刁 偉，孟令奎，張東映，郭善昕

（武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

0 引言

干旱是世界范圍內最為嚴重的氣象災害之一，不僅影響區(qū)域廣大，而且危害也最為嚴重，直接阻礙了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。對于干旱的監(jiān)測一直是世界公認的難題。人們最初使用氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測干旱狀況，但由于提供全國氣象數(shù)據(jù)的氣象站點較為稀疏，難以表征站點周圍大面積區(qū)域的旱情狀況，且無法保證數(shù)據(jù)獲取的實時性和完整性，所以氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測干旱的精確性和實時性較低。

近年來，遙感技術呈現(xiàn)出探測周期短、現(xiàn)時性強、數(shù)據(jù)獲取便捷、可大面積宏觀監(jiān)測等特點[3]，因此利用遙感技術對旱情進行監(jiān)測，可以及時定位大面積區(qū)域當前的旱情嚴重程度，并做出合理的評估和預測。

現(xiàn)有的遙感旱情監(jiān)測方案中使用的遙感數(shù)據(jù)源主要包括中等分辨率的 MODIS（中分辨率成像光譜儀）和 NOAA/AVHRR 影像數(shù)據(jù)。相對于 NOAA數(shù)據(jù)來說，MODIS 數(shù)據(jù)具有更高的空間分辨率，更多的觀測通道，且重訪周期較短、獲取便捷，因此比較適合在大面積突發(fā)性災害遙感監(jiān)測評估中應用[4-7]。本文主要研究探討 MODIS 數(shù)據(jù)在湖北省旱情監(jiān)測中的應用，以期充分發(fā)揮 MODIS 數(shù)據(jù)高時間分辨率和大面積監(jiān)測的優(yōu)勢，為防旱抗旱工作提供更為及時可靠的背景知識和決策支撐。

1 MODIS 數(shù)據(jù)特點及處理

1.1 數(shù)據(jù)特點

MODIS 傳感器是 EOS（Earth Observation System）系列衛(wèi)星（Aqua 和 Terra）的主要探測儀器，屬于新一代“圖譜合一”的高光譜類傳感器。MODIS 獲取的數(shù)據(jù)是唯一由 NASA（美國國家航空航天局）提供免費廣播服務的一種數(shù)據(jù)，每 1～2 d可覆蓋全球 1 遍，具有較高的時間分辨率。同時，MODIS 的掃描寬度為 2330 km，有 36 個波段（含陸地波段 13 個），空間分辨率最高可以達到 250 m[1]（第 1，2 波段）。對于湖北區(qū)域大面積動態(tài)旱情遙感監(jiān)測來說，MODIS 數(shù)據(jù)在時間、空間、光譜分辨率及數(shù)據(jù)獲取途徑上具有獨特的優(yōu)勢，是 NOAA/AVHRR 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)無法相比的。

1.2 監(jiān)測模型及數(shù)據(jù)處理

2006 年，阿布都瓦斯提[2]等人依據(jù)近紅外波段與紅波段構造的特征空間中土壤水分的空間分布特征提出垂直干旱指數(shù)（PDI）的概念，公式如下：

式中：R 代表經(jīng)過大氣校正的波段反射率，red 表示紅光波段，nir 表示近紅外波段；M 為土壤線的斜率。垂直干旱指數(shù)描述了 NIR-Red 光譜特征空間中土壤水分的分布規(guī)律[9-10]：PDI 值越高的點對應著土壤含水量低的區(qū)域；反之，PDI 值越低的點對應著土壤含水量越高的區(qū)域。

雖然 PDI 可以很好地表征地物在某一時刻的土壤水分含量，但是對于大面積區(qū)域的旱情監(jiān)測，由于不同地區(qū)的氣候條件、土壤類型、種植結構等均有較大不同，因此在分析某一地區(qū)旱情嚴重程度時，需要將研究時間段的旱情指數(shù)與該地區(qū)歷史同一時間段內的旱情指數(shù)作對比，以此分析和判定該區(qū)域相對于歷史同期的旱情狀況。

