趙承華，阿拉騰圖婭

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010010)

基于MODIS數(shù)據(jù)的多種干旱監(jiān)測方法在錫林郭勒草地上的對比分析*

趙承華，阿拉騰圖婭

(內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010010)

干旱作為最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，其發(fā)生次數(shù)多，持續(xù)時間長，涉及范圍大，造成的損失嚴(yán)重，直接影響著人類社會經(jīng)濟活動的方方面面。本文利用2010年4，5，6，7，8，9月MODIS－NDVI產(chǎn)品MOD13A3和溫度產(chǎn)品MOD11A2，分別構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)，溫度狀態(tài)指數(shù)以及距平植被指數(shù)模型，對錫林郭勒地區(qū)干旱情況進行反演，并將反演結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)進行敏感性分析和土壤相對濕度進行相關(guān)性分析，研究表明:(1)在敏感性方面，各遙感指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)性未能達到顯著性效果，因此，用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)來反映遙感指數(shù)的對干旱的敏感性不夠理想。(2)在相關(guān)性方面，距平植被指數(shù)與土壤相對濕度具有較好的相關(guān)性，能夠反映空間數(shù)據(jù)特征，作為干旱監(jiān)測指標(biāo)具有科學(xué)合理性。(3)從空間分布上看，錫林郭勒地區(qū)西南部濕度較高，東北部濕度較高，中部屬于過渡地區(qū)，該地區(qū)大部分面積呈現(xiàn)干旱現(xiàn)象。

MODIS;干旱指數(shù);距平植被指數(shù);溫度狀態(tài)指數(shù);溫度植被干旱指數(shù)

1 引言

干旱廣泛發(fā)生在世界的各個角落，是危害最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，它的發(fā)生次數(shù)多，持續(xù)有較長時間而且涉及的區(qū)域面積較大，造成的損失也很嚴(yán)重，不僅對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，還直接影響著人類社會經(jīng)濟活動的方方面面［1－2］。隨著人口數(shù)量和社會經(jīng)濟的增加，人類改造自然的能力不斷的加強和深入，但是人們對自然界的依賴和索取也伴隨而來，面對日漸減少的自然資源(尤其是水資源的不斷枯竭)和不斷增加的干旱現(xiàn)象，人類社會顯現(xiàn)的那么無力和脆弱。干旱在不同程度上影響著社會經(jīng)濟的發(fā)展和社會政治的穩(wěn)定。干旱的發(fā)生，其主要的原因是缺乏有效降水。在一段時間內(nèi)，當(dāng)降水量不能滿足人們正?；顒拥男枰獣r，干旱就開始發(fā)生了［3－6］。因此，了解干旱的關(guān)鍵在于清楚其社會自然屬性，這就需要不斷的加強對干旱的監(jiān)測，了解和掌握其發(fā)生的機理和規(guī)律。傳統(tǒng)監(jiān)測干旱的方法很多，如稱重烘干法、中子儀法等，均是基于我國氣象部門建立的站點進行觀測的，其優(yōu)點表現(xiàn)在觀測精度高，取樣靈活，但是由于在觀測過程中樣點數(shù)目有限，空間不連續(xù)，人力，物力投入較大，這在一定程度上不能很好的反應(yīng)干旱的實際情況［7］。遙感技術(shù)的出現(xiàn)彌補了這一不足，遙感具有多分辨率、多時相、大尺度觀測等特點，為大范圍監(jiān)測干旱提供了重要手段。國內(nèi)外專家學(xué)者利用NOAA，MODIS等遙感數(shù)據(jù)，對區(qū)域尺度的干旱情況做了很多研究，提出許多切實可行的監(jiān)測方法，如:熱慣量法、微波法、距平指數(shù)法、Ts－NDVI特征空間法等［8－9］。在實際應(yīng)用中在表現(xiàn)出來良好的效果。

