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        基于LAI-Ts特征空間的河南省冬小麥返青?成熟期旱情監(jiān)測?

        2018-03-19 05:18:57英,岳輝,張鋒,楊
        中國農(nóng)業(yè)氣象 2018年2期
        關(guān)鍵詞:特征

        劉 英,岳 輝,張 鋒,楊 坤

        (西安科技大學(xué)測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710054)

        遙感技術(shù)因其具有監(jiān)測范圍廣、多時相、快速、動態(tài)等特點,近年來已成為旱情監(jiān)測的主要手段[1-2]。旱情遙感監(jiān)測的方法主要有熱慣量法、植被供水指數(shù)法、微波法、溫度植被干旱指數(shù)法(Temperature Vegetation Dryness Index,簡稱 TVDI)等,其中 TVDI因綜合考慮了研究區(qū)植被狀況和溫度條件而被廣泛采用。國際上,Sandholt等[3]利用簡化的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,簡稱NDVI)和地表溫度(Land surface temperature,簡稱Ts)構(gòu)成的特征空間,提出了TVDI計算公式;Naira等[4]指出基于NDVI-Ts特征空間的TVDI能夠描述土壤水分時空變化;Patel等[5]指出TVDI與土壤濕度之間存在明顯的負相關(guān)關(guān)系;Dhorde等[6]指出在干旱條件下稀疏植被的 TVDI與葉面積指數(shù)(Leaf area index,簡稱 LAI)呈顯著的負相關(guān)關(guān)系;Cao等[7]利用中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution imaging spectroradiometer,簡稱MODIS)數(shù)據(jù),基于 NDVI-Ts三角形特征空間的 TVDI監(jiān)測了蒙古高原土壤濕度狀況;Zhang等[8]利用MODIS等數(shù)據(jù)計算了垂直植被干旱指數(shù)、TVDI、降雨狀態(tài)指數(shù)等,并利用這些指數(shù)監(jiān)測了美國大陸的干旱狀況,指出氣象干旱指數(shù)得出的美國大陸嚴重干旱等級面積比例大于農(nóng)業(yè)干旱指數(shù),且在不同氣象條件下各指數(shù)在監(jiān)測旱情方面各有利弊。

        國內(nèi),沈潤平等[9]以利用MODIS數(shù)據(jù)提取的植被狀態(tài)指數(shù)、溫度狀態(tài)指數(shù)和土地覆蓋類型等多個遙感及土壤資料提取的干旱因子為自變量,以氣象站點的綜合氣象干旱指數(shù)為因變量,利用隨機森林模型構(gòu)建遙感干旱監(jiān)測模型,結(jié)果表明該模型能較好地應(yīng)用于監(jiān)測區(qū)域旱情監(jiān)測;薄燕飛等[10]利用MODIS數(shù)據(jù),基于增強型植被指數(shù)EVI(Enhanced Vegetation Index)-Ts特征空間計算TVDI,指出TVDI能監(jiān)測河北省旱情;王鶯等[11]利用MODIS數(shù)據(jù),基于 EVI-Ts特征空間計算 TVDI,分析了廣東省 2011年旱情分布狀況,指出廣東省冬旱非常嚴重;孫麗等[12]基于NDVI-Ts特征空間建立TVDI,并結(jié)合降水量距平指數(shù),構(gòu)建了綜合干旱監(jiān)測指數(shù),并對武陵山區(qū)旱情進行了監(jiān)測,指出該指數(shù)比TVDI更具有穩(wěn)定性。隨欣欣等[13]基于MODIS LAI-Ts特征空間,構(gòu)建溫度-葉面積干旱指數(shù)(Temperature LAI drought index,簡稱TLDI)監(jiān)測農(nóng)田水分含量,指出TLDI彌補了TVDI在NDVI達到飽和后監(jiān)測精度降低的缺陷。

        相關(guān)學(xué)者利用 TVDI進行旱情監(jiān)測時基本都依賴于NDVI-Ts和EVI-Ts特征空間,涉及其它植被指數(shù)的研究并不常見,隨欣欣等[13]指出基于LAI-Ts特征空間的TLDI適用于NDVI達到飽和后的農(nóng)田旱情監(jiān)測。但在植被覆蓋度較低時,NDVI尚未達到飽和時是否也可用LAI-Ts特征空間代替NDVI-Ts特征空間有待驗證。本研究旨在探索當(dāng) NDVI未達到飽和時,LAI能否代替NDVI及基于LAI-Ts特征空間的溫度-葉面積干旱指數(shù)(Temperature LAI drought index,簡稱TLDI)能否用于旱情監(jiān)測,并利用實地觀測土壤濕度數(shù)據(jù)驗證該指數(shù)的監(jiān)測精度。進一步以TLDI為旱情監(jiān)測指標(biāo),分析評估2000年、2005年、2010年和2015年2月26日-6月1日河南省干旱的時空分布特征和規(guī)律,以期為研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防旱避災(zāi)提供參考依據(jù)。

