基于植被溫度條件指數的克里雅河流域干旱監測研究

阿不都拉 ?阿不力孜，塔西甫拉提 ?特依拜，丁建麗，買買提 ?沙吾提

(1.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊830046;2.新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室，烏魯木齊830046)

干旱是影響生態環境、人類農業生產和社會經濟發展的一種自然災害，它影響地表和地下水資源，導致水源匱乏、水質惡化、農作物產量減少，使人類社會經濟發展緩慢[1]，日益嚴重的干旱已成為科學界高度關注的問題之一。隨著全球氣候變暖和需水量增長速度的加快，干旱問題變得十分顯著，如何及時有效地監測干旱也變得更為重要。通過地面氣候數據監測干旱的傳統方法不能夠及時觀測和定量分析干旱狀況，而利用多時相、多光譜、高空間分辨率遙感衛星數據的遙感監測方法可以定量分析大范圍的干旱分布狀況[2]。

最近幾年，許多科學家通過建立不同的遙感模型來監測干旱[1-7]。Kogan分別在1990年和1995年，利用AVHRR NDVI和LST數據來建立了植被狀態指數(VCI)和溫度狀態指數(TCI)，VCI能較好地反映植被受到環境脅迫程度，TCI可作為溫度相關植被脅迫程度指數。2003年，Ramesh等人應用VCI和TCI對印度地區進行干旱監測研究。Wang等在2001年建立了基于LST和NDVI特征空間的植被溫度條件指數(VTCI)，進而在2004年，Wan等人利用EOSMODIS的NDVI和LST產品對VTCI干旱監測方法進行了更進一步研究。2005年Katou和 Yamaguchi在歸一化水分指數(NDWI)，NDVI和LST的基礎上建立了植被水分溫度指數(VWTI 1)和VWTI 2，并分別監測了干旱程度及干旱對植被的影響[2，5]。

新疆屬干旱半干旱地區，人們的居住和生產活動大多聚集在綠洲。在全球氣候變化和當地人口增長的推動下，綠洲生態環境變得更為脆弱，惡化的生態威脅到了人們的生存環境。因此，研究生態環境演變過程，尤其是跟生產活動直接相關的干旱化趨勢，對合理配置利用自然資源、人地和諧、可持續發展具有重要意義。本文以克里雅河流域為研究區，利用植被溫度條件指數(VTCI)來監測研究區的干旱變化趨勢及其分布規律。

1 研究區概況

克里雅河位于新疆維吾爾自治區塔里木盆地南部，發源于昆侖山主峰的烏斯騰格山北坡遠古冰川，河水主要由昆侖山雪水融匯而成，分別由庫拉甫河和喀什塔什河等支流組成，自南向北流動，滋潤于田縣綠洲后，繼續蜿蜒向北，深入塔克拉瑪干沙漠腹地，最后消失在達里雅布依附近，河流長530 km。

研究區位于新疆維吾爾自治區最南部，昆侖山北麓，塔克拉瑪干大沙漠南緣，地處東經80°03′-82°51′，北緯 35°14′-39°30′之間，屬暖溫帶干旱荒漠氣候區。地勢南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，并有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型。光照充足，降水稀少，蒸發量大，春夏季大風、沙暴和浮塵天氣多。研究區年均氣溫為11.6℃，年均降水量為47.7 mm，年均無霜期為209～213 d。

2 數據源和研究方法

2.1 數據來源

數據來自于美國航空航天局(NASA)的 TERRA/MODIS遙感衛星數據共享平臺網站(http://ladsweb.nascom.nasa.gov)，選取了2005年 7月 18日和2010年7月18日的1B數據為兩個時相數據。MODIS數據共有36個通道，本文采用CH1，CH2，CH31和CH32四個通道數據來分別計算植被指數和亮溫。表1為MODIS部分通道的基本特征[8]。

表1 MODIS通道特征

2.2 數據預處理

根據MODIS Level 1B Product User's Guide[9]，對研究區影像進行了幾何校正、投影轉換、裁剪等處理。CH1和CH2通道進行重采樣成1 000 m分辨率，能夠跟CH31和CH32通道合成。

2.2.1 植被指數 歸一化植被指數(NDVI)是植被生長狀態及植被覆蓋度的重要指示因子，在干旱半干旱地區，在整個作物生長期中對降雨量變化較為敏感。高的NDVI值表示健康植被，而低的NDVI值反映植被長勢不好或不健康。NDVI可用紅光波段和近紅外波段之比來表達[10]

式中:NIR——近紅外波段，即CH2;RED——紅光波段，即 CH1。

2.2.2 地表溫度 土壤和植被冠層的溫度是決定植被生長速率的主要因素，而地表溫度(LST)能反映地表熱環境的分布特征，是地表能量平衡的主要指示因子。地表的輻射量度溫度可用Planck公式來求算，其運算式為:

式中:T——亮度溫度(K);h——Planck常數;c——光速;k——Boltzmann 常數;λ——中心波長;L——光譜的輻射亮度[11]。

3 植被溫度條件指數(VTCI)的構建

Wang等人由植被指數和地表溫度的二維特征空間出發，建立植被溫度條件指數來評價干旱程度。VTCI通過NDVI和LST的散點圖特征來確定濕邊和干邊 ，其公式[5，12]為 :

