王衛(wèi)東,趙青蘭,權(quán)文婷

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心,西安 710014)

FY-3VIRR數(shù)據(jù)在陜西省干旱監(jiān)測中的應(yīng)用

王衛(wèi)東,趙青蘭,權(quán)文婷

(陜西省農(nóng)業(yè)遙感信息中心,西安 710014)

干旱是影響陜西省社會發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。利用具有兩個熱紅外通道的風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星掃描輻射計一級數(shù)據(jù),先使用分裂窗算法反演得到地表溫度,再利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度計算溫度植被干旱指數(shù)(TVDI),從而來監(jiān)測陜西省的土壤干旱程度。結(jié)果表明,反演得到的TVDI能較好地反映陜西省干旱分布狀況,延安、關(guān)中、陜南等區(qū)域的TVDI反演結(jié)果與實(shí)際旱情更為接近。

FY-3VIRR；溫度植被干旱指數(shù)；土壤相對濕度

我國第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星(FY-3)發(fā)射成功,可以更方便地獲取高質(zhì)量的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),基于FY-3數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)之一?；谶b感植被指數(shù)和地表溫度信息研究區(qū)域地表水分狀況等陸表變化過程,是目前遙感和陸表過程研究的前沿方向。FY-3目前有三顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行,分別是A星、B星、C星(簡稱FY-3A、FY-3B、FY-3C)。FY-3的星載遙感儀器主要有可見光紅外掃描輻射計(VIRR)和中分辨率光譜成像儀(MERSI)。王潁等利用FY-3AMERSI數(shù)據(jù),采用植被供水指數(shù)(VSWI)對重慶市伏旱監(jiān)測進(jìn)行了研究[1]。李峰等利用FY-3AMERSI數(shù)據(jù),采用垂直干旱指數(shù)(PDI)對山東省干旱監(jiān)測進(jìn)行了研究[2]。李爽等利用FY-3AMERSI數(shù)據(jù),采用表觀熱慣量模型對土壤水分反演進(jìn)行了研究[3]。向大享等采用溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)對FY-3AMERSI數(shù)據(jù)干旱監(jiān)測能力進(jìn)行了評價[4]。由于MERSI數(shù)據(jù)只有一個熱紅外通道,利用其反演地溫只能采用單通道模式,與分裂窗模式相比,在反演精度上存在不足。

干旱是影響陜西社會發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一。以具有兩個熱紅外通道的FY-3 VIRR一級(L1)數(shù)據(jù)為信息源,采用地表溫度分裂窗反演算法,利用地表溫度和歸一化植被指數(shù)(NDVI)計算TVDI,來監(jiān)測陜西省土壤干旱程度。

1 FY-3數(shù)據(jù)預(yù)處理

FY-3VIRRL1數(shù)據(jù)共有10個通道,均需經(jīng)過定標(biāo)、投影、裁剪、封裝等處理后,才能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作的需求。其中兩個熱紅外通道數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標(biāo)后為黑體溫度,其余8個可見光通道數(shù)據(jù)經(jīng)輻射定標(biāo)后為反射率,輻射定標(biāo)算法使用國家衛(wèi)星氣象中心的標(biāo)準(zhǔn)算法[5]。輸出的數(shù)據(jù)文件格式采用遙感圖像最通用的GeoTIFF文件格式,GeoTIFF作為TIFF的一種擴(kuò)展,在TIFF的基礎(chǔ)上定義了一些GeoTag(地理標(biāo)簽)。根據(jù)需要,將投影裁剪后的VIRR10個通道的數(shù)據(jù)添加太陽天頂角、太陽方位角、衛(wèi)星傳感器天頂角、衛(wèi)星傳感器方位角,形成14個通道數(shù)據(jù)并一同寫入同一GeoTIFF文件。

2 地表溫度反演

為了滿足干旱監(jiān)測變化研究中對高分辨率地表溫度數(shù)據(jù)的需求,根據(jù)VIRR熱紅外通道光譜響應(yīng)函數(shù),采用權(quán)維俊2012年提出的具有較高精度的改進(jìn)型Becker和Li分裂窗地表溫度反演算法[6]。利用VIRR熱紅外通道的通道4和通道5亮溫T4、T5來計算地表溫度Ts,Becker和Li分裂窗地表溫度反演方程可表示為

