EcoHAT

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研究成果

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一、研究介绍

（一）当前，生态水文研究小组的主要研究目标包括：

1、研究生态水文过程和开发动态模型；

2、耦合遥感技术与区域尺度的生态水文模型；

3、构建支撑生态水文模拟系统的数据库（多源数据库的同化）；

4、揭示陆、水生态系统生物环境响应机理。

（二）研究课题

1、三江平原农业胁迫下的区域生态环境过程及安全调控研究

课题研究旨在揭示中高纬温带农业活动作用下的物质土水界面迁移机理和流域营养元素迁移转化规律，探明人类活动对区域生态与环境系统物质平衡与迁移过程的影响。课题按三江平原生态与环境要素的多元信息反演与历史重建、农田营养元素迁移监测与模拟、区域尺度营养元素迁移和农业活动对区域生态水文过程的影响等4个专题开展研究工作，以明确三江平原农业活动胁迫下的生态与环境演化规律，为三江平原生态环境安全调控提供理论支撑。

2、渭河流域利用遥感反演土壤含水量研究

本项目是水利部公益项目，目标是在弄清泾渭河下游典型流域内土壤水的变化、运移机制基础上，依靠遥感信息构建生态水文模型，反演区域土壤水分含量，实现土壤水的动态模拟与监测。具体目标包括： (a) 揭示区域土壤水分含量变化规律及其运移机制，为土壤水分数值模拟、模型搭建奠定理论基础; (b) 构建适用于研究区的基于遥感信息驱动的土壤水运动、变化模型，开发具有反演、模拟功能的计算软件系统，实现泾渭河下游典型流域土壤水分含量的定量模拟; (c) 依据不同时期的环境变化，开展流域土壤水分含量变化和生态健康分析，提供环境变化条件下的流域水土资源及生态因子参数，重点分析生态敏感目标的环境变化响应。
3 、海南省植被生态耗水监测的应用

利用EcoHAT中植被生态用水模块，首先根据海南省内7个代表气象台站2000年的气象数据，得到模块所需要的气象参数，然后采用2000年的海南省的TM影象进行遥感解译，得到海南省土地利用图，从而统计得到各植被类型的面积，最后得到各生态分区植被生态需水量。
4、黄河流域典型地区生态耗水监测的应用与验证

保证植被生态耗水是黄河流域生态环境建设的一项重要措施。利用EcoHAT系统中植被生态用水模块对黄河流域典型区——三门峡地区的植被生态耗水量进行模拟。首先在EcoHAT系统上利用RS地表参数反演工具，从TM影像反演获得NDVI、LAI、反照率、地表温度等地表参数；利用参数管理工具，把气象站点的大气压、风速、气温、相对湿度等气象参数插值为栅格图，并且选择其分辨率和TM影像相一致。在模型界面下，输入参数，运行模型运算，得到黄河三门峡区域1957年8月、1967年8月、1977年8月、1987年4月、8月、1994年4月、8月、2002年5月、8月植被生态耗水量模拟结果，图1是1987年8月份三门峡地区的植被生态耗水量空间分布图。

利用研究区附近的泾川气象观测站的大孔径闪烁仪观测的2006年1月日均显热通量值，利用能量平衡，得到观测点的日均蒸散发，即植被生态耗水量；然后，基于构建的模型，利用2006年北京一号遥感数据模拟得到观测点2006年1月日均蒸散发量。将观测值与模拟得到的结果进行验证分析，验证结果表明，模拟值和实测值的相关系数为0.90，平均相对误差为9.4%，在一定程度上验证了EcoHAT系统中植被生态耗水量模型的有效性。

