基于多源遙感數(shù)據(jù)的青海省農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)研究

張偉東 魏寶安 劉 義 李 寧

（1.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150038；2.自然資源部第四地形測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150050）

0.引言

干旱是指某一特定區(qū)域降水總量不足，土壤保水率低，水分蒸發(fā)率高，不能夠滿足人畜用水、農(nóng)林灌溉和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然現(xiàn)象。在世界范圍內(nèi)，干旱問題成了全世界都避免不了的課題，在阿爾及利亞奧萊夫，年平均降水量為12．19毫米，屬于嚴(yán)重干旱；在蘇丹瓦迪哈勒法，年平均降水量?jī)H為2．45毫米，屬于極度缺水。近年來，我國(guó)多省旱情頻發(fā)，2000年干旱面積達(dá)4045萬公頃，受災(zāi)面積4．04億畝，是建國(guó)以來干旱最為嚴(yán)重的一年。2004年，我國(guó)南方遭受53年來罕見的干旱，經(jīng)濟(jì)損失四十多億元人民幣，720多萬人出現(xiàn)了飲水困難。當(dāng)旱情發(fā)生時(shí)，會(huì)對(duì)農(nóng)牧業(yè)、林草資源、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域造成一定影響，進(jìn)而危害糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)旱情作為干旱研究的主要監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，目前還沒有完善的監(jiān)測(cè)體系，沒有形成完整的監(jiān)測(cè)技術(shù)路線。因此，對(duì)農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)研究成了保障糧食安全、維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定的重要研究方向。以青海省為例，利用遙感技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行綜合旱情分析，有助于了解監(jiān)測(cè)區(qū)域地表農(nóng)業(yè)旱情分布情況，對(duì)于監(jiān)測(cè)干旱區(qū)域，找到旱情產(chǎn)生原因具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1.研究區(qū)域

1.1 監(jiān)測(cè)區(qū)域概況

青海省地貌特征較為復(fù)雜，水資源儲(chǔ)備豐富，擁有縱橫交錯(cuò)的河流水系，同時(shí)，作為水資源儲(chǔ)備的另一種形式，省內(nèi)各種湖泊和雪山的出水量也很豐富。長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江等三條著名江河均發(fā)源于青海省南部的高原地區(qū)，這里有青海湖、可可西里盆地等奇特地貌，因此被稱為“三江源”。處在青藏高原腹地的青海省，平均海拔4500米以上，所以又被譽(yù)為“中華水塔”。青海省水資源分布圖（如圖1所示）：

圖1 青海省水資源分布圖

青海省地域遼闊，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相對(duì)滯后，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境問題突出，雖然水系豐富，但在部分水系分布不發(fā)達(dá)地區(qū)，尤其是受春季降水量少等因素影響，省內(nèi)部分地區(qū)降水異常偏少，氣溫異常偏高，無降水日數(shù)較多，農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

1.2 自然條件

以全國(guó)最大的咸水湖青海湖作為分界線，青海省南部是典型的青藏高原氣候特征，青海省東部是典型的溫帶季風(fēng)氣候特點(diǎn)，青海省西部為干旱氣候，這三種典型的氣候在青海省匯聚，在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)屬罕見。以日月山為界，將青海省分割為外流和內(nèi)流兩個(gè)區(qū)域，同時(shí)日月山也將青海省分割為季風(fēng)和非季風(fēng)兩個(gè)區(qū)域，該區(qū)域量測(cè)氣候特征區(qū)別明顯。青海省東部的河湟地區(qū)降水較為正常，一般春季偏少，西部的柴達(dá)木盆地降水量常年稀少，雖然湖泊很多，但大都是鹽湖，周邊生態(tài)環(huán)境脆弱，也是造成青海省部分地區(qū)干旱的主要自然原因。

1.3 研究數(shù)據(jù)

本次研究收集到了青海省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)，包括省內(nèi)80%面積的0.5米分辨率影像，20%面積的2米分辨率影像；地表覆蓋要素12個(gè)一級(jí)類，58個(gè)二級(jí)類，93個(gè)三級(jí)類的地理國(guó)情普查成果；遙感解譯樣本44000余個(gè)，基本覆蓋省內(nèi)全部地物類型；省內(nèi)10米分辨率數(shù)字高程模型；2015年度30米分辨率Landsat衛(wèi)星影像；水資源量數(shù)據(jù)；年／月降水量、年／月平均氣溫等氣象數(shù)據(jù)；土壤侵蝕分布數(shù)據(jù)。

2.研究方法

2.1 氣象干旱指數(shù)

