裘　琳，李　逵，顏春燕

(1.安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，安徽 合肥　230022； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京　100083)

?

溫度植被干旱指數(shù)在旱情監(jiān)測中的應(yīng)用*

裘琳1，李逵1，顏春燕2

(1.安徽省地質(zhì)測繪技術(shù)院，安徽 合肥230022； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京100083)

利用MODIS 8 d合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD11A2和16 d合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13A2獲取的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和陸地表面溫度(Ts)構(gòu)建NDVI-Ts特征空間，以該特征空間計算的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)作為干旱監(jiān)測的指標，反演西藏2006年、2005年、2004年3、4、5、6四個月每16 d的干旱變化狀況。利用計算的TVDI值對西藏進行干旱等級的劃分，并通過不同年份不同月份TVDI值的對比得到同一年份不同區(qū)域、同一年份不同月份以及不同年份西藏的干旱變化。以此為依據(jù)采取更有效的抗旱政策指導(dǎo)西藏進行合理的生產(chǎn)，促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。文章主要采用了線段比值法計算TVDI值，研究結(jié)果表明，利用線段比值法計算的TVDI值作為干旱監(jiān)測的指標是可行的。

歸一化植被指數(shù)；溫度植被干旱指數(shù)；溫度植被指數(shù)空間；干旱監(jiān)測；線段比值法

0　引言

陸地表面干旱指數(shù)(即溫度植被干旱指數(shù)TVDI)是基于長期觀察陸地表面溫度Ts和植被指數(shù)NDVI之間的關(guān)系而提出的。溫度植被干旱指數(shù)能夠準確地反映土壤濕度，而且利用Ts/NDVI的空間構(gòu)成來計算溫度植被干旱指數(shù)在理論計算上是簡單易行的[1]。雖然TVDI是利用衛(wèi)星信號接收的信息來計算的，但是它的可利用性潛能巨大。通過1990年Ferlo北部區(qū)域和西非半干旱的塞內(nèi)加爾的NOAA-AVHRR影像圖的分析可以看出TVDI中所反映的空間和時間的變化。將TVDI的空間分布和模擬土壤濕度的模型進行比較，模擬土壤濕度的模型是基于MIKE SHE規(guī)則的分區(qū)水文模型。TVDI空間比水文模型能夠更好地反映一個區(qū)域的濕度變化[2]。

1　數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是MODIS數(shù)據(jù)。MODIS的全稱為中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)，是搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上的一個重要的傳感器。

對西藏進行干旱監(jiān)測研究中，選擇了地表溫度數(shù)據(jù)和植被指數(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)都來自于MODIS數(shù)據(jù)，時間分別為西藏2006年、2005年、2004年各年度的3、4、5、6四個月，數(shù)據(jù)來源于Land Processes DAAC 數(shù)據(jù)中心 。本文只利用了白天地表溫度；訂購的MOD11A2的數(shù)據(jù)產(chǎn)品由于是8 d一次，因此數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括了符合條件的第65天、73天、81天、89天、97天、105天、113天、121天、129天、137天、145天、153天、161天、169天的數(shù)據(jù)。為了能將地表溫度數(shù)據(jù)Ts和歸一化植被指數(shù)NDVI這兩種數(shù)據(jù)的信息合理地對應(yīng)起來，以便找到相應(yīng)的植被指數(shù)下的最高和最低陸地表面溫度，因此選擇了符合條件的16 d一次的數(shù)據(jù)，即16 d合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13A2，時間為2006年、2005年、2004年各年度的第65天、81天、97天、113天、129天、145天、161天，對西藏不同年份的3、4、5、6四個月的干旱情況進行研究，合理評價西藏的干旱狀況。

2　理論基礎(chǔ)

線段比值法即：

TVDI=[Ts-(a1+b1×NDVI)]/[(a1′+b1′×NDVI)-(a1+b1×NDVI)]

(1)

式中：a1、a1′、b1、b1′為回歸系數(shù)。

研究發(fā)現(xiàn)地表溫度與歸一化植被指數(shù)構(gòu)成的空間關(guān)系有三角形關(guān)系和梯形關(guān)系。研究區(qū)域的植被覆蓋度和土壤水分條件變化范圍較大時，空間關(guān)系呈三角形。實際應(yīng)用中究竟采用三角形特征空間還是梯形特征空間，應(yīng)根據(jù)研究對象的植被覆蓋狀況和遙感數(shù)據(jù)的獲取方式來選擇。在早期植被覆蓋度比較低的情況下，尤其對于航空遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)采用三角形特征空間；隨著植被覆蓋度的增加，特別是對于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，宜采用梯形特征空間[3-4]。

