基于MODIS數據的天山北坡經濟帶農田生態質量氣象評價研究

陳愛京 肖繼東 張旭

摘要 以2007—2015年4—9月EOS/MODIS衛星數據為基本數據源，并結合氣象觀測數據，采用3S技術，對天山北坡經濟帶各縣（市）的濕潤指數、水覆蓋指數、植被覆蓋指數以及農田（干旱）災害指數進行了研究，并通過農田生態質量綜合評價指數分析該地區的生態質量狀況。結果表明：2007—2015年天山北坡經濟帶各縣（市）的農田生態質量綜合評價綜合指數分別在32.18～37.72之間，近9年的農田生態質量狀況沒有發生明顯的變化，但總體趨勢是逐漸增加的，說明生態環境有所好轉，本研究可為有關部門開展生態建設規劃和環境保護提供科學決策依據。

關鍵詞 EOS/MODIS；天山北坡經濟帶；農田；生態質量；氣象評價

中圖分類號 X826 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）09-0210-03

Abstract Using the satellite data of EOS/MODIS during 2007 to 2015（April to September）as the basic data sources，and combined with meteorological observation data，by using 3S technology，farmland economic belt in north slope of Tianshan Mountains were studied，selecting the four indexes such as moisture index，vegetation cover index，water coverage index and disaster index.The ecological quality of farmland in the area was analyzed through comprehensive index. The results showed that：During 2007 to 2015，economic belt in north slope of Tianshan Mountains counties（cities）of the ecological quality of farmland comprehensive evaluation index between 32.18 and 37.72，nearly nine years of farmland ecological quality of no obvious change，but the overall trend increased，indicating that the ecological environment is improved. This study may be relevant departments to carry out ecological construction and environmental protection plan to provide a scientific basis for decision making.

Key words EOS/MODIS；economic belt in north slope of Tianshan Mountains；farmland；ecological quality；meteorology evaluation

生態環境是以人類為中心的自然要素和社會要素相互聯系、相互制約而構成的綜合體，是人類生存與發展的物質基礎和空間條件[1-4]。氣象因子作為生態系統的重要自然屬性，很大程度上影響著區域生態環境背景和生態環境適宜度[5-8]。

遙感技術具有宏觀、多譜段、多時相等優點。近幾年，遙感技術開始應用于生態質量氣象評價的研究中，但以MODIS數據為數據源的生態質量氣象評價的研究較少[9-12]。本文以2007—2015年4—9月的MODIS數據為主要的遙感數據源，依據《生態氣象觀測規范（施行）》和《生態質量氣象評價規范（試行）》，選取濕潤指數、水覆蓋指數、植被覆蓋指數以及農田（干旱）災害指數4個指標進行提取研究，結合氣象資料開展了天山北坡經濟帶的農田生態質量氣象評價研究。天山北坡經濟帶區位條件優越，是我國西北地區最重要的糧食基地。因此，客觀、準確地評價天山北坡經濟帶的農田生態環境狀況有重要的意義[13]。

1 研究區概況及資料來源

1.1 研究區概況

天山北坡經濟帶是形成于沖積扇的條帶狀綠洲城鎮帶，其東西長約300 km，南北寬約260 km，區域總面積8.8萬km2，地貌上屬于河流形成的沖積扇或淤積平原，地形由東南向西北略傾斜，南高北低，海拔高度在450～1 200 m之間，有大量的泉水在扇緣帶溢出，也是現代主要的綠洲區。年平均氣溫7.4～9.1 ℃，最低氣溫-37.2～-33.6 ℃，最高氣溫32.4～38.2 ℃，年無霜期150～179 d[14]。

1.2 數據資料來源

影像數據來源于新疆地區2007—2015年4—9月的EOS/MODIS 1B數據，由于EOS/MODIS 1B數據存在幾何上的畸變[15]，所以通過EOS/MODIS用戶軟件EOSSHOP，對MODIS數據進行幾何糾正，生成等經緯度投影的局地文件LD2（Local Data Version2）。氣象數據來源于同期氣象觀測站的平均氣溫、降水、氣壓等氣象數據。