錫林郭勒是我國北方一個重要的生態(tài)屏障，植被以草本為主，多為典型草原物種，旱災(zāi)在錫林郭勒草原上發(fā)生有著較高的發(fā)生頻率，影響面積較廣，持續(xù)的時間長，對草原危害最為嚴(yán)重，直接影響著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧業(yè)的好壞和生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣［10－12］。尤其錫林郭勒草原有降水偏少和土壤蒸發(fā)量較大的特點，這直接導(dǎo)致錫林郭勒地區(qū)春夏季干旱的頻發(fā)，對草場返青，生長有嚴(yán)重影響，進而使得牧草產(chǎn)量、質(zhì)量有著明顯下降，處理好這些資源環(huán)境問題，不僅關(guān)系到該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的好與壞以及社會經(jīng)濟的發(fā)展，還對維護華北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量能夠起到和重要的作用。因此，研究干旱的發(fā)生規(guī)律，監(jiān)測錫林郭勒地區(qū)的旱災(zāi)發(fā)生強度和預(yù)測其發(fā)展趨勢，對制定和增強防寒抗旱對策，有效保護草原生態(tài)環(huán)境和發(fā)展農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有深遠意義。

2 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒位于東經(jīng)115°13＇－117°06＇、北緯43° 02＇－44°52＇。面積約為20.3萬平方公里。北到蒙古國，南連河北省承德、張家口，西鄰烏蘭察布市，東與赤峰市、興安盟以及通遼市接壤。地勢南高北低，海拔在800－1800m之間，其主要氣候特點是風(fēng)大、干旱、寒冷，年平均氣溫為0℃～3℃，平均降水量295毫米。

圖1:研究區(qū)位置圖

2.2 數(shù)據(jù)的獲取與處理

本文采用的遙感數(shù)據(jù)來自MODIS網(wǎng)站，分別是TERRA/MODSI植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13A3和溫度產(chǎn)品MOD11A2。其空間分辨率為1Km，成像時間為2010年7月。通過遙感處理軟件ENVI 4.2和IDL語言環(huán)境，完成了數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換，鑲嵌，波段計算以及最終的各遙感指數(shù)的計算等有關(guān)處理。

2.3 研究方法

2.3.1 溫度狀態(tài)指數(shù)

Kogan等人在建立溫度狀態(tài)指數(shù)的基礎(chǔ)是基于地表溫度的，它是依據(jù)植被冠層以及土壤表面的溫度隨著水分脅迫的不斷增加而升高的原理來表示土壤濕度狀況的，這很好的反映了植被對溫度兩種相反的響應(yīng)，溫度狀態(tài)指數(shù)的公式被定義為:

式中T、Tmax、Tmin分別表示了在某時段內(nèi)的某地像素的溫度的當(dāng)前觀測值以及該地區(qū)多年的最大溫度值和最小溫度值。TCI的取值在0－1之間，在觀測地區(qū)的植被的覆蓋類型保持不變，以及周圍的環(huán)境條件變化不大時，值越小表明植被的狀況相對于多年的平均狀況來說越差，土壤的水分含量也就越低，出現(xiàn)干旱的可能性也就越高。TCI主要用于的評估干旱對水分的脅迫作用，以及天氣條件對于植物的影響。

2.3.2 距平植被指數(shù)

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和現(xiàn)實發(fā)展的需要，在實際的工作和研究過程中，多種植被指數(shù)被創(chuàng)立和應(yīng)用，其中歸一化植被指數(shù)(NDVI)被廣泛應(yīng)用。NDVI在一定的程度上可以減少太陽高度角，大氣狀態(tài)等帶來的誤差。通過遙感數(shù)據(jù)計算得到的NDVI可以很好的反應(yīng)植物的生長狀況和植被覆蓋程度。土壤水分是影像植被長勢的關(guān)鍵因素，因此，NDVI可以間接的反應(yīng)土壤水分含量，繼而來反應(yīng)干旱情況。雖然，通過NDVI來反應(yīng)土壤濕度在時間上來說有一定的滯后性，但是在利用遙感數(shù)據(jù)計算多年的NDVI的基礎(chǔ)上，可以得到研究區(qū)各個時間段的NDVI的平均值，可大體上反應(yīng)土壤水分的平均狀況。遙感數(shù)據(jù)的時間越長，得到的NDVI，其代表性就越強。當(dāng)時值與平均值的離差或者相對離差反應(yīng)偏濕或者偏旱的程度，以此來確定土壤的水分狀況。據(jù)此原理距平植被指數(shù)法應(yīng)運而生，距平植被指數(shù)被定義為:

