基于MODIS數(shù)據(jù)的西北地區(qū)旱情監(jiān)測

楊秀海，卓 嘎，2，羅 布

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 拉薩 850000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州 730020)

旱災(zāi)是我國農(nóng)業(yè)最主要的自然災(zāi)害，我國因干旱每年平均受災(zāi)面積達(dá)2 000萬hm2，損失糧食占全國因?yàn)?zāi)害減產(chǎn)糧食的50%[1]。與其他自然災(zāi)害相比，它出現(xiàn)的頻率最高，持續(xù)時(shí)間最長，影響的范圍最大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直接損失也最重[2]。眾所周知，土壤水的變化及區(qū)域差異不但對區(qū)域水文，而且通過植被、土壤等對氣候都有很大的影響。在全球土壤濕度計(jì)劃(Global Soil Wetness Project)中，土壤水已被作為專門的議題進(jìn)行探討和研究[3]，且已成為全球變化研究的重要焦點(diǎn)之一[4]。同時(shí)，區(qū)域尺度乃至全球尺度的土壤水分信息是陸面過程模式研究必不可少的一個(gè)參量，對改善區(qū)域及全球氣候模式預(yù)報(bào)結(jié)果、進(jìn)行農(nóng)作物旱情監(jiān)測及估產(chǎn)、自然和生態(tài)環(huán)境問題的研究起重要作用[5]。經(jīng)典的土壤水分測量方法[6-7]主要有稱重法、中子水分探測法、快速烘干法、電阻法、時(shí)域反射法等，但因耗時(shí)費(fèi)力，難以滿足實(shí)時(shí)、大范圍監(jiān)測的需要。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，大面積土壤水分與旱情遙感監(jiān)測得到了廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域的探索與研究一直比較活躍[8-13]。王鵬新等[14-15]綜合應(yīng)用歸一化植被指數(shù)(NDVI) 和土地表面溫度( LST),利用條件植被溫度指數(shù)對陜西關(guān)中平原地區(qū)和美國大平原南部地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測，取得了較好效果。Sandholt等[16]在研究土壤濕度時(shí)發(fā)現(xiàn)，TS-NDVI的特征空間中有很多等值線，于是提出了溫度植被干旱指數(shù)(temperature-vegetation dryness index，TVDI)的概念。齊述華等[17-18]在2002-2005年期間，利用TVDI進(jìn)行了全國旱情監(jiān)測，研究表明，當(dāng)監(jiān)測范圍較大、區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜時(shí)，由NDVI-TS空間計(jì)算的TVDI評價(jià)干旱最合理。姚春生等[19]、張樹譽(yù)等[20]、盧遠(yuǎn)等[21]、康為民等[22]利用TVDI分別對新疆、陜西、廣西和貴州進(jìn)行了旱情分布研究，結(jié)果顯示，TVDI作為干旱監(jiān)測指標(biāo)，能較好地反映區(qū)域旱情分布和旱情發(fā)展過程。

我國西北地區(qū)(包括新疆、甘肅、寧夏、陜西、青海五省區(qū))深居歐亞大陸腹地，其西南側(cè)為青藏高原，受高原阻擋，海洋上的潮濕氣流很難到達(dá)。按氣候?qū)W干旱指數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，此區(qū)83%的面積屬于干旱和半干旱區(qū)，是全國干旱最嚴(yán)重的地區(qū)[23]，也是全球氣候變化的敏感區(qū)域之一，受氣候變化影響較大[24-25]。同時(shí)，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱,在氣候變化和人為不利因素的干擾作用下極易引起生態(tài)退化[26-27]。農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境對氣候條件的依賴性極強(qiáng)，干旱缺水已成為制約西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)主要因素[28-29]。因此，對西北地區(qū)地表環(huán)境以及土壤水特征的系統(tǒng)研究，將有助于全面了解和預(yù)測西北地區(qū)旱情，為政府部門決策提供科學(xué)的參考依據(jù)，具有十分重要的理論意義以及應(yīng)用前景。

本研究利用2007年5-9月西北地區(qū)MODIS歸一化植被指數(shù)和地表溫度資料，從溫度植被旱情指數(shù)(TVDI)角度出發(fā)，闡明衛(wèi)星遙感資料對西北旱情監(jiān)測可行性、重要性以及存在的不足等問題。

