吳 黎

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 遙感技術(shù)中心, 哈爾濱 150086)

基于MODIS數(shù)據(jù)溫度植被干旱指數(shù)干旱監(jiān)測指標的等級劃分

吳 黎

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院 遙感技術(shù)中心, 哈爾濱 150086)

采用2000—2014年每年6—9月的黑龍江省MODIS數(shù)據(jù)，計算溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)。以過去15 a的全省40個旱作農(nóng)業(yè)站點以旬為單位的土壤相對濕度為研究對象，與MODIS數(shù)據(jù)得到的TVDI相對應(yīng)，根據(jù)土壤相對濕度的農(nóng)業(yè)干旱等級劃分標準，制定TVDI的干旱監(jiān)測等級。結(jié)果顯示：TVDI被分為5個等級，TVDI<0.46為無旱，TVDI在0.46～0.57為輕旱，TVDI在0.57～0.76為中旱，TVDI在0.76～0.86為重旱，TVDI≥0.86為特旱。利用2011年實地測取土壤相對濕度數(shù)據(jù)對該等級進行驗證，結(jié)果表明，驗證結(jié)果準確度達到83%。證實了該等級劃分結(jié)果的準確性。

溫度植被干旱指數(shù); MODIS; 干旱; 等級劃分; 黑龍江省

黑龍江省是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，旱災一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要自然災害之一，全省正常干旱年份內(nèi)易旱面積占總播種面積的40%左右，年平均降水量約530 mm，但由于年內(nèi)降水分配不均，這也是造成干旱的主要原因。另外，省內(nèi)土壤大部分土質(zhì)粘重，透水不良，有的土壤類型容水量低、風蝕嚴重，這些均為干旱發(fā)生提供條件。再加上省內(nèi)地下水埋藏較深，補給量不穩(wěn)定，淺層地下水含量少，也易于發(fā)生干旱。土壤水分是監(jiān)測土壤旱情的重要指標，研究者大都從土壤水分入手來監(jiān)測土壤干旱情況。在研究方法上，國內(nèi)一般利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、植被條件指數(shù)(VCI)、溫度條件指數(shù)(TCI)、作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)、溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)等指數(shù)中的一種指數(shù)作為旱情監(jiān)測的指標。毛學森等[1]發(fā)現(xiàn)冬小麥在受到水分脅迫時NDVI對土壤水分的反應(yīng)具有一定的滯后性，所以將地表溫度和植被指數(shù)聯(lián)合起來監(jiān)測土壤水分效果更好。

眾多研究表明TVDI與土壤水分有較高的相關(guān)性，如韓麗娟等[2]詳細解釋了NDVI-Ts構(gòu)成的空間，并用蒸散和溫度植被干旱指數(shù)解釋了NDVI-Ts特征空間的內(nèi)涵；劉良云等[3]利用兩者關(guān)系對地物進行分類，提取了植被覆蓋和土壤水分的信息；姚春生等[4]利用MODIS數(shù)據(jù)得到的TVDI反演了新疆地區(qū)2個月的土壤水分；王鵬新等[5]在NDVI-Ts構(gòu)成的三角形空間和TVDI的基礎(chǔ)上，提出了條件植被溫度指數(shù)(VTCI)模型監(jiān)測土壤水分和干旱。齊述華等[6]利用不同時相的NDVI-TS特征空間對全國進行了旱情監(jiān)測，結(jié)果表明，TVDI與土壤濕度顯著相關(guān)，用來大范圍評價旱情是合理的。監(jiān)測中提到以TVDI作為旱情分級指標，將旱情劃分5級，按TVDI值(0～1間)平均分配。莫偉華等[7]采用VSWI法作為農(nóng)地的干旱指標，并根據(jù)典型代表區(qū)的平均VSWI值劃分旱情等級，評估了研究區(qū)的干旱情況。范遼生等[8]推導出利用TVDI和干、濕邊土壤水分計算土壤含水量的方程，利用方程反演了杭州市伏旱期間土壤表層的相對濕度，結(jié)果表明反演值和實測值之間的平均絕對誤差較小。該研究雖支持了TVDI法反演土壤相對水分，但并沒有劃分相應(yīng)的土壤干旱等級，即TVDI土壤干旱等級劃分標準沒有量化，想要快速、準確地分析土壤干旱及旱災情況仍需大量的研究工作。研究TVDI與土壤水分相關(guān)性文獻很多，且大都是找到TVDI與土壤水分的關(guān)系模型，然后按照土壤水分值的干旱等級劃分將TVDI再進行分等定級，或者直接將TVDI值平均劃分作為干旱等級劃分的標準。在TVDI與土壤水分關(guān)系模型構(gòu)建中會存在系統(tǒng)和人為誤差。