3　數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)拼接采用的是投影變換軟件MRT，拼接起來的圖像包含了西藏地區(qū)的植被指數(shù)信息和地表溫度信息。

3.2數(shù)據(jù)裁剪

拼接之后生成了相應(yīng)的2006年、2005年、2004年65天、81天、97天、113天、129天、145天、161天的西藏地區(qū)的地表溫度數(shù)據(jù)和植被指數(shù)數(shù)據(jù)。由于Land Processes DAAC 數(shù)據(jù)中心所給的數(shù)據(jù)范圍超出了西藏地區(qū)，為了處理上的方便和快捷，加之本文只是針對西藏地區(qū)，因此需對拼接后的數(shù)據(jù)進行ENVI裁剪。在用ENVI進行裁剪時，選擇用Map裁剪，在裁剪的過程中把經(jīng)緯度都定在相同的區(qū)間，即定在西藏的經(jīng)緯度78.5°N-99°N，26.9°E-36.5°E。這樣就可以把西藏地區(qū)的植被指數(shù)數(shù)據(jù)和地表溫度數(shù)據(jù)對應(yīng)起來，形成一塊大部分都是西藏影像圖的矩形區(qū)域，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的處理。

3.3數(shù)據(jù)疊合

要找出在相應(yīng)的NDVI下最高和最低的地表溫度，需要將地表溫度數(shù)據(jù)和植被指數(shù)數(shù)據(jù)更精確的對應(yīng)起來進行數(shù)據(jù)疊合。由于在上一步的數(shù)據(jù)裁剪中已經(jīng)將地表溫度數(shù)據(jù)和植被指數(shù)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度都定在相同的范圍，因此可以利用ENVI軟件中的主菜單Basic Tools下拉菜單中的Layer Stacking有效地實現(xiàn)圖形疊合，這樣就可以方便地將兩幅圖對應(yīng)起來，以便尋找在相同的NDVI下的最高、最低陸地表面溫度。

4　MATLAB程序語言生成TVDI空間圖像

具體計算TVDI值的線段比值法是通過MATLAB軟件編程來實現(xiàn)的。利用式(1)計算，得到2006年、2005年、2004年65天、81天、97天、113天、129天、145天、161天的TVDI值進行分析。

5　結(jié)果分析

利用線段比值法計算得到的TVDI空間影像圖所反映的數(shù)據(jù)信息為TVDI值，即溫度植被干旱指數(shù)。TVDI值位于0-1之間。TVDI值越大，說明該地區(qū)越干旱，TVDI空間影像圖越亮；TVDI值越小，則說明該地區(qū)越濕潤，TVDI空間影像圖越暗。以TVDI值作為干旱分級指標，可將西藏干旱程度劃分為5級，分別是：極濕潤(0

本文用于對比分析的TVDI空間影像圖，由于訂購數(shù)據(jù)時范圍只能由經(jīng)緯度來決定，因此不可避免的包含了少部分其它地區(qū)如新疆、青海以及中國境外的區(qū)域(數(shù)據(jù)訂購本身的缺陷)。本文只研究西藏地區(qū)，沒有對其它的區(qū)域進行對比分析。

5.1同一時間不同區(qū)域干旱對比

同一時間不同區(qū)域的干旱對比灰度圖，如圖1(a)、(b)所示(以2006年、2005年65天圖像為例)。

圖1　2006年、2005年65天TVDI空間影像圖Fig.1　Spatial images of TVDI on 65 days in 2006 and 2005

偽彩色圖，如圖2(a)、(b)所示。

圖2　2006年、2005年65天TVDI偽彩色影像圖Fig.2　Pseudo color images of TVDI on 65 days in 2006 and 2005