图1 1987 年8月份三门峡地区植被生态耗水量空间分布图

5、贵州喀斯特地区水分物质循环监测的应用

利用EcoHAT 系统中土壤水分循环模块对贵州省土壤水分运移规律进行了模拟分析。通过RS工具，基于中分辨率的MODIS数据反演出贵州省大尺度角度下的各陆表参数(如：地表温度、NDVI、气温、日照时数等)，进而模拟出贵州省土壤水分运动转化过程，定量描述了喀斯特地区土壤水分变化，并对影响土壤水分变化的相关因子进行相关性分析，表明：贵州春季土壤水分含量均值为0.23mm/mm，次降雨通过蒸散发和下渗等作用在10天左右，土壤水分含量及其增长率接近稳定状态，平均土壤水分变化率为1.16%；降水量对土壤水分变化的影响程度较其它的气象因子大，是土壤水分变化的最主要的净影响因子；春季贵州省土壤水分空间分布总体上呈现东南、南部较高，而中部，北部、西部地区较低的分布特征。
6、贵州省喀斯特地区植被NPP监测的的应用

利用EcoHAT 系统中植被NPP模块，依托遥感手段，利用MODIS数据和气象资料，实现了喀斯特生态环境典型区——贵州省2001年植被净第一性生产力的估算，并通过喀斯特地区与非喀斯特地区植被NPP的对比，重点研究了喀斯特地区植被NPP的时空变化特征，得到以下主要结论：（1）喀斯特地区与非喀斯特地区的植被NPP在时空分布上存在明显差异，非喀斯特地区的植被NPP平均值高出喀斯特地区约13.3%。（2）非喀斯特地区的NPP频度分布呈双峰型，而喀斯特地区的NPP值似正态分布。（3）年内植被NPP的最高值和最低值均出现在7月和1月，但喀斯特地区比非喀斯特地区的整体波动性大。（4）喀斯特地区植被NPP的季相空间变化显著，石漠化较为严重的地区，其植被NPP明显小于其它地区，且季间差异较明显。
7、贵州典型喀斯特地区两层土壤水分监测的应用与验证

利用EcoHAT 系统中土壤水分循环模块对贵州典型喀斯特地区两层土壤水分进行模拟。基于龙里生态园监测数据和TM 遥感数据，对贵州典型喀斯特地区2005年10月-2006年5月日尺度上的两层（0-15cm、15-40cm）土壤水分含量进行了模拟，对EcoHAT系统中的土壤水分模型进行了应用和验证。应用贵州龙里生态园试验中HOBO气象监测的0-15cm、15-40cm两层土壤水分数据对模拟结果中荒山草坡类型的土壤水分模拟结果进行验证，发现0-15cm、15-40cm土层模拟值与实测值相关系数分别达到0.84、0.83，匹配效果较好。
8、小流域暴雨洪水模型参数空间尺度转换研究

在遥感科学国家重点实验室河北承德试验场建立的径流实验小区和降水、蒸发、土壤水等水文要素自动观测网络的基础上，依托星-地同步综合多时相观测，建立遥感水文信息数据库；分别构建核心（十米）、小尺度（百米）、背景（千米）三级研究尺度，在对DEM、土壤质地、土地利用类型综合空间分类的基础上，基于“斑块-廊道”空间特性，获取景观指数与暴雨洪水模型（EcoHAT-LCM：Landcover Catchment Model）输入的空间异质性等先验知识，构建遥感水文模型参数先验趋势面库；在对EcoHAT-LCM模型参数空间插值的基础上，基于分形理论、主成份分析法，分析模型参数对空间异质性的响应机制，遴选各级尺度上模型参数的关键影响要素，利用MPR (Multiscale Parameter Regionalization)计算方法，以景观指数作为协变量，建立升尺度函数库，基于贝叶斯方法和径流多时相数据，构造模型参数后验趋势面库，分析模型输出的不确定性，反馈修正模型参数空间升尺度函数库。
9、基于水生态系统金字塔构架的河道内生态需水研究

