胡向輝，陶建軍

（1．湖南科技大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

基于ETM+數(shù)據(jù)的旱情監(jiān)測(cè)

胡向輝1，陶建軍1

（1．湖南科技大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

以福州市及周邊地區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)該地區(qū)2002-05-26和2001-05-21的ETM數(shù)據(jù)，運(yùn)用單窗算法反演了該地區(qū)的地表溫度（LST）。與以往研究不同，在反演大氣等效平均溫度和大氣透射率時(shí)，結(jié)合了研究區(qū)內(nèi)以及周邊臺(tái)站的氣象信息，運(yùn)用ArcGIS 9．3和ENVI4．5實(shí)現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)的反演，并通過求得的LST和NDVI指數(shù)，求得干旱級(jí)別指數(shù)（TVDI），旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果和國(guó)家氣候中心所得到的結(jié)果基本一致。

單窗算法；溫度反演；TVDI ；干旱

利用遙感方法進(jìn)行土壤水分監(jiān)測(cè)的可行性研究始于20世紀(jì)60年代末[1]。目前，國(guó)內(nèi)外采用遙感技術(shù)檢測(cè)干旱的方法較多，主要集中于基于歸一化植被指數(shù)和地表溫度的干旱監(jiān)測(cè)[2],地表溫度作為此方法的重要參數(shù)之一，它的準(zhǔn)確性與否直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性[3-5]。本文為了提高反演的精度，通過對(duì)周邊氣象臺(tái)站的近地表溫度和近地表水汽壓進(jìn)行插值來求取相關(guān)參數(shù)。干旱是福建省主要的自然災(zāi)害，發(fā)生頻繁，涉及范圍大，對(duì)全省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成較大的危害[6]。目前還沒有基于遙感方法對(duì)福州市相關(guān)地區(qū)的旱情研究,所以利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)的研究有著重要意義[4-6]。由于研究區(qū)域較小，因此本文沒有利用微波遙感方法和MODIS數(shù)據(jù)來反演研究區(qū)的相關(guān)參數(shù)，綜合考慮數(shù)據(jù)的可獲取性和驗(yàn)證的可行性，本文利用2001年和2002年5月份的ETM數(shù)據(jù)，采用NDVI-LST特征空間法和單窗算法，反演了該地區(qū)的干旱情況，以期為該地防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)所處的經(jīng)緯度范圍為25．05～26．96 N，117．68～120．13 E，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和多雨，年平均氣溫為16～20℃，年平均日照時(shí)數(shù)為1 700～1 980 h，年平均降水量為900～2 100 mm[7]。福州市區(qū)所在地屬于典型的河口盆地，四周被群山峻嶺環(huán)抱，其海拔多在600～1 000 m；東有鼓山，西有旗山，南有五虎山，北有蓮花峰。境內(nèi)地勢(shì)自西向東傾斜，全市總面積12 154 km2，其中市區(qū)總面積1 786 km2[8]。研究區(qū)的主要土地類型有園地、林地水域、耕地、居民地和工礦用地以及交通用地等，為研究方便本文將土地利用類型分為水體、城鎮(zhèn)和自然表面3種類型。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所需數(shù)據(jù)主要包括2001-05-23和2002-05-26的Landsat ETM高分辨率遙感數(shù)據(jù)以及相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)是從國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)（http:// datamirror．csdb．cn/）獲得的；近地表的地面氣溫以及近地表水汽壓數(shù)據(jù)來自于福建省2001～2002年氣象資料，其中包括本站氣壓、0 cm地溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象參數(shù)；中國(guó)地面0．5°×0．5°格點(diǎn)月平均氣溫以及降水月值數(shù)據(jù)集(V2．0)是從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc．cma．gov．cn/home．do)獲得的。綜合以上數(shù)據(jù)，利用ENVI4．5、ArcGIS9．3和MatlabR2010等軟件，結(jié)合LST-NDVI特征空間法進(jìn)行分析。

