基于多源遙感數據的青海省農業旱情監測研究

張偉東 魏寶安 劉 義 李 寧

（1.黑龍江省農墾科學院，黑龍江 哈爾濱 150038；2.自然資源部第四地形測量隊，黑龍江 哈爾濱 150050）

0.引言

干旱是指某一特定區域降水總量不足，土壤保水率低，水分蒸發率高，不能夠滿足人畜用水、農林灌溉和地區經濟發展的自然現象。在世界范圍內，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，屬于嚴重干旱；在蘇丹瓦迪哈勒法，年平均降水量僅為2．45毫米，屬于極度缺水。近年來，我國多省旱情頻發，2000年干旱面積達4045萬公頃，受災面積4．04億畝，是建國以來干旱最為嚴重的一年。2004年，我國南方遭受53年來罕見的干旱，經濟損失四十多億元人民幣，720多萬人出現了飲水困難。當旱情發生時，會對農牧業、林草資源、生態環境等領域造成一定影響，進而危害糧食安全和社會穩定，農業旱情作為干旱研究的主要監測領域，目前還沒有完善的監測體系，沒有形成完整的監測技術路線。因此，對農業旱情監測研究成了保障糧食安全、維護社會穩定的重要研究方向。以青海省為例，利用遙感技術對監測區域進行綜合旱情分析，有助于了解監測區域地表農業旱情分布情況，對于監測干旱區域，找到旱情產生原因具有一定的現實意義。

1.研究區域

1.1 監測區域概況

青海省地貌特征較為復雜，水資源儲備豐富，擁有縱橫交錯的河流水系，同時，作為水資源儲備的另一種形式，省內各種湖泊和雪山的出水量也很豐富。長江、黃河、瀾滄江等三條著名江河均發源于青海省南部的高原地區，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，經濟社會發展相對滯后，生態環境脆弱，環境問題突出，雖然水系豐富，但在部分水系分布不發達地區，尤其是受春季降水量少等因素影響，省內部分地區降水異常偏少，氣溫異常偏高，無降水日數較多，農業干旱現象較為嚴重。

1.2 自然條件

以全國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氣候特點，青海省西部為干旱氣候，這三種典型的氣候在青海省匯聚，在全國范圍內實屬罕見。以日月山為界，將青海省分割為外流和內流兩個區域，同時日月山也將青海省分割為季風和非季風兩個區域，該區域量測氣候特征區別明顯。青海省東部的河湟地區降水較為正常，一般春季偏少，西部的柴達木盆地降水量常年稀少，雖然湖泊很多，但大都是鹽湖，周邊生態環境脆弱，也是造成青海省部分地區干旱的主要自然原因。

1.3 研究數據

本次研究收集到了青海省地理國情監測成果數據，包括省內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個一級類，58個二級類，93個三級類的地理國情普查成果；遙感解譯樣本44000余個，基本覆蓋省內全部地物類型；省內10米分辨率數字高程模型；2015年度30米分辨率Landsat衛星影像；水資源量數據；年／月降水量、年／月平均氣溫等氣象數據；土壤侵蝕分布數據。

2.研究方法

2.1 氣象干旱指數

氣象干旱指數本文采用SPI指數，可以用來作為多個時間維度的降水分析，在一定程度上反映干旱造成的影響范圍和時間區間，在同一干旱指數參考下，反映不同時間和范圍的干旱成因，以及干旱區域和時間的制約關系。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性能評估。

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

式（1）中β為尺度參數，γ為形狀參數，兩者都大于0；x為降水量。β和γ可用極大似然估計方法求得，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為計算序列的長度。確定概率密度函數中的參數后，對于某一年的降水量x0，可以求出隨機變量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，而實際降水量可以為零，降水量為零時的時間概率為F（x）=m/n。其中，m為降水量為零的樣本數；n為降水量氣候平均值。

對分布概率進行正態標準化處理，得到式（6）：

2.2 遙感干旱指數

經過分析，本論文采用TCI、VCI、PCI、SMCI對青海省涉及黃土高原地區旱情進行監測。各干旱指數計算公式如式（8）至式（11）所示：

所有的遙感變量均被統一為一千米的分辨率，干旱指數值也被控制在0到1的范圍內，取值0表示最干旱狀態，取值1表示最濕潤狀態，具體的旱情等級（如表1所示）：

表1 干旱指數旱情等級

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

式（12）中各參數如式（13）至式（15）所示：

2.3 植被覆蓋指數

一般植被覆蓋指數采用最優土壤調整植被指數（OSAVI），OSAVI的提出一般建立在土壤調節植被指數的層面，該指數一般指出植被長勢情況，并且可以去掉土壤對植被的干擾，突出植被量化，讓植被覆蓋度更真實，更加具有可參考性，OSVAI計算方法如式（16）所示：