健康完整的生态系统是健康河流的基本单位，健康的水生态系统中各类生物物种数量分布呈现良好的金字塔架构，而完整的生态系统的功能可分解到不同层次的功能组。功能组是指功能相似的物种的集合体，功能组的缺失给生态系统造成的损害是巨大的。本研究以黄河入海口小清河为研究对象，在分析目前水质、生态空间分布的基础上，划定多个采样断面，定期取样（包括底栖动物、浮游动物、浮游植物、高等维管束植物），采集水生态系统信息，然后分析水生态系统中物质、能量传递机制，基于健康水生态系统金字塔架构，进行功能组筛选分类，在保持各层功能组内一定生物多样性的前提下，遴选出各层功能组中的关键物种，作为河道内生态需水计算的指示生物，分析各指示生物特性以及不同时期对水量、水动力等条件的要求，以申请者等人研究成果“改进的水力半径法”为基础，进一步研究基于水生态系统金字塔架构的河道内生态需水计算方法。
10、济南市水生态时空变异驱动机制及自动监测模式
目标：通过（1）分析济南市水体生态系统时空变异特征；（2）揭示水生态系统时空变异的主要驱动因子及驱动机制，为济南市水生态文明城市建设提供重要科学依据。
11、基于知识库空间信息耦合模型的北川县震后土壤侵蚀分析

基于土壤水力侵蚀强度分级标准，考虑地震造成的崩塌、滑坡、泥石流、碎屑流等特殊土壤侵蚀类型，构建了地震重灾区土壤侵蚀强度分级知识库；采用北京一号小卫星多光谱遥感影像、1：10万土地利用图、1：5万数字高程模型（DEM）数据，在RS、GIS技术的支持下，结合专家知识判断，快速提取了北川县土地利用、地面坡度、植被盖度、特殊侵蚀类型等土壤侵蚀因子空间信息，其中土地利用和特殊侵蚀类型图采用人机交互式解译的方法提取，植被盖度基于像元二份模型计算。在此基础上，利用EcoHAT系统中知识库和空间信息耦合型土壤侵蚀模型，快速完成了北川县震后土壤侵蚀分析。

结果表明，知识库空间信息耦合土壤侵蚀模型能于能用于快速土壤侵蚀调查；地震使北川县土壤侵蚀加剧，相比2000年全国土壤侵蚀遥感调查成果，震后土壤侵蚀面积增加了275.13km2，增长量为23.83%；特殊侵蚀类型面积占北川县面积的2.48%；林地土壤侵蚀面积最大，占总侵蚀面积的一半以上；耕地土壤侵蚀比例为98.95%；坡度是北川县土壤侵蚀的主要贡献因子，植被则是主要控制因子，坡耕地治理是今后北川县土壤侵蚀控制的主要方向。

12、大兴安岭地区土壤侵蚀快速监测与验证

基于“北京一号”卫星数据与知识库耦合建立土壤侵蚀监测方法，可以对大流域尺度土壤侵蚀进行快速监测，结果受人为因素影响小。本案例以大兴安岭地区为研究区，应用“北京一号”卫星数据与同期TM数据进行交叉辐射定标，计算大兴安岭地区植被覆盖度，建立大兴安岭地区土壤侵蚀空间信息数据库。以修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）为理论基础，结合地面调查，结合水利部sl196-90土壤侵蚀分类分级标准，建立土壤侵蚀知识库，通过构建空间信息与知识库耦合的土壤侵蚀监测方法，对大兴安岭地区的土壤侵蚀强度进行分级。
13、基于非结构性知识发现模型的贵阳市土壤侵蚀动态分析

搜集贵州省内17个小流域的河流输沙模数和土壤侵蚀影响因子资料，进行一系列的灰色相关分析和统计相关分析，获得贵州土壤侵蚀影响因子和土壤侵蚀间的非结构性知识；利用贵阳市TM数据，应用基于非结构性知识发现的土壤侵蚀信息提取方法初级方式――人机交互式解译方法提取了动态性贵阳市土壤侵蚀影响因子图件，包括植被覆盖度图、土地利用图，加上岩性、数字高程、土壤性状等动态性数据，应用非结构性知识发现模型中的专家知识库建立模块，通过专家知识的表输入、训练区输入和点输入方式建立了贵阳市土壤侵蚀的专家知识库。将土壤侵蚀因子数据送入非结构性知识发现模型中，用贵阳土壤侵蚀知识库数据对91年、94年和98年土壤侵蚀信息进行提取，分别得到91年、94年和98年的土壤侵蚀类型图；在此基础上，对贵阳市土壤侵蚀动态的土壤侵蚀恶化信息和土壤侵蚀危险程度进行了分析。