式中，NDVIi為特定某月或者旬的歸一化植被指數(shù)值，NDVIavg為多年的歸一化植被指數(shù)平均值。一般－0.1＜AVI＜－0.2，表示干旱的出現(xiàn)，－0.3＜AVI＜－0.6表示重旱。

在使用距平植被指數(shù)法處理實際問題時要注意平均植被指數(shù)的計算，各地旱情等級既要注意資料在長時間序列中是否處于氣候的枯水期、正常期和豐水期，更加不能忽視近些年來研究區(qū)種植過程中的結(jié)構(gòu)調(diào)整、面積比例的變化對該年混合象元植被指數(shù)的影響，監(jiān)測時間處在冬季時，植被與土壤含水狀況在時間上有會表現(xiàn)出一定的滯后，因此使用距平植被指數(shù)存有明顯的局限性。

2.3.3 溫度植被干旱指數(shù)

溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)是利用水分蒸發(fā)和植被蒸騰對地表的降低作用，通過Ts－NDVI特征空間來反映土壤的濕度狀況，具有較為明確的生物物理意義。Price和Carlson等研究表明，利用遙感數(shù)據(jù)得到的Ts－NDVI特征空間隨著研究區(qū)的植被覆蓋和土壤水分變化呈現(xiàn)三角形，Moran等發(fā)現(xiàn)其呈梯形。這些研究均表明:在相對一致的下墊面下，通過Ts－NDVI特征空間可獲得不同土壤濕度的空間分布特征。Ts－NDVI特征空間示意圖如下(圖2)。

通過Ts－NDVI特征空間示意圖(圖2)可較為直觀的反映Ts與NDVI之間的關(guān)系。其中，A、B、C三點均為特征空間的極端值，表現(xiàn)出不同的土壤濕度狀況。A點表示為Ts高，NDVI小的干燥裸土;B點表示為Ts低，NDVI小的濕潤裸土;C點表示為Ts低，NDVI大的完全植被覆蓋的濕潤地表。此時，A點處地表蒸發(fā)最小;B點處地表蒸發(fā)最大;C點處蒸騰作用最強。AC邊被定義為“干邊”，對應(yīng)全部植被指數(shù)的最高溫度，表現(xiàn)出較低的土壤水分有效性; BC邊被定義為“濕邊”，對應(yīng)全部植被指數(shù)的最低溫度，在此土壤水分不是植被生長的限制因素。同時定義TVDI=(LST－LSTmin)/(a+b×NDVILSTmin)，由此可知:TVDI的值表現(xiàn)越大，土壤的濕度就會越低，其表征的數(shù)值越接近于1;TVDI的值越小，土壤的濕度就越高，其數(shù)值越趨近于0。

圖2:Ts－NDVI特征空間示意圖

在TVDI的計算過程中對LSTmin和LSTmax的擬合方程一般表示為:

由此可得溫度植被干旱指數(shù)的公式被定義為:

式中:a1和b1分別是濕邊擬合方程系數(shù)，a2和b2分別是干邊擬合方程系數(shù)?？梢姡乇頊囟?LST)和植被指數(shù)(NDVI)以及LSTmin和LSTmax的擬合方程是計算TVDI的關(guān)鍵參數(shù)。