1.3 研究方法

在生態環境的遙感監測評價中，許多觀測項目用作生態環境質量的指標來進行單因子或多因子綜合的評價，但并無統一的評價方法。在此，農田生態質量氣象評價是運用3S技術方法進行評價。按照中國氣象局制定的《生態氣象觀測規范（施行）》和《生態質量氣象評價規范（試行）》中提出的評價指標體系[16-17]，計算天山北坡經濟帶各縣（市）生態環境遙感監測評價指數：濕潤指數、農田植被覆蓋指數、水覆蓋指數、農田（干旱）災害指數以及農田生態質量綜合評價指數，突出考慮了氣候濕潤狀況以及環境災害方面的影響評價。由于不同的因素對農田生態環境的影響程度是不一樣的，采用專家打分法，評價指數選擇0～1之間的數，然后乘以100為各評價指數最終的分值。各指標計算方法如下：

1.3.1 濕潤指數。濕潤指數系指降水量與潛在蒸散量之比。計算公式如下：

K=AR/ET×R/ET（1）

式（1）中，AR/ET為濕潤指數的歸一化系數，R為降水量，ET為蒸散量。

1.3.2 農田植被覆蓋指數。將不同土地利用/覆被類型賦以不同的權重，得出地表覆被狀態值，作為生態狀態的重要表征之一。計算公式如下：

農田植被覆蓋指數=Aveg×（0.6×高覆蓋農田面積×生長期+0.3×中覆蓋農田面積×生長期+0.1×低覆蓋農田面積×生長期）/區域面積（2）

式（2）中，Aveg為植被覆蓋指數的歸一化系數。

1.3.3 水覆蓋指數。利用EOS/MODIS遙感資料提取天山北坡經濟帶內的水體，計算公式如下：

水覆蓋指數=A1ak×（1.0×湖庫水域面積+0.7×永久性冰雪面積+0.3×季節性積雪面積）/區域面積（3）

式（3）中：A1ak為水覆蓋面積的歸一化系數。

1.3.4 農田干旱災害指數。農田干旱災害指數是指被評價區域內農田生態系統遭受干旱災害面積占被評價區域面積的比重。干旱指數是由反演出的土壤濕度按不同的權重系數計算出來的。農田干旱災害等級分級標準及權重見表1。

1.3.5 農田生態質量綜合評價指數。根據不同屬性指標對農田生態系統的影響方向不同，依據以上4個分指標及其所占權重，計算出天山北坡經濟帶的農田生態質量綜合評價指數，最后根據該指數進行評價，將農田生態質量綜合評價指數劃分為5個等級，即優、良、中、較差和差，分級標準見表2。

農田生態質量綜合評價指數=濕潤指數×0.25+農田植被覆蓋指數×0.30+水覆蓋指數×0.2+（1-農田干旱災害指數）×0.25（4）

2 結果與分析

2.1 濕潤指數

由天山北坡經濟帶氣象觀測站的氣象資料可以計算出2007—2015年的濕潤指數，濕潤指數值在0.252～0.457 之間變動。天山北坡經濟帶年濕潤指數值均小于1，表明每年大氣降水小于植物生理過程需水量，年降水不足，不利于生態環境改善，但從這近9年濕潤指數的線性趨勢來看（圖1），濕潤指數有逐漸增大的趨勢，2015年與近9年的濕潤指數相比偏多20%，其中9月偏多1.1倍，8月偏多70%，6月偏多40%，7月偏少近60%，5月偏少近30%，4月接近常年。

2.2 農田植被覆蓋指數

本研究利用2007—2015年4—9月的MODIS遙感數據，計算了天山北坡經濟帶的月和年的農田植被指數。從農田植被指數月變化曲線（圖2）可以看出，2007—2015年的植被指數變化趨勢是一致的，植被指數從4月開始逐漸增加，7月或8月達到最大值，然后開始逐漸下降，但2007年的植被指數明顯高于其他年份；從農田植被指數年變化曲線（圖3）可以看出，植被指數在0.073～0.046 3之間，其中2007年的植被指數最大為0.073，2008年最小為0.046 3，從年植被指數的線性變化趨勢看是逐漸減小的。2015年農田植被指數與近9年相比接近常年略偏少，其中6月、7月偏少10%～20%，4月、5月、8月和9月接近常年。