式（16）中Rnir為近紅外波段；Rred為紅外波段。

2.4 水網密度指數

水網密度指數計算公式如式（17）所示：

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

3.干旱指數評估

為評估各干旱指數在青海省旱情監測性能，利用空間數據軟件篩選出238個落在耕地圖斑的隨機點，按照點位提取遙感干旱指數和氣象干旱指數按月份的相關性，對比分析（如表2所示）：

表2 遙感干旱指數和氣象干旱指數相關性

通過對比，結果發現在耕地范圍內，PCI與各時間尺度的SPI表現出了最高的相關性，隨著時間尺度的增加，相關程度逐漸降低。此外，DSI也表現出了較好的相關性。

在空間數據方面，選取SPI各月與VCI、TCI、PCI、SMCI、DSI進行空間分布相關性分析，可以看出PCI與1月尺度的SPI具有最好的相關性，整個青海省耕地內都表現出正相關性，最高值出現在平原一帶，最低值出現在盆地一帶，此外，PCI在3月和6月尺度上也比其他遙感干旱指數優勢明顯，雖總體相關程度有所降低，但均未出現負值。VCI大部分地區保持了正相關性，高值出現在海拔較高地帶。TCI與1月尺度的SPI表現出最好的相關性，負值多出現在平原、河谷一帶。SMCI與1月的SPI相關性最好，大部分地區有較高的相關性，但在3月和6月的SPI比較中，大規模出現負值區域。DSI在空間上與SPI相關性一般，負值出現在省界附近。

4.旱情分析

以青海省2014年影像計算得出的植被指數作為參考，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

水網密度中河渠長度、湖庫（河流）面積、區域面積來自第一次地理國情普查數據。水資源量來自于水利部門的統計數據，此數據只統計到州，按照地理國情數據中各鄉鎮水域面積占全州水域面積的比例細化到鄉鎮一級（如圖3所示）：

圖3 青海省水網密度

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

圖4 2014年青海省生態環境狀況

青海省2014年全省生態狀況統計（如表3所示）：

表3 青海省2014年生態狀況統計

將2013至2015年每年的四至十月耕地范圍內VCI、TCI、SMCI、DSI的平均值與青海省每年糧食單產、冬小麥單產、旱災成災面積和作物絕收面積的統計數據做相關性分析（如表4所示）：

表4 青海省2013至2015年旱情統計資料與遙感干旱指數的相關關系

經過分析，結果發現，DSI表現出比SMCI、VCI和TCI更好地表征青海省農業干旱情況的能力。遙感干旱指數在與青海省三年干旱成災面積數據的比較中，DSI在0．01的水平上顯著相關，相關系數值最高，SMCI和TCI在0．05的水平上顯著相關，相關程度相對也比較高，VCI沒有通過顯著性檢驗。研究分析發現，DSI是比VCI、TCI、SMCI更為可靠的能夠監測青海省耕地旱情狀況的遙感干旱指數。利用DSI相關性得出，青海省2014年發生過旱災，這與該省植被分布、水網分布及氣象與地理信息記錄一致，說明DSI具有更準確判斷旱情的優勢。

據水文、氣象資料記載，青海省2015年4月20日凌晨至14時，青海省主要農業區降下了今春以來的第一場有效降水。西寧市郊區、湟中縣、湟源縣以及海東地區有效降水達到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到10至12．5毫米。這次有效降水過程，使青海全省淺山地區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。青海省川水地區的播種已結束，淺山地區的小麥、蠶豆、甘藍型油菜播種基本結束，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作物590萬畝。這與利用干旱指數分析結果基本吻合。

5.結束語

通過對青海省高分辨率影像進行解譯分析，計算遙感干旱指數VCI、TCI、PCI、SMCI、DSI與氣象干旱指數SPI進行比較，PCI在月時間尺度和大的空間范圍內均比其他遙感干旱指數監測干旱的優勢更明顯，SMCI最差，其余次之。本文利用遙感指數做了青海省耕地范圍內的旱情研究，而干旱與地形等其他一些因素也有一定的關系，遙感指數在一定程度上可以對農業生產進行指導。通過研究表明，結合遙感干旱指數，研究地區旱情具有一定的科學性、先進性和可借鑒性，并且具有一定的實用價值，這種旱情監測方法可以在多省區推廣應用，便于政府決策支持，為科研部門提供較為可靠的研究數據。