FY-3A／MERSI與MODIS的溫度植被干旱指數(shù)反演及對(duì)比分析

姜 琳，馮文蘭，劉志紅，李 剛，郭 兵

（1.成都信息工程學(xué)院，成都610225；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094）

近年來(lái)，在全球氣候變暖的影響下，我國(guó)干旱災(zāi)害發(fā)生頻率逐漸增加，干旱區(qū)域不斷擴(kuò)大，且有從干旱區(qū)向濕潤(rùn)區(qū)發(fā)展的趨勢(shì)［1］。干旱災(zāi)害的發(fā)生給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)是用稀疏點(diǎn)上的土壤水分含量數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)干旱的程度和范圍，代表性差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍干旱災(zāi)害的監(jiān)測(cè)。應(yīng)用遙感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大范圍面上干旱監(jiān)測(cè)的可行性技術(shù)途徑之一。對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星（EOS）中分辨率光譜成像儀因其具有高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率以及適中的空間分辨率等特點(diǎn)，已經(jīng)在大范圍的、長(zhǎng)時(shí)期動(dòng)態(tài)干旱監(jiān)測(cè)中得到了很好的應(yīng)用。其中，利用MODIS地表溫度產(chǎn)品和植被指數(shù)（NDVI）產(chǎn)品計(jì)算TVDI或者VTCI干旱指數(shù)的方法由于數(shù)據(jù)易于獲取、監(jiān)測(cè)效果好而在干旱遙感監(jiān)測(cè)中廣泛使用［2－8］。然而，由于 MODIS溫度產(chǎn)品與植被產(chǎn)品空間分辨率不一致，在干旱反演中需要對(duì)分辨率低的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣從而降低了數(shù)據(jù)結(jié)果的精度。FY-3A是我國(guó)自主研發(fā)的極軌氣象衛(wèi)星，其搭載的中分辨率光譜成像儀（MERSI）具有多光譜和高分辨率成像的特點(diǎn)，且MERSI傳感器的波段設(shè)置與MODIS的某些波段基本一致，特別是用于監(jiān)測(cè)地表植被、大氣水汽以及地表溫度的通道。與EOS／MODIS相比，F(xiàn)Y-3 A／MERSI的250 m分辨率的可見(jiàn)光、熱紅外通道可分別用于植被指數(shù)和地表溫度信息的提取。因此，利用FY-3 A／MERSI數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)可以在保證植被指數(shù)與地表溫度空間分辨率一致的同時(shí)將干旱監(jiān)測(cè)反演的空間分辨率提高到250 m［9］。

攀西地區(qū)位于四川省西南部的攀西大裂谷，地處干熱河谷區(qū)，由于受冬夏季風(fēng)的交替影響，形成了干雨季分明的氣候變化規(guī)律，每年10月至翌年5月底，降水量?jī)H占全年的10%左右，造成冬春連旱。因此，選取該地區(qū)作為干旱監(jiān)測(cè)的研究區(qū)域具有代表性。本文采用廣泛使用的TVDI干旱指數(shù)法，應(yīng)用FY－3 A／MERSI數(shù)據(jù)，分析并揭示攀西地區(qū)復(fù)雜山區(qū)NDVI-Ts空間的形態(tài)特征，同時(shí)將監(jiān)測(cè)結(jié)果與同期EOS／MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以此對(duì)FY－3 A／MERSI數(shù)據(jù)在攀西地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為攀西地區(qū)遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用和相關(guān)部門(mén)的防災(zāi)減災(zāi)提供借鑒和決策支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

攀西地區(qū)位于四川省西南部，地理坐標(biāo)為26°03′—29°27′N，100°08′—103°53′E，總面積約6.36萬(wàn)k m2，行政上包括攀枝花市和涼山彝族自治州，共計(jì)20縣（市）。境內(nèi)海拔差異大，高山河谷南北相間排列，地貌類型復(fù)雜多樣。氣候特征屬以南亞熱帶為基帶的立體氣候類型，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸發(fā)量大，旱、雨季分明，是四川省近幾年旱災(zāi)頻發(fā)的地區(qū)［10］。