1 遙感旱情監(jiān)測方法及資料

在植被覆蓋不完全條件下，較高的土壤背景溫度會嚴(yán)重干擾土壤濕度信息，但結(jié)合光譜植被指數(shù)和陸表溫度的綜合信息監(jiān)測土壤濕度，可消除土壤背景的影響。比如TS-NDVI空間來監(jiān)測土壤濕度，能綜合可見光、近紅外和熱紅外波段的信息，有更好的適用性[17-18]。

TS-NDVI特征空間法獲取土壤濕度分兩種：一種是從TS-NDVI特征空間得到表征土壤濕度的指數(shù)；一種是建立TS、NDVI斜率和土壤濕度的關(guān)系來得到土壤濕度。TS、NDVI斜率和土壤濕度的關(guān)系受到眾多因素的影響，這些因素的影響很難用模型來描述，直接用斜率和土壤濕度關(guān)系來反演土壤濕度不能得到很好的結(jié)果，因而選擇了從TS-NDVI特征空間得到的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)來進(jìn)行土壤濕度反演。TVDI是直接從TS-NDVI特征空間得到的比值，能表征土壤濕度的分布特性，計(jì)算簡單，適合對大范圍土壤濕度進(jìn)行反演；并且TS、NDVI數(shù)據(jù)很容易從遙感圖像中獲取，獲取的方法也很成熟。因此，采用TVDI方法對西北地區(qū)的土壤濕度進(jìn)行反演是可行的。

本研究采用TVDI方法對西北地區(qū)的土壤濕度進(jìn)行反演。TVDI依靠圖像數(shù)據(jù)由植被指數(shù)和地表溫度計(jì)算得到，其定義為：

(1)

TS，max=a1+b1×NDVI;

(2)

TS，min=a2+b2×NDVI。

(3)

式中，TS，max、TS，min分別表示當(dāng)NDVI為某一特定值時(shí)的最大和最小地表溫度，a1、b1、a2、b2是干、濕邊擬合方程的系數(shù)。

在干邊上TVDI=1，在濕邊上TVDI=0。對于每個(gè)像元，利用NDVI確定TS,max和TS,min，根據(jù)T在TS-NDVI梯形中的位置，計(jì)算TVDI。TVDI越大，土壤濕度越低，TVDI越小，土壤濕度越高。估計(jì)這些參數(shù)要求研究區(qū)域范圍足夠大，地表覆蓋種類豐富，土壤表層含水量變化明顯。

本研究中所使用的地表溫度和植被指數(shù)資料均來源于陸地過程數(shù)據(jù)分發(fā)中心[Land Processes DAAC (Distributed Active Archive Center)]，分別為2007年6-9月，我國西北區(qū)域的MOD11A2數(shù)據(jù)和MOD13A2數(shù)據(jù)，其中MOD11A2是8 d合成空間分辨率為1 km的陸地表面溫度產(chǎn)品,包含白天地表溫度、夜間地表溫度、31和32波段通道發(fā)射率等資料。MOD13A2是16 d合成空間分辨率為1 km的植被指數(shù)產(chǎn)品,包含NDVI、EVI、紅光、近紅外、中紅外、藍(lán)光等波段反射率以及其他輔助信息。

2 結(jié)果與分析

2.1TS-NDVI 特征空間分析 根據(jù)MODIS遙感資料獲得研究區(qū)域內(nèi)各像元的TS和NDVI值，分別構(gòu)建出每16 d一次的TS-NDVI特征空間散點(diǎn)圖(圖1)。在本研究時(shí)段共得到8張TS-NDVI特征空間散點(diǎn)圖，圖形基本一致，圖1僅為6月10-25日和9月14-29日的散點(diǎn)圖。TS-NDVI 散點(diǎn)圖基本上呈梯形，隨著植被指數(shù)的增加，最大地表溫度和最小地表溫度差值有減小的趨勢，且地面溫度的最大值、最小值與NDVI呈近似線性關(guān)系。由此特征空間確定干邊和濕邊方程，干邊斜率基本都小于0，而濕邊斜率大于0。

