基于MODIS數(shù)據(jù)的遙感旱情監(jiān)測技術(shù)研究

摘要:本文基于筆者多年從事遙感減災應用的相關工作經(jīng)驗，以基于MODIS數(shù)據(jù)的遙感旱情監(jiān)測為研究對象，以某地區(qū)生長季的4月和7月為研究背景，分析了，及NDWI三個指標的變化趨勢，給出了該地區(qū)旱情的變化趨勢，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞:MODIS遙感旱情NDVI

中圖分類號:P2文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)02(b)-0033-02

旱情的監(jiān)測是一個公認的難題。旱情的監(jiān)測最初是利用氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于稀疏的氣象站點。這些基于氣象站點數(shù)據(jù)不能完全的或不能及時獲取，干旱監(jiān)測的精確性和及時性就會降低。遙感技術(shù)宏觀、客觀、迅速和廉價的優(yōu)勢及其近年來的飛速發(fā)展，為旱情監(jiān)測開辟了一條新途徑。衛(wèi)星系統(tǒng)以相當少的設備提供全球尺度上時間和空間連續(xù)的數(shù)據(jù)，基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行干旱監(jiān)測的潛力大大增加。應用遙感技術(shù)監(jiān)測干旱從20世紀70年代開始，到目前為止，存在著以下幾方面的問題。

(1)目前開展的旱情監(jiān)測主要還是停留在氣象災害層面上，還沒有深入到農(nóng)業(yè)層面，現(xiàn)有的監(jiān)測僅是氣象災害或災害性天氣的監(jiān)測，僅知道哪里有旱情發(fā)生，但這種旱情能否成為農(nóng)業(yè)災害，還不能確切地得知。

(2)隨著遙感傳感器的發(fā)展，用不同的傳感器獲取數(shù)據(jù)成為可能，但是旱情監(jiān)測對于遙感數(shù)據(jù)的選擇有一定的限制。空間分辨率提高，則微觀尺度監(jiān)測的結(jié)果精度會提高;時間分辨率提高，對各種突發(fā)性、快速變化的自然災害有更強的實時監(jiān)測能力。一般空間分辨率越高，時間分辨率就會降低。因此，在遙感數(shù)據(jù)的選擇上需要考慮空間和時間上的折衷，這取決于旱情監(jiān)測范圍、精度要求以及旱情自身的特點等等。例如，小范圍的監(jiān)測可以選擇TM數(shù)據(jù)或雷達數(shù)據(jù)計算反映旱情的指標，全國范圍內(nèi)的監(jiān)測可以選擇NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)或MODIS數(shù)據(jù)。由于干旱是一個累積的過程，如果有一個長時間序列的遙感數(shù)據(jù)進行干旱的監(jiān)測，就可以很好的監(jiān)測旱情的發(fā)展趨勢，為決策提供更加可靠的信息。遙感數(shù)據(jù)多通道信息可以增強對地球復雜系統(tǒng)的觀測能力和對地表類型的識別能力。在考慮遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和時間分辨率的前提下，也要充分利用遙感數(shù)據(jù)提供的多光譜信息。因此，實現(xiàn)全國范圍內(nèi)的旱情監(jiān)測，遙感數(shù)據(jù)是否容易獲取也是旱情監(jiān)測最后能否運行的一個決定因素。

(3)目前利用遙感數(shù)據(jù)計算各種能直接或間接反映干旱情況的物理指標，己形成了很多種方法。但是干旱的發(fā)生由眾多因素決定，而旱災更為復雜，涉及農(nóng)作物生長及其對水分的時空需要變化。因此，指標的選取也是旱情監(jiān)測最后能否運行的一個決定因素。各種指標都有自身的優(yōu)缺點，例如，有些對于作物的監(jiān)測比較好，有些對于裸土監(jiān)測效果比較理想;有些指標容易計算，但考慮的影響因子比較少，有些指標考慮的影響因子比較全面，但太過于復雜，使得全國范圍內(nèi)的計算難以實現(xiàn)。因此在指數(shù)的選取上不僅要體現(xiàn)對作物旱情監(jiān)測的優(yōu)勢，而且要考慮指數(shù)在全國范圍內(nèi)的計算是否可以進行。

1國內(nèi)遙感旱情監(jiān)測指標反演進展

我國對VCI和TCI兩人指數(shù)的應用都相對晚一些，蔡斌等用VCI參照當時降水對全國1991年春季干早進行了監(jiān)測和研究，使用的是1985年至1991年的NOAA全球標準化植被指數(shù)資料，時間分辨率為7天。選取出中國范圍內(nèi)的NDVI時間序列數(shù)據(jù)，并對NDVI時間序列資料采用中值濾波法來去除噪聲，然后計算NDVI最大值和NDVI最小值。馮強等在基于植被狀態(tài)指數(shù)的全國干早遙感監(jiān)測試驗研究中，使用的是1981年至1994年的NDVI時間序列數(shù)據(jù)，空間范圍覆蓋全國，空間分辨率為8km，時間分辨率為10天。但是在計算NDVI最大值和最小值時首先將NDVI歷史數(shù)據(jù)從8km重采樣為1.1km。馮強等在基于植被狀態(tài)指數(shù)的土壤濕度遙感方法研究中使用的數(shù)據(jù)與上述一樣。

