黑龍江省旱情遙感監測系統應用現狀分析

朱麗娟，楊奇鶴，黃 彥，鄭文生

(1.林甸縣排灌服務中心，黑龍江 林甸 166300；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江省寒區農業節水工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 黑龍江省旱情及監測狀況

長期以來，我國始終把糧食安全問題擺在“三農”工作的重要位置，致力于糧食綜合生產能力提升[1]。黑龍江省土地資源豐富，2019年，全省糧食作物播種面積1433.00萬hm2，其中，旱田糧食作物面積占73.5%。全省糧食總產量占全國糧食總產量11.3%，而區域耕地水資源的畝均占有量不足全國平均水平的1/3，全省農業用水量占總用水量的85%以上。干旱和水資源不足，已經成為制約黑龍江農業經濟發展和我國糧食安全的主要障礙。

黑龍江省作為我國耕地面積、糧食總產量“雙第一”的農業大省，是確保我國糧食安全的重要基地。全省實際灌溉面積617.73萬hm2，其中旱田灌溉面積為236.47萬hm2，占比38.3%，而旱田糧食作物產量占全省總產的64.5%，對糧食安全的保障作用極其重大。通過旱情遙感監測系統的研發，建立監測運行平臺，及時預測預報旱情信息，可以為抗旱減災提供決策依據，降低干旱影響，減少干旱損失。

我國農業旱情預測主要依靠地面站點數據，通過墑情站或氣象站獲取土壤濕度和降雨量等信息來劃分旱情等級[2]。地面站點監測雖然真實性較高，但對于區域空間尺度的監測精度受控于地面站分布密度，很難反映大面積發生的農業干旱狀況，且監測成本較高[3]。近年來，遙感技術以其客觀、及時、經濟、覆蓋范圍廣、數據連續等優點，彌補了地面站點的不足，已被證明是農業干旱監測中最具前景的技術手段[4]。

黑龍江省耕地主要分在松嫩、三江兩大平原，作物集中連片，地勢平坦開闊。針對農業耕作區特點及自然環境特征，采取遙感監測與地面墑情站點相結合的形式，開發建立旱情遙感監測系統，解決生育期全時段區域性大面積連片種植區的旱情遙感監測關鍵技術問題，以達到實時監測、及時預警，有效抗旱的目的，應對區域干旱頻發、水資源緊缺的實際狀況，為解決全省范圍內抗旱減災問題提供技術支持。

本研究結合2020年旱田墑情站點數據和遙感監測分析結果，針對黑龍江省旱情監測系統現階段應用成果和存在的問題作出簡要分析。

2 旱情監測系統建立與應用

2.1 旱情監測系統

黑龍江省旱情監測系統包括旱情遙感監測系統和土壤墑情監測系統兩部分內容。

遙感監測采用熱紅外遙感監測方法，綜合植被和溫度信息，以溫度植被多項式監測模型(TVPM)為基礎，根據黑龍江省兩大平原不同的旱情特點和環境條件，按分區、季節進行模型參數率定與驗證。模型率定數據采取黑龍江省歷史墑情數據和遙感數據，實測與反演的土壤含水量相等比例為89.4%，具體結果如圖1所示。數據表明，旱情監測系統的旱情監測精度較高，能夠滿足抗旱管理的使用要求。

圖1 TVPM模型計算結果

地面墑情監測站點覆蓋全省，共布設72處，布設范圍涉及全部地級行政區和主要產糧縣，同時在9個農墾管理局各布設一點監測站點。地面墑情站點監測10 cm、20 cm、40 cm深度的土壤含水率。

在以上兩部分正常運行基礎上，根據每旬地面墑情站點測得土壤墑情數據結合遙感監測結果，通過模型計算得到全省旱田墑情分布狀況、旱情分析結果，形成監測簡報，為全省抗旱工作提供技術支持。

2.2 地面站點應用情況分析

如圖2為6月18日黑龍江省地面墑情站點監測值與取土測量值對比圖，數值為根據之前標定的田間持水率轉化后的土壤相對含水率。結果表明設備監測值與取土實測值相關系數為0.87，P值在2.5%水平上顯著相關，可以認為地面墑情站點監測值有很好的準確性。因此，依據地面墑情站自動傳輸的監測結果分析，可以提早發現旱情，及時預警。存在的不足是系統誤差會造成監測旱情發生范圍與程度與實際受旱情況的偏差等問題。具體問題有待進一步研究。