2.3 水覆蓋指數

本文利用2007—2015年的EOS/MODIS遙感資料提取出天山北坡經濟帶內的水體面積，然后根據公式計算出水覆蓋指數。從水覆蓋指數年變化曲線（圖4）可以看出，2007—2015年的水覆蓋指數在0.019 3～0.001 4之間，其中2007年的水覆蓋指數達到最大值為0.019 3，2015年的水覆蓋指數達到最小為0.001 4，其余年份在這之間波動；從這9年的水覆蓋的線性趨勢看，水覆蓋指數是逐漸減小的，不利于植被的生長。2015年水覆蓋指數與近9年相比偏少70%，其中6月、9月偏少60%，8月、5月、7月和4月偏少70%～80%。

2.4 農田干旱災害指數

災害指數主要考慮的是區域內農田生態系統遭受干旱災害面積占區域總面積的比重，主要是根據反演的土壤濕度按不同的權重系數計算出來的。從2007—2015年天山北坡經濟帶的農田干旱災害指數變化曲線（圖5）可以看出，農田災害指數是逐漸減小的，除了2010年有異常增加，說明總體干旱狀況是逐漸轉好的。2007—2015年的農田干旱災害指數在0.012 7～0.038 6之間，其中2010年的干旱災害指數最大為0.038 6，2015年的干旱災害指數最小為0.012 7，其余年份在這之間波動，2015年的干旱災害指數與近9年相比偏少50%，2015年的干旱災害指數明顯減小，干濕狀況明顯轉好，其中8月偏小99%，5月偏小60%，4月和9月偏小近40%，6月干旱指數為0。

2.5 農田生態質量綜合評價指數

根據濕潤指數、農田植被覆蓋指數、水覆蓋指數和農田干旱災害指數的權重，計算出天山北坡經濟帶2007—2015年的農田生態質量綜合評價指數值介于0.322～0.379之間，都處于中等，從農田生態質量綜合評價指數年變化曲線（圖6）可以看出近9年的變化不是很大，但總體趨勢是逐漸增加的，2015年的農田生態質量綜合評價指數與近9年相比接近常年略偏多，其中4月和9月的農田生態質量綜合評價等級為良，5月、6月和8月的農田生態質量綜合評價等級為中，7月的農田生態質量綜合評價等級為較差；2015年天山北坡經濟帶各縣（市）的農田生態質量綜合評價指數與近9年同期相比：全年農田生態質量綜合評價指數接近常年略偏多，其中6月和8月偏多10%～20%，9月偏多近30%，5月和7月偏少近10%～20%，4月接近常年略偏少。

3 結論與討論

（1）從各指數看，2007—2015年的濕潤指數值在0.252～0.457之間變動，從近9年濕潤指數的變化可以看出，濕潤指數有逐漸增大的趨勢；水覆蓋指數在0.001 4～0.019 3之間，近9年水覆蓋指數是逐漸減小的，不利于植被的生長；植被指數每年4—9月的變化趨勢是一致的，從4月開始逐漸增加，7月或8月達到最大值，然后開始逐漸下降，但2007年的植被指數明顯高于其他年份，其他年份變化不是很大，從近9年植被指數的線性變化趨勢看是逐漸減小的；農田災害指數在0.012 7～0.038 6之間，從近9年的變化可以看出農田災害指數是逐漸減小的（除了2010年有異常增加），說明干旱狀況是逐漸轉好的。

（2）從總體上看，2007—2015年天山北坡經濟帶各縣（市）的農田生態質量綜合評價綜合指數分別在32.18～37.72之間，農田生態質量綜合評價等級均處于中等，近9年的農田生態質量綜合評價狀況沒有發生明顯的變化，但總體趨勢是逐漸增加的，說明生態環境是有所好轉的，因此要實現天山北坡經濟帶生態環境的可持續發展，就需長期監測和評價天山北坡經濟帶的農田生態環境質量狀況。

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