海南島農業干旱綜合監測業務化運行研究

李海亮+方紀華+田光輝+羅紅霞

摘要：基于MODIS數據、地面觀測數據，以海南島農業干旱監測綜合模型為工具開展海南島農業干旱綜合監測研究，完成了基于WebGIS的海南省農業干旱監測系統的設計與開發。通過WebGIS系統及時發布旱情信息，用戶通過計算機終端網頁瀏覽器可以對海南島實時的干旱情況進行交互式的查詢和檢索，實現了海南島農業干旱綜合監測的業務化運行。并應用海南省農業干旱監測系統進行了干旱監測、旱情區域分析等業務化運行示范。該研究結果可為區域農業干旱綜合監測業務化運行提供參考依據。

關鍵詞：MODIS；農業干旱；監測系統；業務化運行；海南島

中圖分類號： S127 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0211-03

收稿日期：2016-06-29

基金項目：國家星火計劃項目（編號：2014GA800006）；海南省重大科技項目（編號：ZDZX2013018）。

作者簡介：李海亮（1977—），男，湖南邵陽人，碩士，副研究員，主要從事熱帶農業遙感與數字研究。Email：fondgis@163.com。 農業干旱是一種復雜的現象，農業干旱監測面臨著較大的困難。遙感技術的發展為農業干旱的監測提供了新的機遇，但遙感監測的信息是時間點上作物反映出來的特征，未考慮作物生長機理及生長環境影響的時間效應。因此，更合理的農業干旱監測方法應該基于遙感信息和地面觀測數據，把作物生長機理與環境信息結合起來，加強作物形態指標與土壤濕度指標的結合。現有研究已經提出了許多農業干旱的監測方法，這些方法大多數能夠對農業干旱進行有效的監測[1-4]。而建立監測旱情的業務運行系統，可將旱情實時監測或評估的結果，迅速、及時、有效地上報有關單位和部門，為各級領導決策提供依據；從而達到及時采取各種防范措施，將旱情造成的損失降至最低點的目的。因此，基于遙感信息與地面觀測數據的農業干旱綜合監測及業務化運行將是農業干旱監測研究的一個重要發展方向[5-7]。在分析海南島干旱發生規律的基礎上建立一套相對精準、計算簡便、數據容易獲取、重復周期短、適合長期業務化運行的海南島農業干旱監測系統，快速高效地進行農業干旱監測，為科學抗旱救災、調整農業結構和農事活動提供決策依據，對海南省農業發展具有重要的現實意義。本研究利用海南島農業干旱監測綜合模型開展農業干旱監測研究，設計并實現WebGIS系統，用戶通過計算機終端的網頁瀏覽器可以對海南島實時干旱情況進行交互式的查詢和檢索，探索農業干旱監測系統的旬報業務化運行。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區域

海南島是我國僅次于臺灣島的第二大島，總面積約3.39萬km2，地處18°10′～20°10′N、108°37′～111°03′E之間，位于熱帶北緣。海南島夏無酷熱，冬無嚴寒，氣溫年較差小，全年氣溫高，年平均氣溫22～26 ℃，終年無霜雪。全島中部山區氣溫較低，西南部較高。年平均降水量為1 639 mm，降水時空差異大，東濕西干。海南島屬熱帶季風海洋性氣候，干雨季分明。受臺風及降雨時空分布不均的影響，全島旱澇災害頻繁，旱患尤為突出。海南島干旱對工農業生產和人民生活影響都很大，不僅限制了熱帶資源的充分利用，而且影響熱帶作物的生產活動和產量。建國以來海南島出現較為嚴重的旱災共40多次，幾乎每年達1次。

1.2數據來源與處理

1.2.1 遙感數據 利用海南省氣象科學研究所EOS/MODIS遙感數據接收系統存檔的日MODIS原始數據（上午星Terra），通過解包歸整、定位定標、1B（HDF）數據的生成、投影變換、幾何采樣和重采樣等預處理工作，以最大值合成法（MVC）逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的歸一化植被指數（NDVI），空間分辨率為1 km。而地表溫度（LST）數據則來自美國國家航空航天局（NASA）提供的L3級別的MODIS/Terra全球數據產品。首先對空間分辨率為1 km、時間分辨率為1 d的MOD11A1數據運用MRT軟件進行拼接、投影轉換。剔除質量較差像元，然后以均值法逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的LST數據。利用海南島邊界圖完成NDVI數據、LST數據的裁剪和拼接工作，同時剔除NDVI、LST數據的無效值。

1.2.2 氣象數據 收集海南省18個氣象臺站，2004年7月上旬至2005年1月下旬各旬降水量，以及各旬多年平均降水量。將通過以上數據計算得到的綜合降水指數（CPI）采用薄板樣條函數[8]（TPS）插值的方法進行全區域的精確模擬。

1.3 研究方法

1.3.1 農業干旱綜合監測模型 為探索提高農業干旱綜合監測模型的精度，以中國農業科學院研究小組提出的農業旱情遙感評估模型[7-9]為基礎，在遙感指數和氣象指數權重指定建模的基礎上，提出了實測土壤含水量反演建模的方式。以標準化植被供水指數（VSWIS）和綜合降水指數（CPI）作為變量，通過與同步實測土壤含水量的數據融合構建了適合海南島農業干旱監測的綜合模型[10]，本研究以該模型為工具進行海南島的農業干旱監測，其計算公式為：

式中：DI為綜合旱情指數，取0～1，其中DI=0表示嚴重干旱，DI=1表示非常濕潤；VSWI為標準化植被供水指數，由MODIS-NDVI和MODIS-LST數據計算得到；CPI為綜合降水指數，由旬降水量、旬多年平均降水量及各旬權重計算得到；0.036 198為常數項。