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

所用數(shù)據(jù)源主要是 FY-3 A／MERSI和 EOSMODIS數(shù)據(jù)，F(xiàn)Y-3 A／MERSI原始數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星中心，其可見(jiàn)光和熱紅外通道的空間分辨率為250 m，數(shù)據(jù)時(shí)間為2012年5月18日。數(shù)據(jù)處理使用MAS風(fēng)云數(shù)據(jù)處理軟件將其投影轉(zhuǎn)換為阿爾伯斯等面積投影并對(duì)其進(jìn)行幾何校正。EOSMODIS數(shù)據(jù)選擇2012年5月18日白天的地表反射

式中：Lsensor——傳感器觀測(cè)到的輻射亮度［W／（m2·sr·μm）］；Tsensor——傳感器觀測(cè)到的亮溫（K）；λ——有效作用波長(zhǎng)（μm）；ε——比輻射率；c1＝1.19104×108［W／（m2·sr·μm）］；c2＝1.43877×104μm·K；ψ1，ψ2，ψ3——大氣水汽含量ω的函數(shù)，可由下式計(jì)算：

1.3.3 溫度植被干旱指數(shù)的（TVDI）反演 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用遙感技術(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)多是基于植被指數(shù)和地表溫度的模型。Sandholt等［13］基于植被指數(shù)和地面溫度的關(guān)系，提出了溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）估算土壤表層水分狀況。在國(guó)內(nèi)被廣泛用來(lái)進(jìn)行不同地區(qū)的大范圍的旱情監(jiān)測(cè)，其準(zhǔn)確性也得到很好的驗(yàn)證。其中張順謙等［14］就利用NOAA數(shù)據(jù)依據(jù)溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）對(duì)2006年四川伏旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估，并驗(yàn)證了TVDI在四川地區(qū)進(jìn)行率產(chǎn)品以及地表溫度產(chǎn)品，其中地表反射率產(chǎn)品空間分辨率為250 m，地表溫度產(chǎn)品空間分辨率為1 000 m，在MRT軟件下對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換為阿爾伯斯等面積投影并統(tǒng)一重采樣為250 m。

1.3 研究方法

1.3.1 歸一化植被指數(shù)（NDVI）的反演 NDVI是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)，定義為近紅外通道與可見(jiàn)光紅通道反射率之差與之和的商［11］，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用，其公式為

式中：QNIR——近紅外波段的反射率；QR——紅波段反射率。對(duì)于 MERSI數(shù)據(jù)，QNIR，QR——大氣校正后的其第4和第3波段的反射率。對(duì)于MODIS數(shù)據(jù)，QNIR與QR則采用了反射率產(chǎn)品中的第2和第1波段的反射率。

1.3.2 FY-3 A MERSI數(shù)據(jù)地表溫度的反演 由于FY-3 A／MERSI只有一個(gè)熱紅外通道，所以本文采用Ji menez-Munoz和 Sobrino［12］建立的適用于各種傳感器的普適性單通道算法。該算法簡(jiǎn)便適用，只需要知道熱紅外通道的中心波長(zhǎng)，地表比輻射率和大氣水汽含量即可。其具體公式為：旱情監(jiān)測(cè)的可行性。TVDI的計(jì)算公式如下：

式中：Tsmin——某一NDVI對(duì)應(yīng)的最小地表溫度，對(duì)應(yīng)的是濕邊Tsmin＝a1＋b1NDVI；Ts——任意像元的地表溫度；a1，b1——濕邊擬 合方程的 系數(shù)；smax——某一NDVI對(duì)應(yīng)的最大地表溫度，對(duì)應(yīng)的是干邊Tsmax＝a＋b NDVI；a，b——干邊擬合方程的系數(shù)。TVDI取值范圍為0～1，TVDI越大，表明越接近干邊，旱情就越嚴(yán)重。

2 結(jié)果與分析

2.1 FY-3A／MERSI與 MODIS數(shù)據(jù) NDVI-Ts特征空間的比較

基于TVDI干旱指數(shù)模型進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)最重要的一步就是確定其干濕邊，干濕邊的確定直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果［14］。本文以 NDVI步長(zhǎng)為0.002提取不同NDVI條件下的最大陸地表面溫度和最小陸地表面溫度，得到NDVI-LST二維特征空間變化，見(jiàn)圖1。