2.3.4 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是McKee在1993你提出的一種根據(jù)長時間序列的降水量數(shù)據(jù)計算不同時間尺度的干旱指數(shù)。其主要是基于自然降水為Γ分布，經(jīng)過正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)化變換而得出，能夠監(jiān)測不同時間尺度的干旱，而且資料容易獲得，具有很強的時空適應(yīng)性，計算簡單，因而得到了廣泛的應(yīng)用。其公式被定義為:

3 結(jié)果與分析

3.1 敏感性分析

利用ENVI遙感處理軟件建立三種遙感指數(shù)模型，并逐一進行遙感數(shù)據(jù)的反演，得到2010年的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)，溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)和距平植被指數(shù)(AVI)的反演結(jié)果(如圖a，b，c)。并且利用錫林郭勒盟境內(nèi)及其周邊地區(qū)的氣象站點的降水量數(shù)據(jù)計算了各站的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)。

圖3:干旱指數(shù)反演效果圖

通過干旱指數(shù)效果圖可以看出各干旱指數(shù)在一定程度上都反應(yīng)錫林郭勒的干旱情況，從圖a中可以看出利用溫度植被干旱指數(shù)反演的結(jié)果:錫林郭勒地區(qū)從西南到東北干旱現(xiàn)象逐漸減弱，在東北部地區(qū)比較濕潤，在西南部地區(qū)較干旱，中部地區(qū)為過渡帶，從整體上看錫林郭勒絕大部分地區(qū)處在0.4－0.6之間表現(xiàn)出了干旱現(xiàn)象。從圖b中可以看出利用溫度狀態(tài)指數(shù)反演的結(jié)果:錫林郭勒地區(qū)從西南到東北干旱現(xiàn)象逐漸減輕，并且一半地區(qū)處在0.3－0.6之間，呈現(xiàn)出了干旱現(xiàn)象，而且從圖中可以看出錫林郭勒中部地區(qū)和西部地區(qū)呈現(xiàn)干旱。從圖c中可以看出利用距平植被指數(shù)反演結(jié)果:錫林郭勒從西南到東北絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)干旱現(xiàn)象，西南部一部分地區(qū)和東北部植被覆蓋較好。

在對溫度植被干旱指數(shù)，溫度狀態(tài)指數(shù)和距平植被指數(shù)的反演效果對比中可以看出，錫林郭勒地區(qū)有干旱發(fā)生，干旱的范圍在各指數(shù)中表現(xiàn)的不一致。這說明各遙感指數(shù)在反映干旱的敏感性上表現(xiàn)不盡相同，所以，我們利用SPI來反映降水量情況，通過各遙感指數(shù)與SPI的相關(guān)性來反映其敏感性，既而得到各遙感指數(shù)的與降水量的關(guān)系。

圖4:遙感指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)相關(guān)性分析圖

通過圖4可以看出各遙感指數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)最高的是距平植被指數(shù)(圖c)，其次是溫度狀態(tài)指數(shù)(b)，最后是溫度植被干旱指數(shù)(圖a)。但是，各指數(shù)的相關(guān)性均達不到顯著性效果。

3.2 相關(guān)性分析

反演結(jié)果的驗證采用與衛(wèi)星數(shù)據(jù)同步的錫林郭勒境內(nèi)9個氣象站點的相對濕度與TVDI，TCI，AVI三個反演結(jié)果數(shù)據(jù)之間進行相關(guān)和顯著性分析。氣象站點的相對濕度數(shù)據(jù)是點數(shù)據(jù)，反演所得的值為面數(shù)據(jù)，兩者進行空間疊加后得到相應(yīng)氣象站點對應(yīng)的反演數(shù)據(jù)。但是由于反演結(jié)果是面狀數(shù)據(jù)，且其值為一個數(shù)值范圍。因此，取每個氣象站點所對應(yīng)的反演結(jié)果范圍值中的最小值作為該點對應(yīng)的值。

