基于Aqua-MODIS數(shù)據(jù)的條件植被溫度指數(shù)干旱等級監(jiān)測研究

林巧，王鵬新，張樹譽，劉峻明，李俐

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點實驗室，北京100083；2.陜西省氣象局，西安 710014)

1 引 言

旱災(zāi)是中國影響范圍最廣的農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計，我國每年因干旱平均受災(zāi)面積達0.2×108ha，損失糧食占全國因災(zāi)減產(chǎn)糧食的50%，其中受干旱災(zāi)害影響最嚴重的地區(qū)是我國的主要產(chǎn)糧區(qū)[1]。干旱是陜西省發(fā)生頻率最高、持續(xù)時間最長、危害范圍最廣、經(jīng)濟損失最大的一種災(zāi)害，也是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害最大的氣象災(zāi)害[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，近500年陜西共有54次極端干旱事件，涵蓋149年，占35.8%，其中關(guān)中發(fā)生最多，陜北次之，陜南較少[4]。

目前應(yīng)用廣泛的干旱監(jiān)測方法主要有兩類：一類是基于地面氣候數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)干旱監(jiān)測方法，由于這些干旱監(jiān)測指數(shù)大多基于單點觀測，因此難以反映大面積的干旱狀況；另一類是基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的干旱監(jiān)測方法，主要是應(yīng)用多時相、多光譜、多角度遙感數(shù)據(jù)定性或半定量地評價干旱分布狀況，具有范圍廣、空間分辨率高等優(yōu)點[5]。干旱指標是反映干旱成因和程度的量度，是干旱研究的一項重要的基礎(chǔ)性工作。目前，國內(nèi)外采用的干旱等級劃分指標主要包括標準化降水指數(shù)(SPI)[6]、降水量距平百分率(Pa)[7]以及帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[8]等。SPI能夠適用于多時間尺度的干旱監(jiān)測，計算穩(wěn)定，對于干旱的反應(yīng)較靈敏，但沒有考慮水分的支出；Pa計算簡單，所需資料易獲取，但其對干旱的響應(yīng)慢，多用于單站資料的分析，區(qū)域資料分析可靠性差，尤其在西北地區(qū)有很大的局限性；PDSI實際應(yīng)用廣泛，適用于單站和區(qū)域的月尺度干旱評估，具有較好的時間和空間可比性，但其受地表結(jié)構(gòu)和資料同化水平等因素的限制[9]。綜合歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(LST)的散點圖分布特點診斷作物水分脅迫狀態(tài)的應(yīng)用已逐漸普及，王鵬新等[10-11]在NDVI和LST的散點圖呈三角形區(qū)域分布的基礎(chǔ)上提出了條件植被溫度指數(shù)(Vegetation Temperature Condition Index，VTCI)的干旱監(jiān)測方法，從理論和實際應(yīng)用方面對VTCI冷、熱邊界的物理意義、確定方法進行了較為深入的研究[12]。應(yīng)用VTCI進行干旱監(jiān)測對研究區(qū)域的選擇要求有兩點：①研究區(qū)植被覆蓋度的變化范圍要大；②研究區(qū)必須滿足土壤表層含水量從萎蔫含水量到田間持水量的條件。近十年來，以NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)為主，證實了VTCI干旱監(jiān)測方法可用于陜西省關(guān)中平原地區(qū)的干旱監(jiān)測、預(yù)測等研究[12-13]，并用于2013年關(guān)中地區(qū)的春旱發(fā)展過程的實時監(jiān)測[14]。張樹譽[15]等基于《氣象干旱等級》(GB/T 20481-2006)，以關(guān)中地區(qū)為研究區(qū)域，應(yīng)用NOAA-AVHRR遙感數(shù)據(jù)，將VTCI 遙感干旱監(jiān)測指標劃分為4個等級，實現(xiàn)NOAA-VTCI的定量化監(jiān)測。

本研究選取陜西省關(guān)中平原地區(qū)，基于2003年～2012年每年3月～5月的Aqua-MODIS遙感數(shù)據(jù)，計算MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果，并應(yīng)用當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)對結(jié)果進行驗證。對比AVHRR-VTCI干旱等級劃分標準[10，12]，對MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果進行等級劃分，結(jié)合當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，研究MODIS-VTCI干旱等級劃分指標的可行性。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域關(guān)中平原位于中國陜西省中部，東西長300km，東寬西狹，面積約12300km2，地勢平坦，土質(zhì)肥沃，水源豐富，機耕、灌溉條件均較好，是陜西省自然條件最好的地區(qū)，主要的農(nóng)作物有小麥和玉米等。關(guān)中平原屬大陸性季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)，年平均降水量在550mm～700mm，氣溫呈由南向北逐漸降低的地域變化規(guī)律，年平均降水量呈由南向北、由西向東遞減的地域變化規(guī)律[16]。20世紀90年代以來，關(guān)中平原整體上氣候暖干化特征顯著，暖春、暖冬化、春旱、秋旱等也愈加顯著[17]。