本研究以黑龍江省15年40個市縣氣象觀測站點觀測的旱作農(nóng)業(yè)樣點為研究對象，利用MODIS數(shù)據(jù)和土壤相對濕度觀測資料，采取“天基”與“地基”相結(jié)合的方式，以《氣象干旱等級》[9](GB/T20481—2006)為依托，提出溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)遙感干旱監(jiān)測指標的干旱等級，旨在深化研究這種近實時定量化的干旱監(jiān)測方法，補充以TVDI值平均分配的方法作為農(nóng)地旱情指標的不足，進一步加強該方法監(jiān)測土壤旱情的精度。

1 材料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

40個氣象站點分布情況見圖1。采用2000—2014年每年6—9月以旬為時間單位的氣象站點觀測數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集中包括土壤10，20，50，70，100 cm深度的土壤相對濕度數(shù)據(jù)。

1.2 遙感數(shù)據(jù)

本研究利用MODIS標準產(chǎn)品中的16 d合成的植被指數(shù)MOD13 A2，8 d合成的地表溫度MOD11 A2數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時間與氣象數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，計算同時期同地點的土壤相對濕度相對應(yīng)的TVDI值。計算TVDI時，需將NDVI及Ts數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一獲取時間段內(nèi)，因此將臨近的兩個8 d合成的MOD11 A2數(shù)據(jù)以最大值法合成16 d的MOD11 A2數(shù)據(jù)。

圖1氣象站監(jiān)測點分布

遙感數(shù)據(jù)獲取后，利用Modis Tool工具進行圖幅投影變換，在ID/ENVI環(huán)境中，分別對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行圖幅拼接、研究區(qū)裁剪及數(shù)據(jù)合成，其次以0.01的NDVI閾值為步長構(gòu)建NDVI-Ts特征空間模型并同時計算TVDI。最后利用MCD12 Q1土地覆蓋類型產(chǎn)品提取農(nóng)用地，利用ENVI的掩膜技術(shù)，將黑龍江省內(nèi)非農(nóng)用地區(qū)域進行過濾處理。

1.3 研究方法

1.3.1 TVDI模型法 國內(nèi)外學者研究了各種空間尺度和時間分辨率的植被指數(shù)和地表溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)NDVI和Ts之間存在明顯的負相關(guān)關(guān)系。主要原因是植被受到水分脅迫時下墊面溫度會急劇升高。Price等[10]分析了不同衛(wèi)星傳感器得到的NDVI和Ts數(shù)據(jù)，認為NDVI和Ts構(gòu)成的散點圖呈三角形；Nemani等[11]從理論上分析認為地表溫度和植被指數(shù)之間應(yīng)為梯形關(guān)系；Moran等[12]加入空氣溫度數(shù)據(jù)，通過建立植被覆蓋度和植被指數(shù)之間的線性關(guān)系，定義了植被指數(shù)溫度梯形圖。

Sandholt等[13]在植被指數(shù)—地表溫度特征空間時發(fā)現(xiàn)了很多條直線，據(jù)此提出了溫度植被干旱指數(shù)TVDI監(jiān)測地表濕度狀況，計算公式為：

(1)