經檢驗，該模型的均方根誤差（RMSE）為4.65%，相對均方根誤差（RMSEr）為19.28%，模型具有較高的精度。

1.3.2 農業干旱等級劃分 以海南島農業干旱調研為基礎，參考氣象干旱等級劃分方法、已有研究的綜合干旱等級劃分方法[10]，建立海南島農業干旱分級標準。將農業干旱程度分為濕潤、正常、輕旱、中旱、重旱5個級別（表1）。endprint

1.3.3 農業干旱監測系統 為使整個系統具有較高的運行效率、較強的靈活性、可擴展性及可伸縮性，系統設計在多層模型架構之上，整個系統體系分為表示層、開發應用層、數據管理層（圖1）。系統開發采用Windows 2003 Server，IIS 5.0服務器平臺，客戶端為IE 5.0以上瀏覽器，開發環境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 2.0，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server9.2.DotNet ADF開發包，開發語言采用Visual C#.NET。地圖應用服務器基于Internet/Intranet的地圖應用服務器，采用標準TCP/IP，HTTP傳輸協議。

系統在實時數據支持下，實現Web瀏覽器上的GIS圖形與數據的可視化操作，工作人員可以查詢到海南島內不同時段的基礎地理信息、旱情信息和歷史資料信息。可以進行選定區域特定面積內的各種旱情指數的計算，以圖文報表形式反映整個旱情的發展演變過程。系統主要功能有：旱情專題查詢、旱情周期監測、旱情預警發布和專題統計查詢等。

2 結果與分析

2.1 海南省農業干旱監測系統

海南省農業干旱監測系統的開發環境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 1.1，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server.NET ADF開發包，開發語言采用Visual C#.NET。地圖應用服務器基于Internet/Intranet的地圖應用服務器，采用標準TCP/IP，HTTP傳輸協議。系統主界面見圖2。

2.1.1 旱情專題查詢 通過WebGIS頁面的操作，可以在地圖列表窗口中選擇旱情專題圖瀏覽察看頁面，該頁面為用戶提供樹形目錄，用戶可以選擇性地察看各時段、各區域的旱情分級和旱情指數。旱情指數包括綜合旱情指數（DI）、標準化植被供水指數（VSWIs）、綜合降水指數（CPI）。在地圖列表窗口中選好需要察看旱情的時段，在地圖中點擊查詢任意位置的旱情信息，查詢結果即顯示在“查詢結果”欄中。

2.1.2 旱情周期監測 以農業干旱監測綜合指數為旱情監測基礎數據，以EOS/MODIS遙感數據更新周期作為系統監測周期。將更新數據做預處理，并通過模型演算使旱情數據空間可視化表達，最后將其上傳至服務器，系統會自動發布更新數據，及時展示旱情關鍵要素的空間分布格局及變化情況。

2.1.3 旱情預警發布 系統通過模型計算出的農業干旱監測綜合指數，對比系統定義好的旱情災害指標，將旱情進行分級預警，并將預警信息及時發布，詳細顯示旱情發生區域、旱情災害等級、未來氣候情況等重要災害信息，為抗災減災決策提供科學支持。

2.1.4 專題統計查詢 為了滿足用戶對氣候、旱情發展等信息的需要，在系統中設置了區域統計、農業旱情統計、旱情專題圖、農業旱情監測報告、氣候公報、課題介紹等菜單欄，各菜單以下拉列表的方式鏈接相應的文檔及圖片列表。點擊文檔名及圖片名即可打開對應的文檔及圖片文件，查看相應的資料信息。

2.2 海南島農業干旱監測業務化運行示范

2.2.1 旱情監測 利用海南省農業干旱監測系統對海南島2004年10月上旬至2005年1月下旬的農業干旱進行監測，制作干旱專題圖及統計曲線圖（圖3）。從圖3可以看出，從時間演變來看，2004年10月上旬起旱情持續加重，至2004年12月上旬達到旱情高峰，2005年1月下旬海南島旱情依然嚴重；從空間演變來看，海南島西部旱情重于東部、北部旱情重于南部、四周旱情重于中部。

2.2.2 旱情區域分析 應用海南省行政區域數據提取2004年10月至2005年1月海南島內18個行政單元每旬的綜合旱情指數，并統計各干旱等級柵格數。旱情最嚴重段（2004年12月上旬）海南省各行政區域的旱情統計見表2。從表2可以看出，該時段旱情最嚴重的市縣為儋州市，其受災（重旱、中旱及輕旱）面積為3 155 km2，約占陸地總面積的97%，多為重旱和中旱；旱情最輕的市縣為中部的五指山市，其受災面積為986 km2，約占陸地總面積的85%，多為輕旱和中旱。

3 結論與討論

本研究基于MODIS數據、地面觀測數據，以海南島農業干旱監測綜合模型為工具開展了海南島農業干旱綜合監測研究。通過需求分析、結構設計、模塊設計及系統開發，完成了基于WebGIS的海南省農業干旱監測系統的設計與開發，實現了農業干旱監測的業務化運行。通過標準化處理后，旱情監測結果在不同時期具有可比性，可以根據不同級別的旱情分布進行受災范圍統計，評估旱災損失，為農業部門抗旱減災工作提供更加直接可用的結果。同時，應用數據批處理技術，在較短的時間內就可完成每一旬的旱情監測分析評價，得到旱情分析以及可能損失評估結果。并通過WebGIS系統及時發布旱情信息，用戶通過計算機終端網頁瀏覽器實現了海南省實時干旱情況的交互式查詢和檢索，并可據此形成干旱評估分析報告，為科學抗旱救災、調整農業結構和農事活動提供決策依據。

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