從圖1中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)大概一致，但是MERSI數(shù)據(jù)的最小溫度、最大溫度與植被指數(shù)擬合的線性關(guān)系更好一些，而MODIS數(shù)據(jù)的植被指數(shù)與地表溫度的二維散點(diǎn)圖要散亂一些，這主要是由于在對(duì)MODIS地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)把云像元誤判成晴空地表造成的。同時(shí)，從兩幅散點(diǎn)圖可以看出，同一NDVI所對(duì)應(yīng)的最大地表溫度MODIS數(shù)據(jù)要大一些，說(shuō)明MODIS數(shù)據(jù)在晴空狀態(tài)下監(jiān)測(cè)的地表溫度要比MERSI數(shù)據(jù)好一些。

圖1 NDVI-TS特征空間關(guān)系

根據(jù)TVDI的原理，隨著植被指數(shù)的增加，地表最大溫度應(yīng)該逐漸降低，但是由于攀西地區(qū)空氣中水分含量高，以及植被覆蓋度過(guò)低的時(shí)候，NDVI會(huì)高估，而植被覆蓋度過(guò)高的時(shí)候，NDVI會(huì)低估等原因，造成NDVI-TS在左右兩端不符合實(shí)際規(guī)律，結(jié)合兩者散點(diǎn)圖的空間擬合特征發(fā)現(xiàn)，NDVI在0.2到0.8的區(qū)間內(nèi)，地表溫度與植被指數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。因此只取NDVI在0.2到0.8的中等植被覆蓋度區(qū)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行干濕邊的擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 MODIS和 MERSI數(shù)據(jù)確定的干濕邊方程

由表1可知，MERSI數(shù)據(jù)的干濕邊方程的擬合系數(shù)分別為0.890 1，0.866 5，要高于 MODIS數(shù)據(jù)的0.710 6，0.706 5，說(shuō)明 MERSI數(shù)據(jù)的地表溫度與植被指數(shù)的變化有著較高的一致性，從而可以很好地體現(xiàn)出研究區(qū)的干旱發(fā)生變化機(jī)理。

2.2 MERSI-TVDI與 MODIS-TVDI的整體相關(guān)性分析

為了驗(yàn)證FY-3 A／MERSI數(shù)據(jù)反演的TVDI與MODIS數(shù)據(jù)反演的TVDI數(shù)值的整體相關(guān)性，對(duì)兩種數(shù)據(jù)反演結(jié)果按照0.25°×0.25°共設(shè)置120個(gè)樣點(diǎn)，采用隨機(jī)均勻布點(diǎn)法進(jìn)行取樣。對(duì)提取的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析結(jié)果顯示（圖2），兩者呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.919 9，同時(shí)將MODIS和MERSI數(shù)據(jù)所有樣點(diǎn)進(jìn)行差值計(jì)算，所得差值變化區(qū)間為－0.12到0.23，均值為0.11，說(shuō)明 MODIS-TVDI整體數(shù)值要比 MERSI-TVDI要略微大一些，可能與MERSI數(shù)據(jù)反演的地表溫度比MODIS數(shù)據(jù)低一些有關(guān)，但是兩者的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果整體數(shù)值上有著較好的一致性。

圖2 MERSI-TVDI與 MODIS-TVDI樣點(diǎn)驗(yàn)證圖

2.3 不同地表覆蓋類型下MERSI-TVDI與 MODISTVDI的對(duì)比分析

考慮到TVDI模型在對(duì)較大區(qū)域進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)會(huì)受到地表覆蓋類型差異的影響［15］，本文進(jìn)一步分析FY-3 A／MERSI數(shù)據(jù)與MODIS數(shù)據(jù)在不同不同覆蓋類型下監(jiān)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性。以攀西地區(qū)受干旱影響的林地、灌木、旱地、水田和草地5種土地利用類型為分析對(duì)象，按照不同海拔高度、不同坡度以及均一較大斑塊的原則來(lái)進(jìn)行 MERSI-TVDI與 MODIS-TVDI取樣，采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。從表2中可以看出，MERSI與MODIS數(shù)據(jù)反演的TVDI在這5種土地利用類型中都表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，其中草地、林地和灌木的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.944，0.903和0.915，而水田和旱地的相關(guān)系數(shù)則略小。