圖2 土壤相對含水率監測值與取土值對比

隨機選取雙鴨山市四方臺區站點和農墾綏化管局站點，2020年4月1日—8月31日的地面站點平均相對含水率變化，以相對含水率60%作為旱情標準，如圖3所示。

圖3 綏化站和雙鴨山站生育期含水率變化圖

依據黑龍江省生態與農業氣象中心制定的旱情標準，生育期內土壤相對含水率60%～70%為輕旱，50%～60%為中旱，40%～50%為重旱，小于40%為特旱，土壤相對含水率70%為適宜含水率。由圖可知，雙鴨山市四方臺區旱情主要集中在4月和7月上中旬。其中4月旱情持續時間較長，但程度較低，為輕旱；7月上旬旱情強度較大，達到中旱、重旱程度。綏化管局站3月下旬和7月下旬出現旱情，旱情強度較低均為輕旱且持續時間較短。結合地方實際上報旱情情況，證明地面墑情站點旱情監測在長時間段內有較好的穩定性和準確率。

2.3 遙感系統應用情況分析

黑龍江省旱情監測系統自2016年陸續投入使用，已于2019年完成總體驗收。現將2020年3月18日—7月18日，總計13期旬度墑情簡報數據分析如下。

圖4反映黑龍江省各地市年內累積受旱面積。受旱情況最嚴重的三個地級市分別為黑河市、齊齊哈爾市和綏化市，其中黑河市年內累積受旱面積48.41萬hm2，齊齊哈爾市為24.50萬hm2，綏化市22.92萬hm2。上述三個地級市為省內主要旱作農業生產區，且均分布在省內中西部，年均降雨較少，實測結果與往年旱災反饋情況基本相符。2020年全省監測的最大干旱面積發生在4月中旬，4月中旬全省總受旱面積為51.58萬hm2，黑龍江省作物受旱比例為4.89%。

圖4 黑龍江省各地市2020年累積受旱面積

2020年黑龍江省旱情監測運行中總受旱面積較大的地市為黑河市、齊齊哈爾市和綏化市，生育期內三地市受旱面積變化如圖5。黑河市年度極值受旱面積為17.41萬hm2，旱作物受旱比例約為種植面積的9.04%，主要受旱時間集中在4月和6月中上旬，主要受旱程度為輕旱；齊齊哈爾市主要受旱時期集中在4—5月，受旱面積累積達19.55萬hm2，平均每旬受旱比例約為3.91%，部分時間段內存在中旱、重旱程度的旱情；綏化市主要受旱時期集中在4月、6月和7月，年度極值受旱面積4.79萬hm2，干旱程度以輕旱為主，受旱比例約為3.54%。

圖5 生育期內西部三地市受旱面積變化

綜合分析黑河市、齊齊哈爾市和綏化市全年受旱情況。黑河市旱情特點為分布面積大，干旱程度低，抗旱應以區域綜合防范為主，主要考慮空間分布廣的特點，采取蓄水保墑耕作措施。齊齊哈爾市旱情特點為受旱區域集中，干旱程度較高，抗旱應以面對短時間強烈度旱情為主，增強極端情況處理能力，增加高效節水灌溉工程覆蓋度，并結合蓄水保墑耕作措施。綏化市旱情特點為持續時間長，干旱程度低，抗旱應以持續防范為主，主要考慮時間分布廣的特點，適時采取保墑蓄墑耕作與水土保持措施，提高天然降水利用率。

實踐證明，黑龍江省地面墑情監測體系和遙感旱情監測系統運行有較好的實時性和準確性，適合黑龍江省旱田大范圍、長時間的旱情變化監測。

3 結 論

黑龍江省旱情監測系統自2016年陸續投入使用以來，能夠及時準確地反映出全省受旱區域和受旱程度，給全省旱情監測和預報分析工作提供了很好技術支持。地面監測站點和空間遙感模型的準確率都達到了預期水平。監測顯示，2020年全省最大受旱面積出現在4月中旬，4月中旬全省總受旱面積為51.58萬hm2，受旱比例為4.89%。黑河市、齊齊哈爾市和綏化市全年遭受旱情最為嚴重；黑河市受旱面積大，受旱時間集中在4月和6月中上旬，主要受旱程度為輕旱；齊齊哈爾市干旱程度高，主要受旱時期集中在4—5月，部分時間段內存在中旱、重旱程度的旱情；綏化市干旱持續時間長，主要受旱時期集中在4月、6月和7月，干旱程度以輕旱為主。