圖1 2007年6月10-25日、9月14-29日西北地區(qū)TS-NDVI特征空間

2.2特征空間干濕邊的確定 利用TS-NDVI特征空間中的相應(yīng)最大和最小陸地表面溫度,回歸擬合可獲得干邊和濕邊方程，但特征空間中的最大、最小陸地表面溫度并非一條直線。因此，如何選擇像元進(jìn)行回歸擬合獲得合適的干濕邊方程需要研究。研究表明，NDVI對土壤背景的變化較敏感，當(dāng)NDVI小于0時(shí)，地表主要為水體、云或雪,可認(rèn)為地表的濕度為100%；當(dāng)植被覆蓋度低于20%時(shí)，NDVI值對區(qū)域內(nèi)的植被很難有指示意義；當(dāng)植被覆蓋度大于80%時(shí),NDVI值增加延緩而呈現(xiàn)飽和狀態(tài),對植被檢測靈敏度下降。西北地區(qū)屬于干旱和半干旱氣候區(qū)，長年干燥少雨。從地表狀況來看，有大片的沙漠、荒漠、戈壁等基本無植被覆蓋的區(qū)域，這部分地區(qū)的NDVI多在0.2以下，未進(jìn)行TVDI的計(jì)算，因此旱情分析中不包括這些區(qū)域，主要包括新疆南部的和田地區(qū)、巴音郭勒蒙古自治州、吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)、青海省西部的柴達(dá)木盆地、甘肅省西部敦煌-嘉峪關(guān)一帶(圖中白色部分)。因此，在擬合干濕邊方程時(shí)，綜合考慮，選擇處于中間范圍的NDVI。

按照上述原則，分別計(jì)算了2007年5月25日-9月30日我國西北地區(qū)每16 d的TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程(表1)。

2.3TVDI的空間分布特征 利用表1中的干邊和濕邊方程，根據(jù)式(1)，分別計(jì)算不同時(shí)間各像元的TVDI值。以TVDI值作為不同土壤濕度分級指標(biāo)，將土壤濕度劃分為5 級[19，21]，分別是：濕潤(0.0

表1 TS-NDVI特征空間的干邊和濕邊方程

如TVDI等級圖(圖2)所示，2007年6月、8月我國西北地區(qū)的旱情等級變化不大，在新疆天山一帶、陜西省中部和南部、以及甘肅南部與青海交界一帶重旱區(qū)有所增加，但所占面積都非常小。其次，青海中部輕旱范圍增大。其他區(qū)域變化均不明顯。

2.4旱情面積分布分析 從濕潤、正常、輕旱、中旱和重旱這5個(gè)等級的面積分布(圖3)分析，2007年6-9月，西北地區(qū)中旱所占的比重較大，約為所監(jiān)測面積的40%左右；重旱面積很小，僅占到1%左右；濕潤、正常和輕旱面積相差不大，都在20%左右。從時(shí)間變化上來看，這5個(gè)旱情等級的面積變化都較小，總的特點(diǎn)是到了9月份，重旱、中旱和濕潤面積都下降，旱情減輕，這可能與9月下旬，西北局部地區(qū)出現(xiàn)連陰雨天氣有關(guān)。

圖2 西北地區(qū)TVDI等級圖

圖3 2007年6-9月各TVDI旱情等級占所監(jiān)測面積的百分比

2.5遙感分析與TRMM資料的對比 根據(jù)同期旱澇氣候分析[30]和TRMM資料分析可知，2007年6-9月，我國西北地區(qū)沒有發(fā)生較大范圍或較長時(shí)間的嚴(yán)重旱情，中等以下的旱情主要發(fā)生在新疆西部、甘肅中南部、寧夏大部、陜北、青海東北部等地，與TVDI的分析結(jié)果較為一致。

TRMM衛(wèi)星是為研究熱帶降水而專門研制的, 能夠提供全球格點(diǎn)降水資料。在實(shí)際應(yīng)用中表明, 其對中低緯陸地降水亦具有較好的觀測能力[31-32]。本研究選取同期TRMM/3B42 資料(數(shù)據(jù)來自美國NASA 的Goddard DAAC，分辨率為0.25°×0.25°,時(shí)間步長3 h)與遙感監(jiān)測情況進(jìn)行比較。

TRMM資料顯示(圖略)，我國西北地區(qū)2007年6-9月的降水主要集中在青海東部和陜西南部地區(qū)，其他區(qū)域沒有太大范圍的降水。逐時(shí)段對比的結(jié)果表明，甘肅、寧夏、陜西，尤其是陜南，TRMM資料和遙感資料結(jié)果較為一致，青海東部TRMM資料顯示有降水，但遙感資料顯示基本上為中旱區(qū)，不太相符。新疆面積較大，但遙感監(jiān)測的有效區(qū)域較小，天山一帶由于存在長年積雪區(qū)，遙感監(jiān)測顯示這一帶基本上沒有旱情，應(yīng)與實(shí)際較符，而TRMM降水資料顯示，這一區(qū)域降水很少。圖4為同時(shí)段TRMM資料和遙感資料對比情況(其他時(shí)段略)。圖4遙感資料中，2007年6月26日-7月11日，西北地區(qū)陜西中南部、甘肅南部、青海南部有100～300 mm的降水；同樣，圖4 TRMM資料中，除青海南部有重旱，與降水分析不符外，其他區(qū)域基本上相一致，降水多的區(qū)域，旱情較輕。