式中:Ni——影像中具有同樣 NDVI值的像元;Y(Ni)——像元 Ni的地表溫度值 ;Ymax(Ni)，Ymin(Ni)——某一特定NDVI值像元中的地表溫度最大值和最小值;a，b，a′，b′— —濕邊和干邊的截距和斜率。分析和的二維特征空間中可得出濕邊和干邊，并通過上述公式可以獲得a，b，a′，b′的值。植被溫度條件指數范圍為0～1，其相應變化趨勢為從干旱到濕潤。本研究中通過運算分析得到的 a，b，a′，b′值如表2所示。

表2 研究區干邊和濕邊方程系數

從表2中可以看出，通過LST-NDVI二維特征空間構建的研究區干邊和濕邊方程擬合相關系數為較高，平均在0.98以上。利用LST-NDVI特征空間來建立植被溫度條件指數并進一步進行研究區干旱監測是可行的。

應用植被溫度條件指數(VTCI)對研究區的兩期遙感影像進行了運算，結果如圖1所示。

圖1 2005年、2010年植被溫度條件指數圖

4 結果分析與討論

為分析和討論研究區干旱分布狀況和演變趨勢，在山區河源、克里雅河上游地區(綠洲南緣)、中游地區和下游地區分別選取了A，B，C和D四個感興區域，面積均為500 km2，對其VTCI值取平均，求相差，其結果為表3所示。

從表3中可以看出，研究區中從山區到下游沙漠地區表現出從濕潤往干旱的變化趨勢。從2005-2010年，A區和D區往干旱化趨勢發展，其中A區VTCI相差值為-0.210 0，變化幅度較大，而下游地區(D區)的VTCI相差值為-0.045 6，變化趨勢比較慢;B區和C區，即克里雅河上、中游區域VTCI相差值分別為0.071 3和0.042 6，干旱程度均為減弱，其中上游地區的干旱化幅度比下游地區大。

表3 植被溫度條件指數變化

區域干旱直接影響該區域的地表水和地下水資源，低降水量和高蒸發量使區域水資源越來越匱乏。為了進一步分析干旱對地表水的干預，將以克里雅河為中線，在其流域中做了寬度為2 km的緩沖區(圖2)。

圖2 克里雅河緩沖區示意圖

在緩沖區中自南向北分為河源、上游、中游和下游4個河流段，取其VTCI平均值，分析干旱變化趨勢，相關數據見表4。

2005年和2010年兩期的植被溫度條件指數變化顯示，山區河源緩沖區(650 km2)植被溫度條件指數值從2005年的0.753 7減少到了2010年的0.559 4，其相差值為-0.194 3，變化趨勢為干旱，其變化幅度較大;上游緩沖區(395 km2)植被溫度條件指數從0.206 2變化為0.181 0，其變化幅度為-0.025 2，其變化幅度小，呈旱化趨勢;中游緩沖區(200 km2)呈現干旱程度減弱趨勢，其植被溫度條件指數從0.136 1增加了0.068 5;下游緩沖區(150 km2)呈干旱化趨勢，其植被溫度條件指數從2005年的0.173 0減少為2010年的0.151 0，其變化相差-0.022 0，旱化幅度為小。

表4 克里雅河緩沖區植被溫度條件指數變化

2005年克里雅河下游緩沖區的干旱程度比中游的更低一些，從地形和地下水位角度分析，是地下水對河流的補充和水位變化引起的;2010年下游緩沖區比中游緩沖區干旱，同時上游緩沖區比中游緩沖區干旱。綠洲是人們居住和生產最集中的場所，易受人類活動的影響，克里雅河上游緩沖區正穿過于田綠洲。統計資料顯示[13]，2004年于田縣總人口數量為224 882人，2005年人口增長到了227 300人，2009年人口總數量增加為245 100人。隨著人口增長的推動，居住面積會一年比一年增多，這使得居民聚居的上游緩沖區的VTCI值下降。

克里雅河上游的B區面積為500 km2，大部分為自然地表;而面積為395 km2的上游緩沖區是綠洲內部居住和生產的聚集地。因此，在感興趣區域分析和緩沖區分析中，兩者干旱變化趨勢表現為不一致。

在全球變暖背景下，干旱半干旱區冰川面積變化、綠洲環境演變規律及發展趨勢已成為了科學界關心的環境變化問題之一。全球氣候變暖使得昆侖山上的冰雪融化速度加快，使河流水量增加、部分上游地區干旱程度減弱，這樣的趨勢能否延續下去還有待觀察和研究。

5 結論

本文利用MODIS遙感數據，基于植被溫度條件指數對于田和策勒進行了干旱監測，得出以下結論:

(1)從2005-2010年，研究區整體上向干旱化方向發展，由北向南干旱趨勢依次增強，其中，南部山區(A區)的變化相差值為-0.210 0，其旱化趨勢較為嚴重;北部地區即克里雅河下游地區(D區)的變化相差值為-0.045 6，呈輕微旱化趨勢;研究區中部(B，C區)相差值分別為0.071 3和0.042 6，表現為有輕干旱程度減弱的趨勢。

(2)克里雅河緩沖區研究結果顯示，河源緩沖區干旱化趨勢較快，上游緩沖區有較小的旱化弱趨勢，中游緩沖區干旱程度減弱，下游干旱程度加強。

(3)克里雅河及于田策勒綠洲的水資源由冰川，雪水融匯而來。研究區中，雖克里雅河上游緩沖區域干旱程度減弱了，可南部山區水源區呈干旱趨勢，且兩個區域植被溫度條件指數(VTCI)變化幅度值相差很大。

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