李海亮+方紀華+田光輝+羅紅霞

摘要：基于MODIS數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)，以海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測綜合模型為工具開展海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測研究，完成了基于WebGIS的海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。通過WebGIS系統(tǒng)及時發(fā)布旱情信息，用戶通過計算機終端網(wǎng)頁瀏覽器可以對海南島實時的干旱情況進行交互式的查詢和檢索，實現(xiàn)了海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運行。并應(yīng)用海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)進行了干旱監(jiān)測、旱情區(qū)域分析等業(yè)務(wù)化運行示范。該研究結(jié)果可為區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MODIS；農(nóng)業(yè)干旱；監(jiān)測系統(tǒng)；業(yè)務(wù)化運行；海南島

中圖分類號： S127 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0211-03

收稿日期：2016-06-29

基金項目：國家星火計劃項目（編號：2014GA800006）；海南省重大科技項目（編號：ZDZX2013018）。

作者簡介：李海亮（1977—），男，湖南邵陽人，碩士，副研究員，主要從事熱帶農(nóng)業(yè)遙感與數(shù)字研究。Email：fondgis@163.com。 農(nóng)業(yè)干旱是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測面臨著較大的困難。遙感技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測提供了新的機遇，但遙感監(jiān)測的信息是時間點上作物反映出來的特征，未考慮作物生長機理及生長環(huán)境影響的時間效應(yīng)。因此，更合理的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法應(yīng)該基于遙感信息和地面觀測數(shù)據(jù)，把作物生長機理與環(huán)境信息結(jié)合起來，加強作物形態(tài)指標(biāo)與土壤濕度指標(biāo)的結(jié)合?，F(xiàn)有研究已經(jīng)提出了許多農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測方法，這些方法大多數(shù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)干旱進行有效的監(jiān)測[1-4]。而建立監(jiān)測旱情的業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)，可將旱情實時監(jiān)測或評估的結(jié)果，迅速、及時、有效地上報有關(guān)單位和部門，為各級領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)；從而達到及時采取各種防范措施，將旱情造成的損失降至最低點的目的。因此，基于遙感信息與地面觀測數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測及業(yè)務(wù)化運行將是農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究的一個重要發(fā)展方向[5-7]。在分析海南島干旱發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上建立一套相對精準(zhǔn)、計算簡便、數(shù)據(jù)容易獲取、重復(fù)周期短、適合長期業(yè)務(wù)化運行的海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)，快速高效地進行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，為科學(xué)抗旱救災(zāi)、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)事活動提供決策依據(jù)，對海南省農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本研究利用海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測綜合模型開展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究，設(shè)計并實現(xiàn)WebGIS系統(tǒng)，用戶通過計算機終端的網(wǎng)頁瀏覽器可以對海南島實時干旱情況進行交互式的查詢和檢索，探索農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)的旬報業(yè)務(wù)化運行。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

海南島是我國僅次于臺灣島的第二大島，總面積約3.39萬km2，地處18°10′～20°10′N、108°37′～111°03′E之間，位于熱帶北緣。海南島夏無酷熱，冬無嚴寒，氣溫年較差小，全年氣溫高，年平均氣溫22～26 ℃，終年無霜雪。全島中部山區(qū)氣溫較低，西南部較高。年平均降水量為1 639 mm，降水時空差異大，東濕西干。海南島屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，干雨季分明。受臺風(fēng)及降雨時空分布不均的影響，全島旱澇災(zāi)害頻繁，旱患尤為突出。海南島干旱對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活影響都很大，不僅限制了熱帶資源的充分利用，而且影響熱帶作物的生產(chǎn)活動和產(chǎn)量。建國以來海南島出現(xiàn)較為嚴重的旱災(zāi)共40多次，幾乎每年達1次。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 利用海南省氣象科學(xué)研究所EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)存檔的日MODIS原始數(shù)據(jù)（上午星Terra），通過解包歸整、定位定標(biāo)、1B（HDF）數(shù)據(jù)的生成、投影變換、幾何采樣和重采樣等預(yù)處理工作，以最大值合成法（MVC）逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的歸一化植被指數(shù)（NDVI），空間分辨率為1 km。而地表溫度（LST）數(shù)據(jù)則來自美國國家航空航天局（NASA）提供的L3級別的MODIS/Terra全球數(shù)據(jù)產(chǎn)品。首先對空間分辨率為1 km、時間分辨率為1 d的MOD11A1數(shù)據(jù)運用MRT軟件進行拼接、投影轉(zhuǎn)換。剔除質(zhì)量較差像元，然后以均值法逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的LST數(shù)據(jù)。利用海南島邊界圖完成NDVI數(shù)據(jù)、LST數(shù)據(jù)的裁剪和拼接工作，同時剔除NDVI、LST數(shù)據(jù)的無效值。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 收集海南省18個氣象臺站，2004年7月上旬至2005年1月下旬各旬降水量，以及各旬多年平均降水量。將通過以上數(shù)據(jù)計算得到的綜合降水指數(shù)（CPI）采用薄板樣條函數(shù)[8]（TPS）插值的方法進行全區(qū)域的精確模擬。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測模型 為探索提高農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測模型的精度，以中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究小組提出的農(nóng)業(yè)旱情遙感評估模型[7-9]為基礎(chǔ)，在遙感指數(shù)和氣象指數(shù)權(quán)重指定建模的基礎(chǔ)上，提出了實測土壤含水量反演建模的方式。以標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)（VSWIS）和綜合降水指數(shù)（CPI）作為變量，通過與同步實測土壤含水量的數(shù)據(jù)融合構(gòu)建了適合海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測的綜合模型[10]，本研究以該模型為工具進行海南島的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，其計算公式為：