從關(guān)中平原旱情的地理分布來看，關(guān)中中部和東部為旱災(zāi)的高發(fā)區(qū)；從旱情的季節(jié)分布來看，關(guān)中地區(qū)降水量較少，且季節(jié)分布不均衡，夏秋多、冬春少，再加上年、季、月降水的變化均較大，使得該地區(qū)干旱災(zāi)害具有明顯的季節(jié)性特征，即有單季旱和連季旱兩大類型的干旱[18]。由于關(guān)中平原地區(qū)既有灌溉農(nóng)田又有旱作農(nóng)田，墾植指數(shù)達70%以上，滿足土壤表層含水量從萎蔫含水量到田間持水量的條件，因此，選取VTCI干旱監(jiān)測方法研究該區(qū)域的干旱狀況具有代表性。

2.2 NDVI和LST合成值產(chǎn)品的生成

目前農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測中應(yīng)用較為廣泛的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要有NOAA-AVHRR和MODIS。孫威等[12]基于NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)，利用VTCI方法，對關(guān)中地區(qū)旱情進行了定量化監(jiān)測。相對于AVHRR傳感器而言，MODIS傳感器在干旱監(jiān)測中具有突出的優(yōu)勢。MODIS在數(shù)據(jù)波段數(shù)目和數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)格式等方面都作了相當大的改進[19]。

選取2003年～2012年每年3月～5月的Aqua-MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品(MYD09地表反射率和MYD11 LST)，利用MODIS Reprojection Tools軟件對原始數(shù)據(jù)進行投影轉(zhuǎn)換、重采樣、裁剪、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理工作，得到每年關(guān)中平原日LST和地表反射率數(shù)據(jù)，并根據(jù)NDVI的定義計算得到日NDVI。選取最大值合成法[20]對日NDVI和LST進行合成處理，以旬為時間尺度，生成2003年～2012年每年3月～5月的NDVI和LST旬最大值合成產(chǎn)品。然后對每年3月～5月的NDVI和LST旬最大值合成產(chǎn)品再進行最大值合成，生成多年NDVI和LST旬最大值合成產(chǎn)品；對每年3月～5月的LST旬最大值合成產(chǎn)品再進行最小值合成，生成多年LST旬最大-最小值合成產(chǎn)品。

2.3 條件植被溫度指數(shù)的等級劃分指標

VTCI的定義為[10-11]：

(1)

其中：

LSTmax(NDVIi)=a+bNDVIi

(2)

LSTmin(NDVIi)=a′+b′NDVIi

(3)

式中，LSTmax(NDVIi)和LSTmin(NDVIi)分別表示在研究區(qū)域內(nèi)，當NDVIi值等于某一特定值時的所有像素地表溫度的最大值和最小值，被稱作熱、冷邊界[12]；a，b，a′，b′為待定系數(shù)，通過繪制研究區(qū)域的NDVI和LST的散點圖近似獲得。

張樹譽等[15]基于NOAA-AVHRR遙感數(shù)據(jù)，將VTCI干旱監(jiān)測指標分為無旱、輕旱、中旱、重旱4個等級，這一劃分指標在關(guān)中平原地區(qū)得到驗證。AVHRR-VTCI干旱等級劃分指標為：VTCI>0.55為無旱，VTCI在0.46～0.55之間為輕旱，VTCI在0.37～0.46之間為中旱，VTCI<0.37為重旱。

為探究MODIS-VTCI干旱監(jiān)測及等級劃分結(jié)果的可行性，在陜西省關(guān)中平原東、中、西部地區(qū)共選取7個旱作樣點：合陽、蒲城、藍田、乾縣、岐山、陳倉、鳳翔，收集氣象站點2003年～2012年的日降水量數(shù)據(jù)。這些旱作樣點的分布較為均勻，同時3km×3km范圍內(nèi)以冬小麥為主，具有較好的代表性。根據(jù)樣點的經(jīng)緯度坐標計算其在影像上的像素坐標，用3×3模板計算包括該樣點所在像素及其周圍的8個像素的NDVI、LST、VTCI的平均值。為了保證地表覆蓋的均一性，僅選擇3×3模板LST的標準差小于1.7K和NDVI的標準差小于0.005的樣點進行分析。通過氣象數(shù)據(jù)驗證MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果的正確性。繪制MODIS-VTCI和AVHRR-VTCI的散點圖，分析兩種遙感數(shù)據(jù)干旱監(jiān)測結(jié)果的可比性，并對MODIS-VTCI干旱等級劃分結(jié)果進行評價。