2.2 原理與方法

2.2.1 反演原理

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試構(gòu)建NDVI和LST特征空間監(jiān)測(cè)旱情， Price等[9]分析了不同傳感器得到的植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)，并且與模型得到的結(jié)果進(jìn)行了比較驗(yàn)證，結(jié)果表明二者構(gòu)成的空間關(guān)系為三角形關(guān)系。從圖1可以看出，研究區(qū)域植被覆蓋類型要從完全植被覆蓋到部分覆蓋再到植被全覆蓋的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的土壤水分分布狀況應(yīng)從缺乏變化到充足，A點(diǎn)表示較高的地表溫度、無植被覆蓋的狀態(tài)，即干燥裸土；B點(diǎn)表示濕潤(rùn)裸土；C點(diǎn)表示土壤水分充足，植被全覆蓋的狀態(tài)。A、B、C三點(diǎn)組成了三角形特征空間的3種極端情況。

本文以福州市部分地區(qū)為研究區(qū)域，利用簡(jiǎn)化的NDVI-LST特征空間，反演了2001年和2002年同一時(shí)期的干旱指數(shù)，并與實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該地區(qū)旱情的監(jiān)測(cè)。圖2為反演TVDI的基本流程。

圖1 LST-NDVI三角形特征空間圖

圖2 反演TVDI基本流程圖

2.2.2 地表溫度的求取

地表溫度遙感分析通常采用普適性單通道算法和單窗算法，尤其是覃志豪的單窗算法[10]，已在許多地區(qū)得到驗(yàn)證[11]。該方法利用ETM數(shù)據(jù)的3、4以及6波段數(shù)據(jù)，借助實(shí)測(cè)大氣溫度、大氣水汽資料計(jì)算大氣平均作用溫度和大氣透射率，借助植被指數(shù)計(jì)算地表比輻射率，從而得到相對(duì)準(zhǔn)確的LST[12]。

2.2.3 大氣平均作用溫度和大氣透射率的求取

為了將氣象站點(diǎn)和ETM影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，需首先在ENVI4．5中對(duì)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的投影坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM平面投影坐標(biāo)；再將氣象臺(tái)站導(dǎo)入到ArcGIS9．3中， 并將0 cm地溫以及近地表水汽壓這2個(gè)參數(shù)的數(shù)值作為點(diǎn)數(shù)據(jù)的屬性一并導(dǎo)入。由于氣象站點(diǎn)呈離散點(diǎn)狀分布，且不完全在研究區(qū)范圍內(nèi)，因此本文采用雙調(diào)和樣條插值法進(jìn)行插值。此方法的優(yōu)勢(shì)是可在矩形覆蓋范圍自動(dòng)進(jìn)行外插，然后將插值結(jié)果導(dǎo)入到ENVI4．5軟件中，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，使其空間分辨率和遙感數(shù)據(jù)完全一致。對(duì)重采樣結(jié)果進(jìn)行空間裁剪，得到所需范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而在ENVI4．5中進(jìn)行大氣平均溫度和大氣透射率2個(gè)參數(shù)的求取。根據(jù)覃志豪單窗算法的有關(guān)條件，最終確定利用熱帶平均大氣（北緯15°年平均）處和高溫剖面水汽含量在0．4～1．6的大氣透射率估算方程來計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效平均大氣溫度和大氣透射率。公式如下：

式中，ω為水汽含量；To為地表近似溫度。

2.2.4 TVDI的反演

應(yīng)用簡(jiǎn)化的NDVI-LST三角形特征空間，并基于在NDVI-LST特征空間存在土壤濕度等值線的經(jīng)驗(yàn)，Sandholt[13]等提出了溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）的概念。TVDI只依靠圖像數(shù)據(jù)，由植被指數(shù)和地表溫度計(jì)算得到。TVDI的取值范圍為[0，1]，TVDI值越接近于1，說明干旱程度越嚴(yán)重。TVDI計(jì)算公式為：

式中，LST表示任意像元的地表溫度；LSTmin表示某一NDVI值對(duì)應(yīng)的所有地表溫度的最低值，對(duì)應(yīng)濕邊；LSTmax表示某一NDVI值的最高溫度，對(duì)應(yīng)干邊；a、b、c、d為待定系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 TVDI結(jié)果

將回歸后的LSTmax、LSTmin代入方程TVDI=（LST-LSTmin）/(LSTmax-LSTmin)得到圖像。本文采用適用于干旱半干旱地區(qū)的干旱等級(jí)劃分方法，即極濕潤(rùn)（0＜TVDI≤0．2）、濕潤(rùn)（0．2＜TVDI≤0．4）、正常（0．4＜TVDI≤0．6）、干旱（0．6＜TVDI≤0．8）、極干旱（0．8＜TVDI≤1），得到干旱等級(jí)分布如圖3所示。