式中：Ts為地表溫度；Tsmin為相同NDVI條件下的最小地表溫度,對應(yīng)NDVI—Ts特征空間的濕邊；Tsmax為相同NDVI條件下的最大地表溫度,對應(yīng)NDVI-Ts特征空間的干邊。在干邊上TVDI=1，在濕邊上TVDI=0。對于每個像元，利用NDVI確定Tsmax，根據(jù)T在Ts/NDVI梯形中的位置，計算TVDI。當TVDI越大時，土壤濕度就越小；TVDI越小時，土壤濕度越大。在估計參數(shù)時，要求研究區(qū)域的范圍足夠大，地表覆蓋從裸土變化到比較稠密的植被覆蓋，土壤表層含水量從干枯含水量變化到田間持水量。

Moran等[14]在NDVI—Ts特征空間呈梯形的基礎(chǔ)上，計算梯形模型4個頂點坐標的研究結(jié)果表明，梯形特征空間中最低溫度隨植被覆蓋度大小而不同。因此可將特征空間簡化處理為三角形模型，并同時對Tsmax和Tsmin進行線性擬合。方程式為：

Tsmax=a1+b1×NDVI

(2)

Tsmin=a2+b2×NDVI

(3)

代入公式(1)

(4)

式中：a1，a2，b1，b2為擬合方程系數(shù)。

1.3.2 氣象干旱等級 《氣象干旱等級》中規(guī)定土壤相對濕度即土壤實際含水量占土壤田間持水量的比值，以百分率(%)表示。其等級劃分見表1。

表1 土壤相對濕度干旱等級劃分

1.3.3 等級劃分理論

(5)

(2) DX未知時EX的置信區(qū)間。設(shè)X服從正態(tài)分布N(μ，σ(2)，其中方差σ2未知，則總體均值μ的置信度為1-α的置信區(qū)間為：

(6)

在本研究中我們?nèi)≈眯艆^(qū)間的上限作為TVDI干旱等級的劃分界限，那么當正態(tài)總體σ2未知時，其均值μ的單產(chǎn)置信上限為：

(7)

1.3.4 TVDI干旱監(jiān)測指標的分級方法 將由MODIS數(shù)據(jù)獲取的每年6月上旬到9月下旬全省40個旱作農(nóng)業(yè)站點對應(yīng)的TVDI值與實際土壤相對濕度數(shù)據(jù)相對應(yīng)，按照土壤相對濕度的干旱等級劃分標準將TVDI值一一落在相應(yīng)的分級區(qū)域內(nèi)，即某一像素按照某已知土壤相對濕度劃分為中旱時，則將該像素的TVDI值劃分到中旱這一等級。最后對每一等級的TVDI值進行統(tǒng)計分析，包括樣本容量，樣本、樣本均值、樣本標準差、抽樣平均誤差、置信度、自由度、允許誤差等。在統(tǒng)計分析中取α為0.05，則計算參數(shù)的置信度為0.95的置信區(qū)間。

1.3.5 地面數(shù)據(jù)采集方法 2011年作者參加國防科工局重大專項科研項目子項目的工作，工作中從6月份到9月份監(jiān)測肇東市和賓縣土壤水分。選取1 000 m×1 000 m的樣方區(qū)域，每個區(qū)域選取5個點測10 cm，20 cm,30 cm,40 cm,50 cm土層深度的土壤水分(即A，B，C，D，E點)。本年4月中旬分別在兩個地區(qū)的每個樣方區(qū)內(nèi)取土樣回實驗室測取每個樣區(qū)土壤的田間持水量，將該數(shù)據(jù)與每次測得的土壤水分數(shù)據(jù)相運算，得到每次每個樣方的土壤相對濕度數(shù)據(jù)。

注：遙感影像反演土壤水分分辨率為1 000 m，因此地面樣方采取1 000 m×1 000 m范圍大小，為提高地面測量精度，在每個樣區(qū)內(nèi)均勻選取5個點測量土壤水，并用均值代表該樣區(qū)的土壤水分值。下圖同。