式中：DI為綜合旱情指數(shù)，取0～1，其中DI=0表示嚴重干旱，DI=1表示非常濕潤；VSWI為標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)，由MODIS-NDVI和MODIS-LST數(shù)據(jù)計算得到；CPI為綜合降水指數(shù)，由旬降水量、旬多年平均降水量及各旬權(quán)重計算得到；0.036 198為常數(shù)項。

經(jīng)檢驗，該模型的均方根誤差（RMSE）為4.65%，相對均方根誤差（RMSEr）為19.28%，模型具有較高的精度。

1.3.2 農(nóng)業(yè)干旱等級劃分 以海南島農(nóng)業(yè)干旱調(diào)研為基礎(chǔ)，參考氣象干旱等級劃分方法、已有研究的綜合干旱等級劃分方法[10]，建立海南島農(nóng)業(yè)干旱分級標(biāo)準(zhǔn)。將農(nóng)業(yè)干旱程度分為濕潤、正常、輕旱、中旱、重旱5個級別（表1）。endprint

1.3.3 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng) 為使整個系統(tǒng)具有較高的運行效率、較強的靈活性、可擴展性及可伸縮性，系統(tǒng)設(shè)計在多層模型架構(gòu)之上，整個系統(tǒng)體系分為表示層、開發(fā)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層（圖1）。系統(tǒng)開發(fā)采用Windows 2003 Server，IIS 5.0服務(wù)器平臺，客戶端為IE 5.0以上瀏覽器，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 2.0，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server9.2.DotNet ADF開發(fā)包，開發(fā)語言采用Visual C#.NET。地圖應(yīng)用服務(wù)器基于Internet/Intranet的地圖應(yīng)用服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，HTTP傳輸協(xié)議。

系統(tǒng)在實時數(shù)據(jù)支持下，實現(xiàn)Web瀏覽器上的GIS圖形與數(shù)據(jù)的可視化操作，工作人員可以查詢到海南島內(nèi)不同時段的基礎(chǔ)地理信息、旱情信息和歷史資料信息。可以進行選定區(qū)域特定面積內(nèi)的各種旱情指數(shù)的計算，以圖文報表形式反映整個旱情的發(fā)展演變過程。系統(tǒng)主要功能有：旱情專題查詢、旱情周期監(jiān)測、旱情預(yù)警發(fā)布和專題統(tǒng)計查詢等。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)

海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 1.1，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server.NET ADF開發(fā)包，開發(fā)語言采用Visual C#.NET。地圖應(yīng)用服務(wù)器基于Internet/Intranet的地圖應(yīng)用服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，HTTP傳輸協(xié)議。系統(tǒng)主界面見圖2。

2.1.1 旱情專題查詢 通過WebGIS頁面的操作，可以在地圖列表窗口中選擇旱情專題圖瀏覽察看頁面，該頁面為用戶提供樹形目錄，用戶可以選擇性地察看各時段、各區(qū)域的旱情分級和旱情指數(shù)。旱情指數(shù)包括綜合旱情指數(shù)（DI）、標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)（VSWIs）、綜合降水指數(shù)（CPI）。在地圖列表窗口中選好需要察看旱情的時段，在地圖中點擊查詢?nèi)我馕恢玫暮登樾畔?，查詢結(jié)果即顯示在“查詢結(jié)果”欄中。

2.1.2 旱情周期監(jiān)測 以農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測綜合指數(shù)為旱情監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)更新周期作為系統(tǒng)監(jiān)測周期。將更新數(shù)據(jù)做預(yù)處理，并通過模型演算使旱情數(shù)據(jù)空間可視化表達，最后將其上傳至服務(wù)器，系統(tǒng)會自動發(fā)布更新數(shù)據(jù)，及時展示旱情關(guān)鍵要素的空間分布格局及變化情況。

2.1.3 旱情預(yù)警發(fā)布 系統(tǒng)通過模型計算出的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測綜合指數(shù)，對比系統(tǒng)定義好的旱情災(zāi)害指標(biāo)，將旱情進行分級預(yù)警，并將預(yù)警信息及時發(fā)布，詳細顯示旱情發(fā)生區(qū)域、旱情災(zāi)害等級、未來氣候情況等重要災(zāi)害信息，為抗災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)支持。