通過ENVI軟件可以方便地查看任意地區(qū)的TVDI值，圖2中紅色區(qū)域為極濕潤地區(qū)，可以看出西藏極濕潤地區(qū)幾乎沒有，而在圖中出現(xiàn)的紅色則屬于中國境外的地區(qū)，不屬于西藏。圖中紫色區(qū)域其TVDI值一般超過了0.8，屬于干旱地區(qū)，但是，這里的紫色區(qū)域已經(jīng)超出了西藏的邊界，沒有研究意義。從TVDI空間影像圖所反映的結(jié)果來看，西藏大部分地區(qū)都屬于半濕潤半干旱地區(qū)，總的來說，西藏呈現(xiàn)出由東南向西北變化的帶狀更替，即：濕潤─半濕潤─半干旱─干旱。西藏地區(qū)氣候區(qū)域大致分為4個，分別為西藏北部、阿里地區(qū)、西藏東南部、西藏中部。

西藏北部年平均降水量在320～460 mm，最大年降水量達到685 mm，最小年降水量為176 mm，降水主要集中在每年的5～9月，雨季開始一般在6月初。藏北地區(qū)年平均氣溫-2.8 ℃～1.7 ℃。由TVDI影像圖可以看出，藏北區(qū)域的TVDI值一般集中在0.4-0.6之間，因此該區(qū)域?qū)儆诎霛駶檯^(qū)。

由TVDI空間影像圖可以看出，阿里地區(qū)的TVDI值一般集中在0.6-0.8之間，因此該區(qū)域?qū)儆诎敫珊祬^(qū)。

西藏東南部空氣相對濕度為70%～80%。由TVDI空間影像圖可以看出，西藏東南部地區(qū)的TVDI值一般集中在0.2-0.4之間，因此該區(qū)域?qū)儆跐駶檯^(qū)，是西藏最濕潤的地區(qū)。 與該區(qū)的實際情況相吻合。

西藏中部晝夜溫差較大，冬干春旱較明顯。由TVDI影像圖可以看出，西藏中部地區(qū)的TVDI值一般集中在0.6-0.8之間，因此該區(qū)域?qū)儆诎敫珊祬^(qū)。

從前文分析可以看出：由TVDI值將西藏分為不同的干旱等級是可行的，且與實際情況一致，因而間接反映了利用線段比值法進行干旱監(jiān)測的可行性。

5.2同一年份不同時間干旱對比

同一年份不同時間的干旱對比灰度圖如圖3(a)-(g)所示(以2005年65天、81天、97天、113天、129天、145天、161天圖像為例)。

圖3　2005年65天、81天、97天、113天、129天、145天、161天TVDI空間影像圖Fig.3　Sptial images of TVDI on 65 days,81 days,97 days,113 days,129 days,145 days,161 days in 2005

偽彩色圖，如圖4(a)-(g)所示。

由圖3、圖4可以看出：這幾個月的干旱變化不明顯，圖像的顏色變化不大，雖然圖像顏色變化不明顯，但是由ENVI軟件查看TVDI空間影像圖的實際數(shù)值信息，可以看出它們的數(shù)值存在微小變化。由圖像的數(shù)據(jù)信息即TVDI值的大小可以得出：隨著天數(shù)的增加，藏北一線、阿里地區(qū)、西藏東南部干旱級別也在增加，西藏中部在3、4、5三個月內(nèi)幾乎沒有變化，只在6月份時圖像的紫色和黃色區(qū)域明顯增多，說明6月份西藏的TVDI值較大，西藏整個區(qū)域都比以前干旱。4月比3月干旱，5月比4月干旱，6月比5月干旱，但這只是小幅度的增加，TVDI值稍有變大。雖然3、4、5、6四個月的干旱有少許遞增的傾向，但并不能依此類推7、8…月份的干旱級別也會隨著增加。根據(jù)西藏的實際情況，每年從7月份開始，西藏的干旱狀況將大大減輕，因為西藏的雨季一般都出現(xiàn)在7、8、9月份，由于下載的數(shù)據(jù)量的限制，本文沒能制作西藏7、8、9月份的溫度植被干旱指數(shù)圖像，否則將能看出圖像顏色的顯著變化。