圖4 2007年6月26日-7月11日遙感資料和TRMM資料對比情況

3 討論

TVDI分析顯示，2007年5月25日-9月30日，我國西北地區(qū)雖然沒有發(fā)生大面積、較嚴(yán)重的旱情，但有較長時(shí)間和較大范圍的輕旱到中旱。旱區(qū)主要集中在南部山區(qū)和中部干旱區(qū)的南部一帶；整體來看，青海省基本上都有不同程度的旱情，東部較為明顯，在監(jiān)測的4個(gè)月時(shí)間中，局部地區(qū)還發(fā)生過重旱；陜西省的旱情變化是西北5個(gè)省中最大的，尤其是關(guān)中平原和陜南的秦巴山地，6月下旬和8月這兩個(gè)區(qū)域較旱。同期旱澇氣候分析[30]和TRMM降水資料表明，該時(shí)段，我國西北地區(qū)沒有發(fā)生較大范圍或較長時(shí)間的嚴(yán)重旱情，中等以下的旱情主要發(fā)生在新疆西部、甘肅中南部、寧夏大部、陜北、青海東北部等地，與TVDI的分析結(jié)果較為一致。2007年氣候分析表明，陜西省全年降水屬正常[33]，但1月份，降水偏少3～8成[34]；5月上中旬，寧夏、甘肅東部發(fā)生了較為嚴(yán)重的旱情，降水較常年同期偏少8成以上[34]。青海全省大部分地區(qū)降水偏多1～5成，5月下旬-6月上旬，局部地區(qū)發(fā)生輕旱[35]。2006年7月中旬至2007年8月底，由于降水持續(xù)偏少、氣溫持續(xù)偏高，新疆阿勒泰地區(qū)東部和南疆大部出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的干旱[36]。從以上分析可以看出,研究時(shí)段內(nèi),除新疆的重旱沒有太好的監(jiān)測外，TVDI對其他旱情的監(jiān)測還是比較有效的。

從濕潤、正常、輕旱、中旱和重旱這5個(gè)等級的面積分布分析，2007年6-9月，西北地區(qū)中旱所占的比重較大，重旱面積很小，從時(shí)間變化上來看，這5個(gè)旱情等級的面積變化都較小，總的特點(diǎn)是到了9月份，重旱、中旱和濕潤面積都下降，旱情減輕，這可能與9月下旬，西北局部地區(qū)出現(xiàn)連陰雨天氣有關(guān)。

TVDI反映的是土壤濕度，對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)來說，更為有效。土壤濕度與TS-NDVI斜率存在一定的定量關(guān)系，TVDI對于大面積干旱監(jiān)測、旱情變化評估是可行的[19-22]，并且具有快速、及時(shí)、宏觀等優(yōu)勢，但由于像元在TS-NDVI 特征空間位置受到諸多因素的影響，從而影響圖像反映的植被生長狀況信息。本研究中植被覆蓋率是通過對NDVI的簡單轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)，也沒有考慮視角等對NDVI和TS影響，會給結(jié)果帶來一些誤差，這種誤差對旱情判識的影響還有待于進(jìn)一步深入研究。另外，本研究中所用衛(wèi)星遙感資料均為16 d合成的，土壤水分變化與降水存在很大的對應(yīng)關(guān)系，因此在實(shí)際應(yīng)用中，如果能夠利用遙感資料進(jìn)行實(shí)時(shí)旱情監(jiān)測，則實(shí)用性更強(qiáng)。常規(guī)的氣候干旱等級方法是建立在各站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)定可靠。但對于西北這樣面積大、站點(diǎn)少的區(qū)域，對于大范圍的旱情監(jiān)測和評估缺乏代表性。因此，將TVDI方法和常規(guī)氣象監(jiān)測結(jié)合，取長補(bǔ)短，應(yīng)該是該區(qū)域旱情監(jiān)測的發(fā)展方向。

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