氣象干旱指數(shù)本文采用SPI指數(shù)，可以用來作為多個(gè)時(shí)間維度的降水分析，在一定程度上反映干旱造成的影響范圍和時(shí)間區(qū)間，在同一干旱指數(shù)參考下，反映不同時(shí)間和范圍的干旱成因，以及干旱區(qū)域和時(shí)間的制約關(guān)系。SPI適合于不同類型的干旱定量化研究，常被用作遙感干旱指數(shù)性能評(píng)估。

假設(shè)某一時(shí)段的降水量為x，則其某一時(shí)間尺度的降水量序列分布的概率密度函數(shù)如式（1）所示：

式（1）中β為尺度參數(shù)，γ為形狀參數(shù)，兩者都大于0；x為降水量。β和γ可用極大似然估計(jì)方法求得，如式（2）和式（3）所示：

式（4）中xi為降水量資料樣本；x為降水量氣候平均值；n為計(jì)算序列的長(zhǎng)度。確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對(duì)于某一年的降水量x0，可以求出隨機(jī)變量x小于x0事件的概率如式（5）所示：

由于式（5）中不包括x=0的情況，而實(shí)際降水量可以為零，降水量為零時(shí)的時(shí)間概率為F（x）=m/n。其中，m為降水量為零的樣本數(shù)；n為降水量氣候平均值。

對(duì)分布概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到式（6）：

2.2 遙感干旱指數(shù)

經(jīng)過分析，本論文采用TCI、VCI、PCI、SMCI對(duì)青海省涉及黃土高原地區(qū)旱情進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各干旱指數(shù)計(jì)算公式如式（8）至式（11）所示：

所有的遙感變量均被統(tǒng)一為一千米的分辨率，干旱指數(shù)值也被控制在0到1的范圍內(nèi)，取值0表示最干旱狀態(tài)，取值1表示最濕潤(rùn)狀態(tài)，具體的旱情等級(jí)（如表1所示）：

表1 干旱指數(shù)旱情等級(jí)

另外，采用干旱脅迫指數(shù)DSI（Drought Severity Index），該指數(shù)綜合了植被指數(shù)和蒸散發(fā)（NDVI和ET/PET）兩個(gè)因素來診斷干旱狀況，作為主要遙感干旱指標(biāo)，如式（12）所示：

式（12）中各參數(shù)如式（13）至式（15）所示：

2.3 植被覆蓋指數(shù)

一般植被覆蓋指數(shù)采用最優(yōu)土壤調(diào)整植被指數(shù)（OSAVI），OSAVI的提出一般建立在土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)的層面，該指數(shù)一般指出植被長(zhǎng)勢(shì)情況，并且可以去掉土壤對(duì)植被的干擾，突出植被量化，讓植被覆蓋度更真實(shí)，更加具有可參考性，OSVAI計(jì)算方法如式（16）所示：

式（16）中Rnir為近紅外波段；Rred為紅外波段。

2.4 水網(wǎng)密度指數(shù)

水網(wǎng)密度指數(shù)計(jì)算公式如式（17）所示：

式（17）中，Ariv為河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù)，參考值為84．3704，Alak為湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù)，參考值為591．7909，Ares為水資源量的歸一化系數(shù)，參考值為86．3869。

3.干旱指數(shù)評(píng)估

為評(píng)估各干旱指數(shù)在青海省旱情監(jiān)測(cè)性能，利用空間數(shù)據(jù)軟件篩選出238個(gè)落在耕地圖斑的隨機(jī)點(diǎn)，按照點(diǎn)位提取遙感干旱指數(shù)和氣象干旱指數(shù)按月份的相關(guān)性，對(duì)比分析（如表2所示）：

表2 遙感干旱指數(shù)和氣象干旱指數(shù)相關(guān)性

通過對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在耕地范圍內(nèi)，PCI與各時(shí)間尺度的SPI表現(xiàn)出了最高的相關(guān)性，隨著時(shí)間尺度的增加，相關(guān)程度逐漸降低。此外，DSI也表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。

在空間數(shù)據(jù)方面，選取SPI各月與VCI、TCI、PCI、SMCI、DSI進(jìn)行空間分布相關(guān)性分析，可以看出PCI與1月尺度的SPI具有最好的相關(guān)性，整個(gè)青海省耕地內(nèi)都表現(xiàn)出正相關(guān)性，最高值出現(xiàn)在平原一帶，最低值出現(xiàn)在盆地一帶，此外，PCI在3月和6月尺度上也比其他遙感干旱指數(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，雖總體相關(guān)程度有所降低，但均未出現(xiàn)負(fù)值。VCI大部分地區(qū)保持了正相關(guān)性，高值出現(xiàn)在海拔較高地帶。TCI與1月尺度的SPI表現(xiàn)出最好的相關(guān)性，負(fù)值多出現(xiàn)在平原、河谷一帶。SMCI與1月的SPI相關(guān)性最好，大部分地區(qū)有較高的相關(guān)性，但在3月和6月的SPI比較中，大規(guī)模出現(xiàn)負(fù)值區(qū)域。DSI在空間上與SPI相關(guān)性一般，負(fù)值出現(xiàn)在省界附近。