3 結(jié)果與分析

3.1 MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果的驗證

收集關(guān)中地區(qū)7個旱作樣點2003年～2012年的日降水量數(shù)據(jù)，分析MODIS-VTCI與相應(yīng)累計降水量的相關(guān)性，以岐山為例，對比分析二者的變化趨勢(圖1)。

圖1 2003年～2012年MODIS-VTCI與累計降水量變化趨勢圖(以岐山為例)

岐山樣點的降水量驗證結(jié)果顯示，MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果與累計降水量變化趨勢基本一致，例如，2003年3月下旬、2006年3月中旬、2007年3月下旬、2012年4月上旬等岐山的累計降水量都為0，而這幾個時間段相應(yīng)的VTCI值分別為0.28、0.21、0.27和0.21，降水量數(shù)據(jù)和VTCI數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出這一時期岐山旱情嚴重；2008年4月下旬岐山累計降水量最大，達54.4mm，相應(yīng)VTCI值為1，降水量數(shù)據(jù)和VTCI數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出這一時期岐山未出現(xiàn)干旱現(xiàn)象。

分析7個旱作樣點2003年～2012年MODIS-VTCI與累計降水量以及累計降水距平值的相關(guān)性(表1)。結(jié)果顯示，MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果與累計降水量的相關(guān)系數(shù)平均值為0.4736，最小值不低于0.39；MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果與降水距平值的相關(guān)系數(shù)平均值為0.4238，最小值不低于0.36。地面氣象數(shù)據(jù)證實MODIS-VTCI用于監(jiān)測關(guān)中地區(qū)干旱程度是可行的。

表1 2003年～2012年MODIS-VTCI與累計降水量以及降水距平的相關(guān)系數(shù)

3.2 MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果的年際分析

應(yīng)用兩種衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分別獲得的2003年～2012年每年3月～5月典型樣點的VTCI的散點圖如圖2所示。結(jié)果表明，這些樣點10年9個旬的VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果的分布趨勢一致，均向?qū)蔷€集中，呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)關(guān)系。將MODIS和AVHRR兩種數(shù)據(jù)的VTCI結(jié)果進行差值比較，差值結(jié)果的變化范圍為-0.34～0.32，主要分布在[-0.1，0.1]區(qū)間上，平均值為-0.04，均方根誤差為0.12。由差值的變化范圍和平均值可知，整體上MODIS-VTCI比AVHRR-VTCI略小，均方根誤差表明差值的離散程度小，說明在地表覆蓋均一的地區(qū)利用兩種數(shù)據(jù)計算得到的VTCI值是相等或者相近的。通過對比分析典型樣點的VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果，說明了在地表覆蓋均一的地區(qū)MODIS和AVHRR兩種數(shù)據(jù)的VTCI結(jié)果具有可比性，應(yīng)用AVHRR-VTCI干旱等級劃分指標對MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果進行等級劃分具有可行性。

圖2 2003-2012年每年3月～5月典型樣點VTCI散點圖和MODIS-VTCI和AVHRR-VTCI差值的頻率分布

應(yīng)用AVHRR-VTCI干旱等級劃分指標對2003年～2012年MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果進行等級劃分，典型樣點的多年干旱等級監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，自2003年至2012年間，關(guān)中平原地區(qū)旱情嚴重的年份主要為2003年、2004年、2005年和2009年。其中，2003年3月下旬發(fā)生了重旱，4月下旬和5月下旬都發(fā)生了中旱，3月中旬、4月中旬和5月上旬局部地區(qū)也出現(xiàn)了干旱情況；2004年旱情嚴重，3月上旬、4月中旬和4月下旬都發(fā)生了重旱，3月中旬發(fā)生了中旱；2005年4月上旬和4月下旬都發(fā)生了重旱，5月上旬也出現(xiàn)了輕到中旱的情況；2009年3月中旬發(fā)生了重旱，4月中旬和5月上旬都發(fā)生了中旱。2010年、2011年和2012年基本沒有旱情發(fā)生，2006年、2007年和2008年旱情輕微。從多年同一旬干旱發(fā)生的頻率來看，3月中旬到4月下旬為關(guān)中平原地區(qū)干旱高發(fā)期，進入5月后，旱情發(fā)生的頻率有所下降，程度也有所減輕；從多年同一旬干旱發(fā)生的地域性來看，位于關(guān)中東部的合陽、蒲城的旱情整體比位于關(guān)中中部的藍田、乾縣、以及位于關(guān)中西部的鳳翔、陳倉和岐山嚴重，在干旱年份發(fā)生重旱的頻率更高。根據(jù)氣象部門資料和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，2003年、2004年、2005年和2009年關(guān)中地區(qū)3、4月份降水量和土壤含水量均較低，旱情嚴重。MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果與當?shù)貧庀笏臄?shù)據(jù)基本相符合。