其中,T4、T5分別通道4和通道5亮溫,P和M為通道4和通道5的平均比輻射率和比輻射率差值的函數(shù),具體表示如下

式中,E=(e4+e5)/2,為通道4和通道5的平均比輻射率,ΔE=e4-e5為通道4、5的比輻射率的差值。

系數(shù)P和M依賴于VIRR通道4、5的地表比輻射率,一個可行的地表比輻射率獲取方法是歸一化植被指數(shù)方法。該方法通過NDVI值的分級來估算地表比輻射率。NDVI值小于0.2,認(rèn)為是裸土像元,這時VIRR通道4、5的地表比輻射率可用土壤和巖石比輻射率的平均值來代替。即VIRR通道4的裸土比輻射率e4為0.9545,通道5的裸土比輻射率e5為0.9714[6]。NDVI值大于0.5認(rèn)為完全由植被覆蓋,這時VIRR通道4、5的地表比輻射率為一個常數(shù),典型值為0.99。NDVI值大于0.2且小于0.5,像元是由裸土和植被構(gòu)成的混合像元,地表比輻射率依賴于植被覆蓋度PV

式中,INDV為像元的NDVI值,INDVmax、INDVmin為常數(shù),INDVmax=0.5,INDVmin=0.2。

根據(jù)權(quán)維俊的研究,地表比輻射率可近似表示為[6]

m、n為方程系數(shù),對于VIRR通道4來說,m =0.0107,n=0.9793；對于通道5來說,m= 0.0030,n=0.9870。

3 FY-3VIRR溫度植被干旱指數(shù)

由于植被覆蓋度與光譜植被指數(shù)存在一定關(guān)系,而植被覆蓋度決定了傳感器接收到的土壤背景和植被冠層可見光和熱紅外信息,從而影響遙感獲取的輻射溫度。由于蒸散對冠層溫度影響較大,在一定的凈輻射條件下,當(dāng)蒸散量越少,感熱量越大,冠層溫度就越高。另外蒸散量同時受三方面的因素控制,即氣象條件、植被生長狀況和土壤可利用水量。生態(tài)系統(tǒng)在一定氣象條件下,植被指數(shù)(INDV)與地表溫度(Ts)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。如果研究區(qū)植被覆蓋包含從裸土到全覆蓋、土壤濕度從極干旱到極濕潤的各種情況,以INDV和Ts為橫、縱坐標(biāo)的散點(diǎn)圖呈三角形。在這個三角形特征空間中,Ts與INDV的斜率與土壤濕度之間為一元線性關(guān)系。Sandholt、Moran等在2002年利用該簡化的INDV-Ts特征空間,提出水分脅迫指標(biāo),即溫度植被干旱指數(shù)ITVD表達(dá)式為

Tmin為植被指數(shù)與地表溫度根據(jù)濕邊線性擬合得到特征空間最低溫度,Tmax為植被指數(shù)與地表溫度根據(jù)干邊線性擬合得到特征空間最高溫度,計算式表示為

式中a1,k1和a2,k2分別是干邊和濕邊擬合方程的系數(shù)。結(jié)合公式(6)(7)即可計算TVDI值。

在擬合干濕邊方程時,選取NDVI值在0.25～0.65之間的像素,顯然小于0的點(diǎn)對應(yīng)的像素一般為水體或云,擬合時不考慮。同時注意選擇不同時期的多幅衛(wèi)星圖像,如干旱期的和濕潤期的衛(wèi)星圖像,且晴空居多的,共同參與回歸擬合,這樣更貼近于實(shí)際情況。實(shí)際應(yīng)用中,在春季時,系數(shù)k1= 48.9925,a1=-11.4157,k2=-53.7605,a2= 72.0261；在夏季時,系數(shù)k1=36.492352,a1= -8.3910189,k2=-34.682926,a2= 58.231808。

以TVDI值作為不同土壤濕度分級指標(biāo),參考已有的TVDI干旱指數(shù)分級研究[2,8,9],并結(jié)合陜西省的旱情統(tǒng)計數(shù)據(jù),將土壤濕度劃分為5級,分別是：濕潤(0.005≤ITVD＜0.4),正常無旱(0.4≤ITVD＜0.6),輕度干旱(0.6≤ITVD＜0.75),中度干旱(0.75≤ITVD＜0.85)和重度干旱(0.85≤ITVD)。表1給出了TVDI、土壤相對濕度和干旱等級間的對應(yīng)關(guān)系。