表2 MERSI-TVDI與 MODIS-TVDI相關(guān)分析

2.4 MERSI-TVDI與 MODIS-TVDI的空間分布分析

在溫度植被干旱指數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)攀西地區(qū)的旱情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，按最大概率法，將攀西地區(qū)的TVDI進(jìn)行如下分級(jí)：＜0.67為無(wú)干旱區(qū)、0.67～0.74為輕度干旱、0.74～0.84為中度干旱、＞0.84為重度干旱，結(jié)果如附圖12所示，從干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果空間分布的對(duì)比來(lái)看，MERSI-TVDI的紋理特征更加明顯，而MODIS的紋理特征則相對(duì)要差一些，主要是由于對(duì)MODIS的地表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣造成其精度的降低。從干旱的分布情況來(lái)看，MODIS-TVDI和MERSI－TVDI都反映出攀西地區(qū)的西南部包括鹽源縣的中部、攀枝花市轄區(qū)、會(huì)理縣、米易縣、寧南縣的南部都存在著大面積的重度干旱，而東北部的大部分地區(qū)干旱情況比較輕。

2.5 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用攀西地區(qū)及周圍20個(gè)氣象站點(diǎn)2012年4月1日到5月17日的日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，然后考慮高程因素對(duì)其進(jìn)行協(xié)和克里金插值，插值后數(shù)據(jù)分辨率為250 m。得到結(jié)果如附圖13所示，從圖中可以看出攀西地區(qū)西部和南部地區(qū)2012年4，5月份的降雨量比東部和北部地區(qū)要明顯偏少，而且降水極少的兩個(gè)中心區(qū)域與TVDI的監(jiān)測(cè)結(jié)果兩個(gè)重度干旱區(qū)域基本重合，整個(gè)降雨分布情況與TVDI干旱情況分布數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。為了進(jìn)一步說(shuō)明MODIS與MERSI數(shù)據(jù)的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果可信，本研究采用均勻網(wǎng)格劃分法將攀西地區(qū)均勻劃分為0.5°×0.5°網(wǎng)格，利用 Arc GIS的Zonal statistic功能統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格相應(yīng)的降雨量和MODIS（TVDI）、FY3 A-MERSI（TVDI）均值，并對(duì)其進(jìn)行定量的相關(guān)性分析，該方法避免了以點(diǎn)為單元進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)像元尺度的問(wèn)題。研究結(jié)果表明：MODIS（TVDI）、FY3 A-MERSI（TVDI）與當(dāng)前月份降雨量存在顯著負(fù)相關(guān)，其線性相關(guān)系數(shù)分別為－0.83，－0.91，并且FY3A-MERSI數(shù)據(jù)反演的TVDI數(shù)據(jù)與降雨量的線性負(fù)相關(guān)性更好。

3 討論與結(jié)論

MERSI數(shù)據(jù)的植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)所構(gòu)造的干濕邊的散點(diǎn)分布圖相關(guān)性要高于MODIS數(shù)據(jù)，說(shuō)明MERSI數(shù)據(jù)可以更好地來(lái)體現(xiàn)干旱信息。MODIS-TVDI與 MERSI-TVDI的差值結(jié)果表明，兩者之間數(shù)值上存在著一定的差別，變化范圍在－0.12到0.23，而且MODIS的監(jiān)測(cè)結(jié)果要比MERSI的監(jiān)測(cè)結(jié)果略大，這主要是由于探測(cè)儀器本身的參數(shù)、光譜響應(yīng)差異、太陽(yáng)高度角、幾何畸變及云污染狀況等因素的存在。

通過(guò)對(duì)兩種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的整個(gè)區(qū)域的均勻取樣點(diǎn)以及不同植被覆蓋類型的取樣點(diǎn)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，MERSI-TVDI和 MODIS-TVDI不論在整體上還是典型樣點(diǎn)上都呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)性。從攀西地區(qū)旱情空間分布情況來(lái)看，兩者的無(wú)旱、輕旱、中旱以及重旱4個(gè)干旱等級(jí)的的分布情況大概一致。但是MERSI數(shù)據(jù)的紋理特征相比于MODIS數(shù)據(jù)更加明顯。攀西地區(qū)2012年4月、5月份的整個(gè)降雨分布情況與TVDI干旱情況分布數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明兩者干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果是可信的。綜上，F(xiàn)Y3 AMERSI數(shù)據(jù)具備干旱監(jiān)測(cè)能力，且其監(jiān)測(cè)結(jié)果與MODIS數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有可比性。

致謝：感謝四川省氣象局和國(guó)家氣象衛(wèi)星中心為本研究提供數(shù)據(jù)資料以及國(guó)家氣象中心的韓秀珍和陳楠老師為本次研究提供的方法和技術(shù)指導(dǎo)。

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