,并同時用冠層攝像的方式采集了對應樣地的林冠郁閉度c。通過對實驗采集的LAI和c進行回歸分析,研究發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)內兩者關系為：LAI=6.258c1.669,模型的決定系數(shù)為0.867。利用彭曼模型計算濕潤樹體的蒸發(fā)強度時,模型所需參數(shù)均來自于氣象觀測參數(shù),分析表明彭曼模型在井岡山地區(qū)是適用的。本文以0.5h為時間步長計算了該區(qū)域2013年的潛在蒸發(fā)強度。計算結果與鄱陽湖流域的多年觀測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),從年總量來看,兩者的偏差為3%。對應月份的比較中,除3月和9月,其它對月份的蒸發(fā)量都比較接近。冠層截留模型中的關鍵參數(shù)Icm*可通過遙感技術建立反演模型獲取。利用各樣地觀測的累計截留數(shù)據(jù)對模型中的關鍵參數(shù)單位面積冠層最大持水量Icm*進行了率定,結果顯示Icm*可以通過葉面積指數(shù)進行估計：Icm*=0.2963exp(0.5595LAI)。率定之后的模型經(jīng)驗證,在觀測樣地7的次降雨截留模擬中模型有效系數(shù)為0.74,均方根誤差0.87mm,比采用次降雨截留數(shù)據(jù)擬合得到的經(jīng)驗模型的精度更高,模型模擬其它樣地不同時段截留量的有效系數(shù)在0.61.0.89之間,均方根誤差為2.11.4.40 mm。這說明用累計截留觀測數(shù)據(jù)率定的模型可以達到應用需求。計算機模擬冠層截留的結果顯示,區(qū)域尺度上年尺度的森林冠層截留率是相對穩(wěn)定的。利用Python語言將率定的模型寫入計算機程序,將其封裝為ArcGIS的工具包。利用該程序模擬得到了保護區(qū)2012年3月26日-2014年9月20日期間的逐次降雨的截留量/率、逐月的截留量/率、逐年截留量/率和累計截留量/率的柵格分布數(shù)據(jù)。在區(qū)域尺度進行累計和年截留分析的結果顯示,在年尺度和長時間的累計截留尺度上,區(qū)域尺度的森林冠層截留率的變異程度較小,為21%±2%。保護區(qū)森林冠層在模擬期間對降雨的截留率為20.34%,年均截留量285.43mm·m-2,截留率為20.47%。不同森林類型的年均截留量在283.23mm·m-2-310.17mm·m-2之間,年均截留率在20.31%-22.25%之間。區(qū)域尺度的月截留分析結果顯示,森林在區(qū)域尺度的冠層月截留率在不同月份的波動幅度較大。截留率與降雨呈負相關關系(R2=0.44),而區(qū)域尺度的森林冠層月截留量與降雨量正相關(R2=0.8±0.05),通過月降雨量直接估計森林區(qū)域尺度的冠層月截留量,決定系數(shù)在0.799-0.806之間,均方根誤差在8.42-9.00 mm之間。不同森林類型區(qū)域尺度的冠層月截留量是過月降雨量和月內日降雨大于0.6 mm的降雨日的函數(shù),通過兩個參數(shù)估計的模型決定系數(shù)在0.911-0.914之間,均方根誤差為在5.69-6.11 mm之間,可見采用降雨量與月內日降雨大于0.6 mm的降雨日兩個參數(shù)共同估計冠層月截留量的精度比單獨采用雨量的方法能取得更好的效果。
【關鍵詞】：井岡山國家級自然保護區(qū) RS與GIS 森林冠層截留 計算機模擬 尺度
【學位授予單位】：福建師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S718.5;P208;P237
【目錄】：

• 中文摘要2-4
• ABSTRACT4-7
• 中文文摘7-13
• 緒論13-23
• 1 研究意義13-14
• 2 國內外研究現(xiàn)狀14-21
• 2.1 水源涵養(yǎng)研究14-17
• 2.2 冠層截留模型與模擬研究17-19
• 2.3 冠層生態(tài)參數(shù)的遙感反演研究19-21
• 3 研究內容21-22
• 4 小結22-23
• 第1章 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理23-29