5.3不同年份干旱對比

不同年份的干旱對比灰度圖，如圖5(a)-(f)所示(以2004年、2005年和2006年65天、81天圖像為例)。

偽彩色圖，如圖6(a)-(f)所示。

由圖5、圖6可以看出不同年份西藏的干旱變化狀況：2005年的圖像中黃色和紫色區(qū)域最多，因而2005年最干旱；而2006年藍色區(qū)域最多，黃色部分較少，因而2006年最濕潤，這與2006年的降水量有密切的關(guān)系；2004年的干旱狀況介于前二者之間，可以用ENVI軟件方便地查看圖像所反映的TVDI值。由TVDI空間影像圖也可以得出：2005年的TVDI值最大，2006年的TVDI值最小，而2004年的TVDI值介于前二者之間，這與黑白圖像所反映的明亮度的信息是一致的。雖然西藏2006年的干旱狀況有所緩解，但這主要是由降水量所影響的，有關(guān)資料顯示，2006年這4個月的降水量明顯比往年多出許多，由此可以看出西藏的干旱狀況并沒有緩解，由西藏2004-2006年的降雨量及土壤濕度的信息可知，本文得出的結(jié)果是正確的。

6　結(jié)論

本文利用了MODIS 8 d合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD11A2和16 d合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD13A2獲取的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和陸地表面溫度(Ts)構(gòu)建NDVI-Ts特征空間。受該特征空間在干旱監(jiān)測中原理的啟發(fā)，以此特征空間為理論基礎(chǔ)，采用了線段比值法計算溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)，TVDI值的大小可以反映不同的干旱等級，TVDI值介于0-1之間：TVDI值越大，則干旱越嚴重，在TVDI空間影像圖中則亮度越大；TVDI值越小，則氣候越濕潤，在TVDI空間影像圖中則亮度越小，但有的時候干旱差別不是很大，即圖像的明亮度差別不明顯時，可以通過ENVI軟件直接讀取該地區(qū)的TVDI值，從而得出微小的干旱差別。通過分析，本文得出了西藏的同一年份不同區(qū)域、同一年份不同時間以及不同年份的干旱變化。將這些結(jié)果與西藏實際的降雨量和土壤濕度及實際氣候狀況對比，說明利用線段比值法計算得出的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)在干旱監(jiān)測中是可行的，且具有一定的實際應(yīng)用價值。

[1]齊述華，李貴才，王長耀，等.利用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行全國干旱監(jiān)測的研究[J].水科學(xué)進展，2005，16(1)：56-61.

[2]李紅軍，李春強，鄭力，等.大范圍旱情遙感監(jiān)測的分帶計算[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2006，21(2)：137-141.

[3]姚春生，張增祥，王瀟.使用溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)反演新疆土壤濕度[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2004，19(6)：473-478.

[4]韓麗娟，王鵬新，王錦地，等.植被指數(shù)-地表溫度構(gòu)成的特征空間研究[J].中國科學(xué)D輯：地球科學(xué)，2005，35(4)：371-377.

[5]李正國，王仰麟，吳健生，等.基于TVDI的黃土高原地表干燥度與土地利用的關(guān)系研究[J].地理研究，2006，25(5)：913-921.

Application of Temperature Vegetation Drought Index in Drought Monitoring

QIU Lin1，LI Kui1，YAN Chun-yan2

(1.Auhui Institute of Geological Surveying and Mapping，Hefei Anhui 230022，China；2.China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

8-day composite MODIS temperature product MOD11A2 and 16-day composite MODIS NDVI product MOD13A2 were combined to construct NDVI-Ts space from which the TVDI(Temperature Vegetation Drought Index)was obtained.Every 16-day drought situation in March，April，May and June 2006，2005 and 2004 in Tibet was retrieved by using the TVDI.Tibet was separated into different drought level by using the TVDI.And the drought variational situation of Tibet in different months and years were obtained.On the basic of the results,the administration can adopt the policy of drought resistance to guide the production in Tibet,and promote the sustainable development of economic society.In this paper,the line segment ratio method is mainly adopted.The results of the research suggest that it is feasible to take TVDI calculated by using line segment ratio method as the index of drought monitoring.

NDVI；TVDI；NDVI-Ts index space；drought monitoring；line segment ratio method

圖5　2004年、2005年和2006年65天、81天TVDI空間影像圖Fig.5　Spatial images of TVDI on 65 days,81 days in 2004,2005 and 2006

圖6　2004年、2005年和2006年65天、81天TVDI偽彩色影像圖Fig.6　Pseudo color images of TVDI on 65 days,81 days in 2004,2005 and 2006

2016-06-08

TP 79

A

1007-9394(2016)03-0001-04

裘琳(1984～)，女，江蘇盱眙人，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)勘查方面的工作。