结果表明，随着经济的发展，贵阳的土壤侵蚀正在日益加重，94年至98年中土壤侵蚀面积增加了1.46%，各个土壤侵蚀等级都有进一步恶化的现象，贵阳约有33.3%的面积是土壤侵蚀容易发生和发展区域，不合理的开发是影响土壤侵蚀的最重要因素。

14、北京官厅水库库滨带去氮效应模拟分析

官厅水库是北京主要水源地之一，其库滨带是防止非点源污染进入水库的最后一道防线。利用EcoHAT系统对其库滨带去氮效应进行象元尺度模型模拟，包括土壤中氮的硝化反应、反硝化反应、土壤中氨挥发过程和植物对氮元素的吸收等过程模拟。应用的主要遥感数据为Landsat TM5和SPOT5，模拟的时间尺度为月，得到全流域月尺度氮去除量空间分布图(见图11)。模拟过程主要包括两大部分，首先利用EcoHAT系统中的遥感参数反演模块对主要地表参数进行反演，主要包括LAI，地表比辐射率和植被覆盖度等；然后通过系统中的事件过程，将岸边带生态水文过程，包括土壤N素化学循环和地表能量转化模块，进行组合，模拟得到岸边带去氮量的空间分布。

采用氮元素平衡法，利用岸边带模拟实验监测数据和草本地物流域尺度计算结果，对模拟结果进行验证，得到草本地物土壤释氮监测值与模拟值得相关系数为0.629；植物对氮元素吸收量的监测值与模拟值的相关系数为0.60 。验证结果表明，EcoHAT在流域尺度对岸边带氮去除负荷的模拟具有有效性。

15、松涛水库流域非点源污染估算

选取松涛水库流域为研究对象，应用EcoHAT模型中非点源污染模块估算该流域2003～2007年非点源污染负荷，最后结合研究区调查资料对估算结果进行验证。首先，根据基础数据应用EcoHAT模型中遥感参数和基本参数模块确定模型参数和计算植被盖度、坡度等因子,构建模型匡算数据库；然后利用非点源污染模块分别计算溶解态和吸附态污染负荷，根据调查数据和已有研究成果验证模型的可靠性，率定模型参数。

研究结果表明：1)流域主要污染类型为溶解态非点源污染，溶解态TN、TP负荷比重分别为80.28％和72.03％；农田TN、TP和NH4+-N负荷分别占负荷总量的45.69％、38.58％和40.56％，是流域非点源污染的重要来源；大牲畜COD负荷占负荷COD总量的63.65％，是流域COD非点源污染的重点控制对象（如表2）；2)农田、农村居民点和畜禽养殖几种污染类型的不同指标(COD、TN、TP、NH4+-N)在时间和空间上均呈现出一定的分布规律，与土地利用、降水变化规律有很强的相关性，年内变化出现5月份和9月份两个峰值，湿季污染负荷量超过干季的4倍；3)应用2005年研究区调查资料验证模型结果和率定模型参数,模型模拟相对误差均小于20％,基本满足应用要求（如表3）。

16、上世纪五十年代黄河流域天然植被时空分布重建

基于AVHRR-NDVI数据获取的黄河流域植被覆盖变化速率分布图，运用空间聚类法将流域划分成11个区；选取25个典型样区，利用2006北京一号多光谱数据、70年代 MSS数据、1985年1：50万和2000年1：10土地利用图，提取各样区时间序列的天然植被分布信息。计算各分区天然植被年均增长率，在假定任意时段内各分区天然植被的年增长率一定的基础上，通过天然植被年均增长率和重建年限确定特定空间区域内天然植被的变化总量，并假定空间变化方向均匀，基于EcoHAT系统中的植被推演模块，以单独的地块作为计算的基本单元，基于2006年黄河流域天然植被分布图，输入天然植被年均增长率、重建年限，实现了上世纪50年代黄河流域天然植被时空分布的重建。

17、海南省非点源污染及防治对策研究

为了探索海南省非点源污染特征，确定非点源污染防治对策的课题研究目标，课题从以下5个研究内容开展研究工作。

①分布式非点源污染模型构建;

②海南省非点源污染估算软件系统开发;

③海南省非点源污染数据库构建;

④情景分析;

⑤非点源污染防治对策研究