由土壤相對濕度和各遙感指數(shù)值構(gòu)成的散點圖(圖5)可以看出:溫度植被干旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.3889(圖a)，距平植被指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.6563 (圖b)，溫度狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.1507(圖c)。從中可以看到，距平指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)最高，且兩者之間的相關(guān)系數(shù)r=0.6563＞r0.1=0.58221，說明土壤相對濕度和AVI之間的線性相關(guān)程度已達到顯著水平。在此基礎(chǔ)上進一步建立回歸模型對土壤相對濕度與AVI做顯著性分析，結(jié)果也顯示:F檢驗和t檢驗的值分別為13.368和－3.656在α=0.001的水平上顯著。

圖5:各遙感指數(shù)相關(guān)性分析圖

4 結(jié)論

利用MODIS數(shù)據(jù)，通過建立溫度植被干旱指數(shù)，溫度狀態(tài)指數(shù)以及距平植被指數(shù)模型，分別得到了其反演結(jié)果，并利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)來反映降水情況與之進行了敏感性分析，從中可以得到:各遙感指數(shù)模型在一定程度均能反映干旱情況，但在敏感性上相對于其它兩種遙感指數(shù)，距平植被指數(shù)表現(xiàn)更好，其次為溫度狀態(tài)指數(shù)，最后為溫度植被干旱指數(shù)，但是，在與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的相關(guān)性分析中均達不到顯著性效果，因此，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)反映遙感指數(shù)對干旱的敏感性不夠理想。在與土壤相對濕度的相關(guān)性分析中，可看出距平植被指數(shù)的與土壤相關(guān)性較好，其余遙感指數(shù)與土壤相對濕度的相關(guān)性表現(xiàn)不夠理想。因此，可知距平植被指數(shù)比較實用于錫林郭勒的干旱監(jiān)測。通過距平植被指數(shù)的反演結(jié)果可以看出:錫林郭勒大部分地區(qū)發(fā)生干旱，其中西南部干旱面積大，土壤濕度低，東北地區(qū)土壤濕度較高，并且由東北到西南干旱程度逐漸加深。

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A Variety of Drought Monitoring Method Based on MODIS Data in Xilingol Grassland on the Comparison and Analysis

ZHAO Cheng－h(huán)ua，ALATENG Tuya
(College of Geographical Science，Inner Mongolia Normal University;Hohhot 010022)

As one of the most serious natural disasters，drought occurred more frequently，long duration and large range，damage is serious，a direct impact on every aspect of human social and economic activities.In this paper，by using MODIS NDVI products MOD13A3 and temperature products MOD11A2，building the temperature vegetation drought index respectively，temperature condition index，and analyzed the vegetation index model，to the inversion of xilingol regional drought conditions，and the inversion results with standardized precipitation index and soil relative humidity sensitivity analysis，correlation analysis research shows that:(1)in terms of sensitivity，the correlation of the remote sensing and standardized precipitation index failed to achieve significant effect，therefore，using standardized precipitation index to reflect the sensitivity to drought index of the remote sensing is not ideal. (2)in terms of relevance，analyzed the vegetation index and soil relative humidity has good correlation，can reflect the characteristics of the spatial data，as indicators of drought monitoring with scientific rationality.(3)from the point of view of spatial distribution，south－west of xilingol humidity is higher，humidity is higher，in the northeast of central belongs to the transitional region，the region most area of droughts.

MODIS;The drought index;AVI;TVDI;TCI

P594

A

1004－1869(2014)01－0020－06

2013－12－27

國家自然科學(xué)基金(41261099)，國家“十二五”科技支撐項目(2013DAK05B01)，內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2012MS0607)，內(nèi)蒙古自治區(qū)研究生科研創(chuàng)新項目(S20131013505)，內(nèi)蒙古師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項目(CXJJS12050)

趙承華(1986－)，男，內(nèi)蒙古阿拉善人，碩士研究生，研究方向:遙感應(yīng)用，Email:zhaochenghua1986@163.com

阿拉騰圖婭(1969－)，女，蒙族，內(nèi)蒙古正藍旗人，教授，研究方向:遙感應(yīng)用與區(qū)域地理研究，Email:altty@ imnu.edu.cn