圖2賓縣實地測量土壤水分監(jiān)測點

圖3肇東市實地測量土壤水分監(jiān)測點

2 結(jié)果與分析

2.1 TVDI干旱等級劃分

TVDI值在0～1，其值與土壤相對濕度呈負相關(guān)性，當TVDI值越小時，表示土壤相對濕度越大，相反當TVDI值越大時，表示土壤相對濕度越小。根據(jù)土壤相對濕度指數(shù)的干旱等級劃分標準，先確定TVDI無旱和干旱的劃分標準，應(yīng)用單側(cè)置信區(qū)間的原理，計算得到無旱這一級別置信區(qū)間上限，即從0到該置信區(qū)間上限均為無旱標準。

在輕旱和中旱劃分中，同樣利用單側(cè)置信區(qū)間理論，計算輕旱這一級別的置信區(qū)間上限，該上限值即為中旱的下限值，同樣的方法找到中旱和重旱及重旱和特旱的分界值。TVDI被分為無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱5個等級，TVDI量化指標的綜合分析結(jié)果見表2。

表2 TVDI量化指標的綜合分析

在特旱的等級劃分中，由于土壤相對濕度數(shù)據(jù)符合特旱等級的非常少，因此不單獨對該等級進行TVDI的等級劃分，用劃分重旱的上限作為特旱的下限，TVDI值的最大值1作為特旱的置信度上限。TVDI干旱等級劃分標準見表3。

表3 溫度植被干旱指數(shù)干旱等級劃分標準

2.2 TVDI干旱等級劃分的驗證

2.2.1 實地數(shù)據(jù)驗證結(jié)果 將實地監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷的土壤干旱情況與TVDI值判斷的土壤干旱情況進行對比，確定TVDI干旱等級劃分的精度，隨機抽取30個數(shù)據(jù)做對比(表4)，結(jié)果表明TVDI干旱等級劃分標準的準確率達到83%，證明了TVDI可有效監(jiān)測干旱情況，其等級劃分標準準確度高。

2.2.2 驗證結(jié)果與分析

(1) 在分析中發(fā)現(xiàn)TVDI干旱等級劃分的臨界點值附近TVDI劃分標準與實際標準存在偏差。如土壤相對濕度數(shù)據(jù)為30.96%，嚴格按照農(nóng)業(yè)干旱等級分類屬于重旱，而TVDI的重旱與中旱的臨界值為0.76，此時該點對應(yīng)的TVDI值為0.75屬于中旱等級，雖然TVDI值相差很小，但卻歸屬于不同的干旱級別，因此雖然TVDI干旱等級劃分標準整體精度較高，但在分界臨界值的位置上還是存在小出入，待后期通過收集更多臨界值附近的干旱數(shù)據(jù)完善解決這一問題。

表4 實測土壤相對濕度數(shù)據(jù)與TVDI干旱等級劃分對比結(jié)果

(2) 遙感數(shù)據(jù)受云影響使得TVDI分級結(jié)果與實際結(jié)果出入較大。從表4中可看出，有的土壤相對濕度較大，而TVDI值也較大，干旱情況完全相反，這是由于遙感數(shù)據(jù)有云的干擾，由于降雨土壤相對濕度較大，受云干擾此時遙感圖像反演的并不是真實的陸面情況，云層較厚時，NDVI值較小，Ts值較大，Ts/NDVI建模反演TVDI值偏大。云是遙感數(shù)據(jù)處理的難題，薄云可做大氣校正簡單處理，厚云只能將云覆蓋的區(qū)域掩膜掉，不做TVDI分析使用。