2某地區(qū)遙感旱情監(jiān)測指標反演

遙感技術(shù)提供了豐富的信息，從可見光到短波，再到熱紅外，最后是微波。1990年以來，利用各波譜段數(shù)據(jù)計算各種反映干旱指標的方法己經(jīng)有很多，例如NDVI、距平植被指數(shù)、植被狀態(tài)指數(shù)(VCI)、溫度條件指數(shù)(TCI)等等。最近十年里，遙感監(jiān)測干旱的方法的研究有以下三個特點，一是使用己有的指數(shù)，如NDVI、VCI、TCI、CWSI和TS/NDVI等等。計算的原理相同，使用的數(shù)據(jù)空間時間分辨率不同，或是計算時參數(shù)的處理方法不同，或是模型的不同;二是根據(jù)已有的原理，提取新的指數(shù)，如VTCI、VTDI、DSI等等;三是遙感與氣象或是水文數(shù)據(jù)結(jié)合建立的新的指數(shù)，如BMVCI等等。借用某種氣象或水文指數(shù)，分析其原理并將其中一些參數(shù)用遙感數(shù)據(jù)代替得到新的指數(shù)。

現(xiàn)將最近幾年中用于旱情監(jiān)測的幾種主要方法的原理分別介紹如下。

(1)距平植被指數(shù)法。

歸一化植被NDVI是迄今為止應用最廣的一個植被指數(shù)。很多衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)都提供了計算這個指數(shù)所需的通道信息，以MODIS為例，計算式為:

(1)

其中為第一波段(紅波段)的反射率，是第二波段(近紅外波段)的反射率.它可以反映植被的長勢，可以間接反映旱情。

距平植被指數(shù)，指某一年某一特定時期NDVI與多年該時期NDVI平均值的差值。計算式如下:

(2)

式中，為某年內(nèi)j時的距平指數(shù)，為某年內(nèi)j時的NDVI，為多年內(nèi)j時的NDVI平均值。可以用這個差值來反映偏旱的程度。多年平均值可以近似反映土壤供水的平均狀況。因此，NDVI資料的時間序列越長，計算得到的平均值代表性才會越好。

本文所用數(shù)據(jù)是2009年4月與7月的MODIS月合成的NDVI產(chǎn)品。MODIS數(shù)據(jù)的幾何糾正和鑲嵌是用USGS EROS數(shù)據(jù)中心開發(fā)的MRT幾何糾正軟件進行的。得到該地區(qū)的每月合成數(shù)據(jù)后，生成生長季4月與7月的數(shù)據(jù)(圖1)。從圖上可以看出，7月份相對于4月旱情有所緩解。

(2)植被狀態(tài)指數(shù)法。

在不同地區(qū)，因為不同區(qū)域作物生長季處于不同階段，需水情況不同，旱不旱不能通過NDVI值的大小來說明，而NDVI與歷史平均值的偏差，又弱化了天氣的影響。

NDVI的變化受天氣的影響，尤其是類似嚴重干旱的極端天氣現(xiàn)象時，會遠遠超過正常年際間的NDVI變化，有可能造成某一特定時期內(nèi)不同像素間監(jiān)測結(jié)果的可比性變差。為了反映天氣極端變化情況，消除NDVI空間變化的部分，使不同地區(qū)之間有可比性，Kogan提出了植被狀態(tài)指數(shù)VCI。定義如下。

(3)

其中，為j時的植被狀態(tài)指數(shù);為j時的NDv工值;為所有圖像中最大的NDVI值;為所有圖像中最小的NDVI值。是NDVI在j時的相對于最大NDVI的百分比。Kogan假設植被NDVI最大值在最佳的天氣中得到(考慮到土壤營養(yǎng)的吸收，天氣條件可以刺激生態(tài)系統(tǒng)資源的利用)，最小值在非有利的情況下得到，如干旱和熱，通過生態(tài)系統(tǒng)資源的減少(干旱年缺水減少了土壤營養(yǎng)的吸收)，直接抑制了植被的生長。這樣，如果有足夠長時間的NDVI序列數(shù)據(jù)，就可以從中提取出和，反映出極端氣候狀況，計算的VCI結(jié)果在不同地區(qū)的比較更為合理。VCI是基于NDVI反演得到的，因此對植被的監(jiān)測效果比較好，作物播種或收割后的時間，監(jiān)測效果比較差。

本文所用數(shù)據(jù)是2009年4月與7月的MODIS月合成的NDVI產(chǎn)品。MODIS數(shù)據(jù)的幾何糾正和鑲嵌是用USGS EROS數(shù)據(jù)中心開發(fā)的MRT幾何糾正軟件進行的。得到該地區(qū)的每月合成數(shù)據(jù)后，生成生長季4月與7月的數(shù)據(jù)(圖2)。從圖上可以看出，7月份相對于4月旱情有所緩解。與反映的趨勢基本相同。

3結(jié)語

本文應用MODIS數(shù)據(jù)對南方某地區(qū)的旱情進行了監(jiān)測，以作物生長季的4月和7月作為對比，分析了，及NDWI三個指標的變化趨勢。相信對從事相關工作的同行有著重要的參考價值和借鑒意義。

參考文獻

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