從 NASA 網(wǎng)站上[8]可以獲取研究區(qū) 2002—2011年間的 MODIS 歷史數(shù)據(jù)，因此可以使用這 10 a 歷史數(shù)據(jù)，計算得到 PDI 的極大值和極小值歷史影像庫。將計算得到的 PDI 通過歷史極值影像庫進行歸一化處理，對于小于 0 的部分用數(shù)值 0 代替，高于 1的部分用數(shù)值 1 代替，以使其值域區(qū)間劃歸到 0～1之間，歸一化的干旱監(jiān)測指數(shù) NPDI 具體計算如下：式中：PDImax和 PDImin分別為歷史同一時期對應點位區(qū)域上 PDI 的極大值和極小值。從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，NPDI 的值越高，說明該地區(qū)相對于歷史同期而言旱情狀況越嚴重；值越低，說明旱情狀況越輕微甚至沒有旱情發(fā)生。

選取某個月份每日的 MODIS 單景影像，分別對其進行幾何糾正、輻射校正、重投影、拼接裁剪等加工處理，并使用最大值合成方法將每日的多幅單景影像加工為日合成影像，每 10 d 將日合成影像加工為旬合成影像產品。使用式（1）即可計算得到研究區(qū)域研究月份的上、中、下 3 旬的垂直干旱指數(shù)影像。

歷史庫影像可以直接在 NASA 網(wǎng)站上下載每日的反射率產品數(shù)據(jù)，經(jīng)過同樣的處理步驟即可構造PDI 的歷史影像庫。使用歷史庫對每旬的 PDI 影像進行歸一化，最終得到歸一化垂直干旱指數(shù)旬合成影像產品。

2 MODIS 數(shù)據(jù)在湖北旱情監(jiān)測中的應用

湖北省位于我國的中南部，長江中游，是我國的經(jīng)濟中心、重要的生產基地。

近幾年，湖北省連年發(fā)生大旱，給農業(yè)生產和人民生活帶來了極大的威脅。2012 年湖北省大部分地區(qū)降水量與歷史同期相比偏少 3～5 成，多地出現(xiàn)嚴重干旱，其中隨州等地更是遭遇 60 年一遇的特大干旱。2012 年 8 月，湖北省西北部和中部局部地區(qū)發(fā)生較為嚴重的干旱，隨州、荊門、襄陽、孝感等地局部地域受災嚴重。

為分析通過遙感技術監(jiān)測的旱情監(jiān)測成果的準確性，基于干旱監(jiān)測模型和 MODIS 數(shù)據(jù)方法，對2012 年 8 月上、中、下 3 旬的湖北省 MODIS 數(shù)據(jù)進行計算和分析。通過數(shù)據(jù)處理和分析，可以得到湖北區(qū)域每旬的旱情指數(shù)圖。在 Arcgis 軟件中打開旱情指數(shù)圖，并疊加湖北省市級行政區(qū)劃圖，即可得到湖北省各市的遙感旱情監(jiān)測結果圖，如圖1～3所示。分別對每旬的遙感旱情監(jiān)測結果圖進行分析，具體如下：

1）圖1 所示為 2012 年 8 月上旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測結果。圖像顯示，除了武漢市、襄陽中北部、荊州東部、隨州西南部等地旱情指數(shù)在 0.7 以上，與其它地區(qū)相比有明顯旱情發(fā)展趨勢以外，湖北省全省范圍內基本無明顯旱情。

2）圖2 所示為 2012 年 8 月中旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測結果。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，上旬至中旬期間，湖北省中東部、西北部、西南部等地旱情指數(shù)顯著增大，出現(xiàn)較為明顯的旱情，其中以荊州東部、仙桃東部、孝感中北部、鄂州中北部、武漢、荊門中部和襄陽中西部等地區(qū)為主要發(fā)生區(qū)域，局部地區(qū)旱情指數(shù)達到了 0.9 以上。

根據(jù)水利部防汛抗旱水文氣象綜合業(yè)務系統(tǒng)提供的旬降水距平數(shù)據(jù)和湖北省農業(yè)廳提供的土壤墑情數(shù)據(jù)可知：2012 年 8 月上旬期間，湖北省全省范圍內基本無降水，尤其是湖北中東部、西南部等地區(qū)，降水異常偏少，較往年平均水平低 50% 以上，持續(xù)的無降水天氣造成湖北地區(qū)較為嚴重的氣象干旱；同時，全省大部分地區(qū)墑情不足，尤其是西北、東北地區(qū)，嚴重缺墑，造成較為嚴重的農業(yè)干旱。由此可以發(fā)現(xiàn)，遙感旱情監(jiān)測結果在整體上與地面降水等實測數(shù)據(jù)基本吻合。