3.3 MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果的年內(nèi)分析

以2009年為例，對MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果進行了分析(圖4)。結(jié)果表明，3月上旬關(guān)中的旱情并不嚴重；3月中旬旱情加重，關(guān)中東部的旱作地區(qū)蒲城、合陽等VTCI值低于0.37，出現(xiàn)了重旱現(xiàn)象；3月下旬旱情稍有緩解；4月上、中旬旱情加重，關(guān)中東部部分地區(qū)出現(xiàn)重旱現(xiàn)象；4月下旬旱情有所緩解；進入5月上旬后，東部地區(qū)的高溫使該地區(qū)旱情嚴峻；5中旬和下旬關(guān)中地區(qū)旱情逐步解除。

陜西省氣象資料顯示[21]：2009年春季(3月～5月)關(guān)中地區(qū)平均氣溫為12℃～16℃，較常年偏高1℃～2℃；降水量為110 mm～220mm，西部局地較常年偏少一到二成；日照為400 h～730h，較往年偏多10h～120h。2009年陜西省冬小麥生育期氣象條件總體特征為：冬季氣溫偏高，有利于冬小麥安全越冬；冬季前期關(guān)中地區(qū)有輕到中旱，至2月全省出現(xiàn)降水，旱情有所緩解，利于冬小麥返青；3月降水分布較均勻，墑情大部增加，利于冬小麥的起身和拔節(jié)；4月全省普遍氣溫偏高、降水偏少，月內(nèi)降水時空分布較均勻，水分利用率高，土壤墑情較好，對冬小麥的抽穗灌漿有利，但長期的高溫少雨對冬小麥的拔節(jié)孕穗有一定影響；5月份全省氣溫偏低、降水偏多，大部地區(qū)旱情解除，冬小麥成熟期生長及收割晾曬進展較順利。

關(guān)中地區(qū)2009年MODIS -VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果與當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)和小麥生育期氣象條件特征相一致，說明MODIS -VTCI干旱等級劃分指標是可行的。

圖3 2003年～2012年每年3月～5月典型樣點MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果

圖4 2009年3月～5月MODIS-VTCI干旱等級監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)束語

在關(guān)中平原地區(qū)將建立在NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)上的VTCI干旱等級劃分指標應(yīng)用到Aqua-MODIS數(shù)據(jù)中，通過氣象數(shù)據(jù)對MODIS-VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果進行驗證。繪制典型樣點的VTCI散點圖發(fā)現(xiàn)，兩種數(shù)據(jù)的VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果散點分布呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)關(guān)系，說明MODIS和AVHRR在相同時間尺度下得到的VTCI干旱監(jiān)測結(jié)果具有可比性。干旱等級的年際、年內(nèi)監(jiān)測結(jié)果表明，3月中旬至4月下旬為關(guān)中地區(qū)干旱高發(fā)時期，關(guān)中東部地區(qū)旱情比西部嚴重，旱情時空分布和當?shù)氐臍庀笏臄?shù)據(jù)相符合。以上結(jié)果均說明MODIS-VTCI干旱等級劃分指標具有可行性。

VTCI干旱監(jiān)測方法僅考慮了NDVI和LST的時空變化特征，應(yīng)用VTCI進行干旱監(jiān)測對研究區(qū)域的選擇要求較高，適用于監(jiān)測某一特定年內(nèi)某一時期區(qū)域級的相對干旱程度，在精度和適用區(qū)域上存在一定局限性，今后將對VTCI的適用精度進行深入研究。干旱等級劃分指標具有不確定性，未來的研究重點將進一步深入研究MODIS-VTCI干旱等級劃分指標的不確定性，需更多地考慮影響土壤水分和作物水分的因素進行MODIS-VTCI的定量化研究。

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