• 1.1 研究區(qū)概況23-24
• 1.1.1 地理位置23
• 1.1.2 地形土壤23-24
• 1.1.3 氣候水文24
• 1.1.4 森林植被24
• 1.2 數(shù)據(jù)處理24-29
• 1.2.1 遙感影像預處理24-27
• 1.2.1.1 Landsat遙感影像25-26
• 1.2.1.2 輻射定標26-27
• 1.2.1.3 大氣校正27
• 1.2.2 其他數(shù)據(jù)27-29
• 第2章 研究方法29-41
• 2.1 研究思路和技術路線29
• 2.2 冠層截留計算機模型的開發(fā)29-30
• 2.2.1 開發(fā)環(huán)境30
• 2.2.2 PYTHON語言和ARCPY函數(shù)包30
• 2.3 冠層截留模擬模型改進及其精度評價方法30-33
• 2.3.1 ASTON冠層截留模型及改進31-32
• 2.3.2 模型精度評價方法32-33
• 2.4 葉面積指數(shù)LAI遙感模型率定方法33-35
• 2.4.1 葉面積指數(shù)LAI經(jīng)驗模型33
• 2.4.2 LAI采集方法33-34
• 2.4.3 郁閉度測量34-35
• 2.5 濕潤樹體的蒸發(fā)強度估計方法35-37
• 2.5.1 彭曼模型蒸發(fā)模型35-36
• 2.5.2 利用彭曼模型估計濕潤冠層蒸發(fā)強度36-37
• 2.6 單位面積冠層最大持水量I_(cm)~*的實驗率定37-41
• 2.6.1 單位面積冠層最大持水量值I_(cm)~*率定方法37-38
• 2.6.2 冠層截留量觀測方法38-39
• 2.6.3 樹干徑流觀測方法39-41
• 第3章 冠層截留模型中參數(shù)的率定和模型精度分析41-51
• 3.1 葉面積指數(shù)模型率定41-42
• 3.2 蒸發(fā)模型的適用性分析42-43
• 3.3 單位面積冠層最大持水量的率定43-46
• 3.3.1 不同實驗樣地的累計截留特征分析43
• 3.3.2 利用累計截留量率定單位面積冠層最大持水量43-45
• 3.3.3 利用LAI估計單位面積冠層最大持水量45-46
• 3.4 截留模型精度評價46-50
• 3.4.1 次降雨截留經(jīng)驗模型與改進ASTON模型的精度比較46-47
• 3.4.2 不同時段累計截留截留評價47-50
• 3.5 小結50-51
• 第4章 冠層截留計算機集成模型的開發(fā)51-57
• 4.1 計算機集成模型的開發(fā)思路51-52
• 4.2 開發(fā)完成的計算機模型52-56
• 4.2.1 彭曼(PENMAN-MONTEITH)計算機模型52-55
• 4.2.2 區(qū)域尺度冠層截留計算機模型55-56
• 4.3 小結56-57
• 第5章 區(qū)域尺度冠層截留模擬與分析57-67
• 5.1 區(qū)域尺度冠層截留模擬57
• 5.2 區(qū)域尺度的冠層多年累計/年截留分析57-61
• 5.2.1 冠層多年累計截留量/率分析57-59
• 5.2.2 年截留量/率分析59-61
• 5.3 區(qū)域尺度冠層月截留特征分析61-66
• 5.3.1 月降雨量對月截留量/率的影響61-63
• 5.3.2 月截留量的綜合影響因素分析63-66
• 5.4 小結66-67
• 第6章 結論與展望67-73
• 6.1 結論67-68
• 6.2 研究創(chuàng)新點68
• 6.3 討論與展望68-73
• 6.3.1 葉面積指數(shù)反演68-69
• 6.3.2 改進ASTON模型及其率定69-71
• 6.3.3 冠層截留計算機模擬71-73
• 參考文獻73-79
• 附錄79-99
• 碩士期間參與的項目和科研工作99-101
• 致謝101-103
• 個人簡歷103-107

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：基于RS與GIS的井岡山國家級自然保護區(qū)森林冠層截留模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：487423