圖3 2001年和2002年干旱等級(jí)分布圖

可以看出，2001年除去海域部分，大部分有植被覆蓋的地方都處于濕潤(rùn)范圍，而2002年很大一部分地區(qū)都處于干旱范圍，而據(jù)國(guó)家氣候中心統(tǒng)計(jì)[14,15]，2001年該地沒有大范圍的干旱發(fā)生，而在2002年該地卻發(fā)生了春、夏連旱的情況，從一定程度上說明該研究方法具有一定的科學(xué)性。

3.2 TVDI驗(yàn)證

本文利用濕潤(rùn)度指數(shù)對(duì)TVDI進(jìn)行驗(yàn)證，地表濕潤(rùn)度指數(shù)是指降水量與潛在蒸散量之比，能較客觀地反映某一地區(qū)的水熱平衡狀況，是判斷某一地區(qū)氣候干旱與濕潤(rùn)狀況的良好指標(biāo)。計(jì)算方法如下：

式中，R為降水量；ET為潛在蒸散量。K＜1時(shí)，表示大氣降水少于植被生理過程需水量；當(dāng)K=1時(shí),表示該區(qū)域大氣降水與植被生理需水達(dá)到平衡；當(dāng)K＞1時(shí),表示大氣降水大于植被生理過程需水量。

月潛在蒸散量為：

式中，i是月份的編號(hào)；Pi是月平均氣壓(mbar)；ti是平均氣溫（℃）；di是月的天數(shù)；Ui是在10～12 m高度處觀測(cè)的月平均風(fēng)速（m/s）；Woi是在溫度為ti時(shí)的飽和水汽壓（mmHg）；而hi是月平均相對(duì)濕度。

當(dāng)月平均溫度0℃＜t≤30℃時(shí)，wo=1．369 4×109exp(-5 328．9/(273．2+t))，其中所用到的數(shù)據(jù)是從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上獲得的，包括0．5°×0．5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2．0）中的月降水、月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)集、相關(guān)站點(diǎn)的月平均氣壓、月平均風(fēng)速以及月平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。在ArcGIS9．3中進(jìn)行重采樣、插值、柵格計(jì)算以及重分類等操作，得到濕潤(rùn)度指數(shù)分布圖。本文中導(dǎo)入了南平、古田、尤溪、永泰、德化、連江、長(zhǎng)樂7個(gè)樣點(diǎn)，分布情況如圖4所示。

圖4 2001年和2002年濕潤(rùn)度指數(shù)分布圖

圖5 2001年和2002年樣點(diǎn)相關(guān)性分析圖

然后，在ArcGIS9．3中添加等值線，可得到每個(gè)樣點(diǎn)的濕潤(rùn)度指數(shù)值。在ENVI4．5軟件中，利用像素定位和空間定位方法得到相應(yīng)樣點(diǎn)的TVDI。本文將濕潤(rùn)度指數(shù)和TVDI作相關(guān)性分析，得到結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，濕潤(rùn)度指數(shù)和TVDI大致成負(fù)相關(guān)關(guān)系，濕潤(rùn)度指數(shù)低，TVDI值較大，干旱程度較嚴(yán)重；濕潤(rùn)度指數(shù)高，TVDI值較小，干旱程度較輕。因此，本文反演的TVDI能夠較為準(zhǔn)確地反映研究區(qū)域的干濕程度，反演結(jié)果與實(shí)際情況大致相符。

4 結(jié) 語

由于遙感數(shù)據(jù)的獲取具有實(shí)時(shí)性、高空間分辨率等特征，對(duì)于一些站點(diǎn)稀疏甚至無法設(shè)立站點(diǎn)的地區(qū)實(shí)現(xiàn)干旱監(jiān)測(cè)具有很大的意義。本文所研究的僅僅是一景數(shù)據(jù)，且由于缺乏實(shí)時(shí)的土壤濕度數(shù)據(jù)，沒有更好地進(jìn)行驗(yàn)證，需要在下一步的工作中進(jìn)行深化，以期更好地為相關(guān)的決策部門提供有關(guān)旱情的科學(xué)依據(jù)。

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P237.9

B

1672-4623（2014）01-0014-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.01.005

胡向輝，碩士，主要從事遙感干旱監(jiān)測(cè)等方面的研究。

2013-05-20。

項(xiàng)目來源：湖南省社科基金資助項(xiàng)目（09YBB157）。