4.旱情分析

以青海省2014年影像計(jì)算得出的植被指數(shù)作為參考，生成青海省2014年植被分布圖（如圖2所示）：

圖2 青海省2014年植被分布圖

水網(wǎng)密度中河渠長(zhǎng)度、湖庫(kù)（河流）面積、區(qū)域面積來自第一次地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)。水資源量來自于水利部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)只統(tǒng)計(jì)到州，按照地理國(guó)情數(shù)據(jù)中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水域面積占全州水域面積的比例細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級(jí)（如圖3所示）：

圖3 青海省水網(wǎng)密度

青海省南部生態(tài)環(huán)境狀況較好，中部生態(tài)環(huán)境狀況一般，西北生態(tài)環(huán)境狀況差一些，東部生態(tài)環(huán)境狀況較好，西部生態(tài)環(huán)境狀況一般。青海省2014年生態(tài)環(huán)境狀況（如圖4所示）：

圖4 2014年青海省生態(tài)環(huán)境狀況

青海省2014年全省生態(tài)狀況統(tǒng)計(jì)（如表3所示）：

表3 青海省2014年生態(tài)狀況統(tǒng)計(jì)

將2013至2015年每年的四至十月耕地范圍內(nèi)VCI、TCI、SMCI、DSI的平均值與青海省每年糧食單產(chǎn)、冬小麥單產(chǎn)、旱災(zāi)成災(zāi)面積和作物絕收面積的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析（如表4所示）：

表4 青海省2013至2015年旱情統(tǒng)計(jì)資料與遙感干旱指數(shù)的相關(guān)關(guān)系

經(jīng)過分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DSI表現(xiàn)出比SMCI、VCI和TCI更好地表征青海省農(nóng)業(yè)干旱情況的能力。遙感干旱指數(shù)在與青海省三年干旱成災(zāi)面積數(shù)據(jù)的比較中，DSI在0．01的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)值最高，SMCI和TCI在0．05的水平上顯著相關(guān)，相關(guān)程度相對(duì)也比較高，VCI沒有通過顯著性檢驗(yàn)。研究分析發(fā)現(xiàn)，DSI是比VCI、TCI、SMCI更為可靠的能夠監(jiān)測(cè)青海省耕地旱情狀況的遙感干旱指數(shù)。利用DSI相關(guān)性得出，青海省2014年發(fā)生過旱災(zāi)，這與該省植被分布、水網(wǎng)分布及氣象與地理信息記錄一致，說明DSI具有更準(zhǔn)確判斷旱情的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)水文、氣象資料記載，青海省2015年4月20日凌晨至14時(shí)，青海省主要農(nóng)業(yè)區(qū)降下了今春以來的第一場(chǎng)有效降水。西寧市郊區(qū)、湟中縣、湟源縣以及海東地區(qū)有效降水達(dá)到5至10毫米，海南藏族自治州的共和縣、貴德縣等地有效降水達(dá)到10至12．5毫米。這次有效降水過程，使青海全省淺山地區(qū)的旱情基本得到解除，非常有利于尚未播種作物的種植和已播種作物的出苗。青海省川水地區(qū)的播種已結(jié)束，淺山地區(qū)的小麥、蠶豆、甘藍(lán)型油菜播種基本結(jié)束，馬鈴薯、青稞、小油菜正在加緊播種。截至2015年4月20日，青海省已播種各類農(nóng)作物590萬畝。這與利用干旱指數(shù)分析結(jié)果基本吻合。

5.結(jié)束語

通過對(duì)青海省高分辨率影像進(jìn)行解譯分析，計(jì)算遙感干旱指數(shù)VCI、TCI、PCI、SMCI、DSI與氣象干旱指數(shù)SPI進(jìn)行比較，PCI在月時(shí)間尺度和大的空間范圍內(nèi)均比其他遙感干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱的優(yōu)勢(shì)更明顯，SMCI最差，其余次之。本文利用遙感指數(shù)做了青海省耕地范圍內(nèi)的旱情研究，而干旱與地形等其他一些因素也有一定的關(guān)系，遙感指數(shù)在一定程度上可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。通過研究表明，結(jié)合遙感干旱指數(shù)，研究地區(qū)旱情具有一定的科學(xué)性、先進(jìn)性和可借鑒性，并且具有一定的實(shí)用價(jià)值，這種旱情監(jiān)測(cè)方法可以在多省區(qū)推廣應(yīng)用，便于政府決策支持，為科研部門提供較為可靠的研究數(shù)據(jù)。