2.1.4 專題統(tǒng)計查詢 為了滿足用戶對氣候、旱情發(fā)展等信息的需要，在系統(tǒng)中設(shè)置了區(qū)域統(tǒng)計、農(nóng)業(yè)旱情統(tǒng)計、旱情專題圖、農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測報告、氣候公報、課題介紹等菜單欄，各菜單以下拉列表的方式鏈接相應(yīng)的文檔及圖片列表。點擊文檔名及圖片名即可打開對應(yīng)的文檔及圖片文件，查看相應(yīng)的資料信息。

2.2 海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行示范

2.2.1 旱情監(jiān)測 利用海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)對海南島2004年10月上旬至2005年1月下旬的農(nóng)業(yè)干旱進行監(jiān)測，制作干旱專題圖及統(tǒng)計曲線圖（圖3）。從圖3可以看出，從時間演變來看，2004年10月上旬起旱情持續(xù)加重，至2004年12月上旬達到旱情高峰，2005年1月下旬海南島旱情依然嚴重；從空間演變來看，海南島西部旱情重于東部、北部旱情重于南部、四周旱情重于中部。

2.2.2 旱情區(qū)域分析 應(yīng)用海南省行政區(qū)域數(shù)據(jù)提取2004年10月至2005年1月海南島內(nèi)18個行政單元每旬的綜合旱情指數(shù)，并統(tǒng)計各干旱等級柵格數(shù)。旱情最嚴重段（2004年12月上旬）海南省各行政區(qū)域的旱情統(tǒng)計見表2。從表2可以看出，該時段旱情最嚴重的市縣為儋州市，其受災(zāi)（重旱、中旱及輕旱）面積為3 155 km2，約占陸地總面積的97%，多為重旱和中旱；旱情最輕的市縣為中部的五指山市，其受災(zāi)面積為986 km2，約占陸地總面積的85%，多為輕旱和中旱。

3 結(jié)論與討論

本研究基于MODIS數(shù)據(jù)、地面觀測數(shù)據(jù)，以海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測綜合模型為工具開展了海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測研究。通過需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模塊設(shè)計及系統(tǒng)開發(fā)，完成了基于WebGIS的海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運行。通過標(biāo)準(zhǔn)化處理后，旱情監(jiān)測結(jié)果在不同時期具有可比性，可以根據(jù)不同級別的旱情分布進行受災(zāi)范圍統(tǒng)計，評估旱災(zāi)損失，為農(nóng)業(yè)部門抗旱減災(zāi)工作提供更加直接可用的結(jié)果。同時，應(yīng)用數(shù)據(jù)批處理技術(shù)，在較短的時間內(nèi)就可完成每一旬的旱情監(jiān)測分析評價，得到旱情分析以及可能損失評估結(jié)果。并通過WebGIS系統(tǒng)及時發(fā)布旱情信息，用戶通過計算機終端網(wǎng)頁瀏覽器實現(xiàn)了海南省實時干旱情況的交互式查詢和檢索，并可據(jù)此形成干旱評估分析報告，為科學(xué)抗旱救災(zāi)、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)事活動提供決策依據(jù)。

參考文獻：

[1]楊紹鍔，閆娜娜，吳炳方. 農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測研究進展[J]. 遙感信息，2010（1）：103-109.

[2]莫偉華，王振會，孫 涵，等. 基于植被供水指數(shù)的農(nóng)田干旱遙感監(jiān)測研究[J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報，2006，29（3）：396-401.

[3]蓋永芹，李曉兵，李 霞，等. 基于TM與MODIS遙感數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測——以河北省為例[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報，2008，17（6）：91-95.

[4]劉 茜. 基于MODIS數(shù)據(jù)的黑龍江省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測研究[D]. 南京：南京信息工程大學(xué)，2011.

[5]李海亮，戴聲佩，胡盛紅，等. 海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測研究[J]. 中山大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，51（6）：126-130.

[6]Wu J J，Zhou L，Liu M，et al. Establishing and assessing the Integrated Surface Drought Index （ISDI） for agricultural drought monitoring in mid-eastern China[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation，2013，23（8）：397-410.

[7]唐 巍，覃志豪，秦曉敏. 農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行方法研究[J]. 遙感信息，2007（2）：37-41，插3.

[8]杜國明，賈良文. 薄板樣條函數(shù)在空間數(shù)據(jù)插值中的應(yīng)用[J]. 計算機工程與應(yīng)用，2009，45（36）：238-240.

[9]高懋芳，張虹鷗，秦曉敏，等. 廣東省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)遙感監(jiān)測[J]. 國土資源遙感，2008（3）：94-99，插8.

[10]李海亮，戴聲佩，胡盛紅，等. 基于空間信息的農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測模型及其應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（22）：181-188.韓彥勇，都興隆. 水田土壤參數(shù)對履帶式收獲機轉(zhuǎn)向阻力的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：214-217.endprint