表1 TVDI、土壤相對濕度和干旱等級間的對應(yīng)關(guān)系

4 遙感反演結(jié)果分析

2014年夏季陜西省發(fā)生了嚴(yán)重干旱,8月6—11日,陜西省多數(shù)地區(qū)普降大雨,旱情得到解除。因此選用2014年7月13日和2014年8月13日數(shù)據(jù)(晴空居多),采用TVDI指數(shù)法反演土壤濕度來分析2014年夏季干旱,得到研究區(qū)域2014年7月13日和8月13日的土壤干旱程度分布圖,圖中白色區(qū)域?yàn)樵茀^(qū)或水域(圖1)。

圖1 2014-07-13和2014-08-13陜西省土壤干旱程度分布圖

干旱監(jiān)測最直接的方法是實(shí)測土壤相對濕度。要驗(yàn)證TVDI對干旱監(jiān)測結(jié)果是否與實(shí)況相符,就是要研究TVDI與實(shí)測土壤相對濕度之間的關(guān)系。將陜西省自動土壤水分站52個站點(diǎn)10cm和20cm土壤濕度數(shù)據(jù)和相應(yīng)的TVDI值進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)TVDI與對應(yīng)的10cm、20cm的土壤相對濕度之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(7月13日,r10cm=-0.5147,r20cm=-0.5344；8月13日,r10cm=-0.5062,r20cm=-0.5385)。特別是20cm土壤相對濕度與TVDI值相關(guān)性更高。這是由于10cm深度的土壤水分受地表風(fēng)速等氣象條件的影響較大,并不能完全反映地表反射率特性；而20cm深處的土壤水分更接近作物根部,對作物的生長影響更大,更能反映作物的受旱情況,這與已有的研究結(jié)論基本一致[2,9]。

利用陜西省自動土壤水分站共52個站點(diǎn)的10cm和20cm土壤濕度數(shù)據(jù)分別生成2014年7月13日和2014年8月13日的土壤相對濕度實(shí)況分布圖(圖2)。對比分析圖1和圖2,可看出TVDI值與土壤相對濕度監(jiān)測到的干旱程度基本一致。7月中旬陜西大部分地區(qū)發(fā)生了干旱,8月中旬旱情得到緩解。但在陜北榆林與內(nèi)蒙的交界處,兩者對旱情的監(jiān)測結(jié)果差異較大。這些地域大多屬于固定的沙漠,植被覆蓋較差,土壤水分本身不易保持,更易受溫度、風(fēng)速的影響；同時這些區(qū)域設(shè)置的土壤水分自動站較少,實(shí)測土壤相對濕度與測站設(shè)置的科學(xué)性,以及測量儀器的一致性和準(zhǔn)確性有一定關(guān)系；再加上此處的NDVI值低,可能處于INDV-Ts特征空間的非線性區(qū)。這三方面的原因?qū)е铝伺c土壤水分自動站觀測結(jié)果相比,陜北邊緣地區(qū)的TVDI監(jiān)測旱情結(jié)果更為嚴(yán)重。

5 結(jié)論

利用FY-3VIRR數(shù)據(jù)反演得到的TVDI,對陜西省進(jìn)行了干旱監(jiān)測,建立了針對陜西省干旱災(zāi)害的TVDI干旱等級標(biāo)準(zhǔn)。從衛(wèi)星遙感干旱監(jiān)測結(jié)果與實(shí)測土壤相對濕度對比來看,在延安、關(guān)中、陜南的實(shí)際旱情與TVDI反演結(jié)果接近,但在陜北榆林與內(nèi)蒙的交界處監(jiān)測效果不十分理想。主要原因有：這些地域大多屬于固定的沙漠,植被覆蓋較差,土壤水分本身不易保持,更易受溫度、風(fēng)速的影響；同時這些區(qū)域設(shè)置的土壤水分自動站較少,實(shí)測土壤相對濕度與測站設(shè)置的科學(xué)性,以及測量儀器的一致性和準(zhǔn)確性有一定關(guān)系；再加上此處的NDVI值低,可能處于INDV-Ts特征空間的非線性區(qū)。

圖2 2014-07-13和2014-08-13陜西省10cm和20cm土壤相對濕度/%實(shí)況分布圖

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A

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1006-4354(2015)02-0015-04

2014-09-25

王衛(wèi)東(1970—),男,陜西扶風(fēng)人,高工,從事衛(wèi)星遙感與監(jiān)測。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金(2013M-19)