2.2.3 監(jiān)測結(jié)果 根據(jù)表3干旱等級的劃分標準，對多年以來以旬為單位的干旱監(jiān)測結(jié)果進行分級，分別以不同灰度顯示不同的等級。2011年監(jiān)測結(jié)果見附圖4，據(jù)氣象部門統(tǒng)計，6月份開始，我省在齊齊哈爾部分縣市如肇州、呼蘭、鐵力等8個縣市土壤相對濕度在60%以下，土壤出現(xiàn)旱情，且隨著降雨的推遲，偏旱的縣市也不斷增加，6月份省內(nèi)氣象部門土壤水分監(jiān)測公報顯示西部出現(xiàn)旱區(qū)，需密切注意土壤墑情變化，做好抗旱準備工作。6月末7月初，我省部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的降雨，佳木斯部分地區(qū)及黑河市、鶴崗市、雙鴨山市的降雨量10～29 mm，截至7月13日，黑河大部、綏化東北部、三江平原部分市縣及呼瑪、克山、訥河、富裕、龍江、東寧等共31個縣市土壤墑情正常。8月11日氣象監(jiān)測站顯示土壤略有旱象，主要分布在松嫩平原東部、三江平原的中部和東部；黑河南部、齊齊哈爾部分地區(qū)、鶴崗西部及林甸、慶安、肇州、東寧、樺川共有14個縣市的土壤出現(xiàn)旱象，其他地區(qū)墑情正常。截至8月末，表層土壤分析我省大部分土壤墑情比較好，旱象范圍不大，程度均較輕，對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成影響不大，各地長勢良好。TVDI等級劃分結(jié)果與實際氣象部門監(jiān)測結(jié)果相同，因此證明TVDI監(jiān)測大面積土壤干旱方法可行，其TVDI的干旱等級劃分標準也具有可行性。

3 結(jié) 論

根據(jù)土壤相對濕度干旱等級劃分標準將TVDI分級，對一級別內(nèi)的TVDI值進行統(tǒng)計分析，計算分析每一劃分等級中TVDI的置信區(qū)間。分析結(jié)果將TVDI分為5個級別：0

根據(jù)TVDI的等級劃分標準，2011年在肇東市、賓縣兩個樣縣內(nèi)設(shè)立監(jiān)測區(qū)，分別在6月8日、6月27日、8月11日、8月28日、9月14日5個時間段內(nèi)實地測取土壤相對濕度數(shù)據(jù)確定干旱分級情況，與相應(yīng)的TVDI值確定的干旱分級情況相比對，結(jié)果表明相一致，證實了TVDI分級的準確性，其準確度達到83%。

利用TVDI的干旱等級劃分標準，對黑龍江省2011年6—9月的農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生情況進行了監(jiān)測并與氣象部門監(jiān)測進行驗證。從區(qū)域分布上，松嫩平原比三江平原地區(qū)旱情發(fā)生嚴重，松嫩平原西部較東部嚴重；從時間分布上，6月份最為嚴重，7—8月份有所緩解，8月末9月初出現(xiàn)較輕旱情。

因此利用TVDI指導生產(chǎn)具備一定的可行性。未來可進一步將該方法與監(jiān)測作物長勢相結(jié)合，共同監(jiān)測作物生長狀況及估產(chǎn)研究。

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ClassificationofDroughtGradesBasedonTemperatureVegetationDroughtIndexUsingtheMODISData

WU Li

(RemoteSensingTechniqueCenter,HeilongjiangAcademyofAgriculturalSciences,Harbin150086,China)

MODIS data from June to September were used to calculate temperature vegetation drought index (TVDI). We selected TVDI data of 40 dry farming sites as the research objects which is in ten days as a unit of TVDI over the past 15 years. According to the agricultural drought grade division standard of soil relative humidity, TVDI drought monitoring level was set. The results show that the TVDI can be divided into 5 levels. TVDI<0.46 for no drought，TVDI between 0.46 to 0.57 for the light drought，TVDI between 0.57～0.76 for the middle drought, 0.76～0.86 in the TVDI for the heavy drought, TVDI≥0.86 for the special drought. Meanwhile, the agricultural drought grade division standard was verified by the soil relative humidity data of field survey in 2011. Results showed that the accuracy of the verified results reached to 83%, which demonstrates that the classification of TVDI is suitable and practical.

temperature vegetation drought index; MODIS; drought; classification of grades; Heilongjiang Province

2016-5-10

：2016-05-20

哈爾濱市科學技術(shù)局青年后備人才項目(2014RFQYJ108);國防科工局重大專項科研項目子項目(E0201/1112-2)

吳黎(1983—),女,黑龍江巴彥人,助理研究員,主要從事農(nóng)業(yè)遙感與應(yīng)用研究。E-mail:aromawu@163.com

S423

：A

：1005-3409(2017)03-0130-06