3）圖3 所示為 2012 年 8 月下旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測結果。圖像顯示，湖北省全省范圍內旱情程度較中旬有明顯緩解，除了武漢市、咸寧中北部、荊州東部、黃石北部等局部地區(qū)旱情指數(shù)仍有偏高，存在一定程度的旱情趨勢以外，其它地區(qū)基本無較為明顯的干旱情況。

同樣，根據(jù)防汛抗旱水文氣象綜合業(yè)務系統(tǒng)提供的旬降水距平數(shù)據(jù)和湖北省農業(yè)廳提供的土壤墑情數(shù)據(jù)可知：2012年 8 月中旬期間，湖北西部和東部局部地區(qū)出現(xiàn)較多降雨，土壤墑情適宜，而西北部和中部仍然降水偏少，土壤墑情不足；到了下旬，湖北西北西部、西南東部及東南大部有較多降水，中部、東北西部、鄂西南西部降水略少，土壤墑情除了西北東部至東北西部仍有不足以外，其它地區(qū)皆適宜或者充足，氣象和農業(yè)干旱嚴重程度明顯得到緩解。整體來看，遙感旱情監(jiān)測結果與地面實測結果基本一致。

圖1 湖北省2012年8月上旬遙感旱情監(jiān)測圖

圖2 湖北省2012年8月中旬遙感旱情監(jiān)測圖

從分析可以發(fā)現(xiàn)，使用 MODIS 數(shù)據(jù)遙感旱情監(jiān)測模型反演得到的旱情嚴重程度與發(fā)展趨勢和地面實測數(shù)據(jù)的整體走勢基本吻合，局部地區(qū)（如武漢）因城市熱島效應的影響而存在一定的偏差。此外，通過走勢對比分析也可以看出使用遙感手段監(jiān)測農業(yè)旱情存在一定的滯后性。

但就整體效果而言，基于遙感旱情監(jiān)測模型對 MODIS 數(shù)據(jù)進行旱情程度和走勢分析，具有很好的實用性，可以實時監(jiān)測大面積區(qū)域的旱情狀況，具備傳統(tǒng)地面監(jiān)測手段無法比擬的優(yōu)勢。此外，MODIS數(shù)據(jù)的重訪周期為 1～2 d，而大面積的旱情監(jiān)測大多以旬為時間單位，主要為制定下一段時間內的防旱抗旱措施提供依據(jù)，因此，MODIS 數(shù)據(jù)完全能夠滿足湖北區(qū)域干旱監(jiān)測對遙感影像的時間分辨率要求。

在實際監(jiān)測工作中，將利用遙感技術進行旱情監(jiān)測得到的結果與 GIS 技術相結合，通過疊加歷史影像，以及城鎮(zhèn)、交通、土地利用等 GIS 數(shù)據(jù)，可以為政府決策部門提供更加全面綜合的決策支持信息。這對我國的國民生產，尤其是農業(yè)生產和水利規(guī)劃，也都具有非常重要的意義。

3 結語

掌握旱情的最新動態(tài)，預測旱情的發(fā)展趨勢，提高旱情監(jiān)測反演的準確性，是政府部門防旱抗旱工作的關鍵任務之一。本文基于歷史庫歸一化的垂直干旱指數(shù)模型，使用 MODIS 數(shù)據(jù)對 2012 年 8 月上、中、下 3 旬的湖北省旱情狀況進行重點監(jiān)測和分析，并結合降水距平數(shù)據(jù)和土壤墑情數(shù)據(jù)對結果進行了對比分析驗證。結果表明，基于 MODIS 數(shù)據(jù)的歸一化垂直干旱指數(shù)模型在湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測中具有較好的應用效果，MODIS 數(shù)據(jù)可以很好地用于大面積區(qū)域的旱情監(jiān)測。

本文的旱情指數(shù)是在歷史庫數(shù)據(jù)的基礎上實現(xiàn)歸一化處理，充分考慮了地物歷史狀態(tài)的影響。但是 MODIS 的數(shù)據(jù)只有 10 a 的歷史，并不能完全包含地物發(fā)展的各種狀態(tài)。例如某地物所在地區(qū)在2002—2011 年都沒有發(fā)生干旱，而 2012 年發(fā)生輕微旱情，會導致該地物的狀態(tài)被誤判為極旱。隨著MODIS 數(shù)據(jù)歷史庫的積累年限越來越長，MODIS數(shù)據(jù)在旱情監(jiān)測領域的應用效果也將愈加完善。

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