        1 資料與方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

        MODIS/Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)下載于美國NASA網(wǎng)站(http://revert.echo.nnsn.gov/revert/),獲取河南省2000、2005、2010年和2015年2月26日-6月1日的葉面積指數(shù)(LAI)和光合有效輻射 8d合成數(shù)據(jù)集MOD15A2和8d合成地表溫度(Ts)/發(fā)射率數(shù)據(jù)集MOD11A2,數(shù)據(jù)分辨率為1km。實測土壤濕度數(shù)據(jù)來自于中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的中國農(nóng)作物生長發(fā)育狀況資料數(shù)據(jù)集,從該數(shù)據(jù)集中提取河南省17個氣象站點2000、2005、2010和2015年2月26日-6月1日每月8、18和28日的10cm實測土壤濕度數(shù)據(jù)。研究區(qū)及站點分布見圖1。

        圖1 研究區(qū)及站點分布Fig. 1 The location of meteorological stations in Henan province

        從MOD15A2、MOD11A2中分別提取河南省8d合成 LAI和 Ts數(shù)據(jù),利用最大化合成法將 LAI和Ts進行 16d合成,獲得 2000、2005、2010和 2015年2月26日-6月1日每16d合成LAI和Ts數(shù)據(jù);以0.01為步長,利用JAVA語言編程提取研究區(qū)每個LAI對應(yīng)的最高地表溫度(Tsmax)、最低地表溫度(Tsmin)。

        1.2 研究方法

        Sandholt等[3]2002年研究認為,在 NDVI-Ts三角形特征空間中,土壤含水量最低、干旱程度最嚴重的邊界為特征空間的干邊,土壤含水量高、干旱程度最輕的邊界為特征空間的濕邊,并提出由NDVI-Ts特征空間計算溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)的表達式,即

        式中,TVDI為溫度植被干旱指數(shù);Ts為任意像元地表溫度(K);Tsmax為某一 NDVI對應(yīng)的最大地表溫度,對應(yīng)NDVI-Ts特征空間的干邊;Tsmin為某一NDVI的對應(yīng)最小地表溫度,對應(yīng)NDVI-Ts特征空間的濕邊。TVDI值在 0~1,TVDI越大,土壤濕度越低,農(nóng)業(yè)旱情越嚴重;反之,農(nóng)業(yè)旱情越輕。Tsmax和Tsmin計算式為

        式中,a1和b1、a2和b2分別為干、濕邊方程系數(shù),由NDVI-Ts特征空間散點圖線性擬合得到;NDVI為歸一化植被指數(shù)。

        隨欣欣等[13-14]指出,當(dāng) NDVI達到飽和后,可用LAI-Ts特征空間代替NDVI-Ts特征空間。當(dāng)NDVI未達到飽和,植被覆蓋度較低時,LAI-Ts特征空間能否代替 NDVI-Ts特征空間有待驗證。因此,本文嘗試利用LAI-Ts特征空間計算TLDI。本研究發(fā)現(xiàn),在 LAI-Ts特征空間中 Tsmax和 Tsmin二次多項式擬合方程精度比線性擬合精度高,故采用二次多項擬合Tsmax和Tsmin,計算式為

        式中,c1和c2分別為干、濕邊方程系數(shù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 冬小麥返青-成熟期LAI-Ts特征空間分析

        利用研究區(qū)2000、2005、2010和2015年2月26日-6月1日每16d合成的影像資料,提取每個像元LAI值對應(yīng)的最高地表溫度(Tsmax)、最低地表溫度(Tsmin),繪制散點圖得到每個階段的LAI-Ts特征空間,其中,LAI-Tsmax對應(yīng)干邊、LAI-Tsmin對應(yīng)濕邊,結(jié)果見圖2、3、4和圖5。由圖中可見,在冬小麥返青-成熟期,LAI-Ts特征空間中干邊、濕邊均可用一元二次方程擬合,干邊方程的決定系數(shù)均在 0.72以上(P<0.05)。Tsmax隨著 LAI的增加而減小、Tsmin隨著LAI的增加而增加,兩條線隨著生育期形成了動態(tài)合圍變化態(tài)勢。從合圍情況看,返青期即3月上旬前后(圖a、b),干、濕邊線呈明顯三角形,隨著植被覆蓋的提高逐漸演變成梯形,且 Tsmin逐漸演變?yōu)榻扑骄€(圖 f)。在LAI-Ts特征空間中任意一點越接近干邊,TLDI值越大,旱情越嚴重;反之,越接近濕邊,TLDI值越小,則旱情越輕。

        2.2 冬小麥返青-成熟期 TVDI與土壤濕度的相關(guān)性驗證

        中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心缺乏2013年之后的實測土壤濕度數(shù)據(jù),故利用河南省的17個氣象站2000、2005、2010和2013年每年2月26日-6月1日實測地表10cm土壤濕度數(shù)據(jù)與氣象站點3×3像元對應(yīng)的TLDI(溫度-葉面積干旱指數(shù))均值進行相關(guān)性分析,并計算其相關(guān)系數(shù)(表1)。由表1可知,TLDI與地表10cm土壤濕度存在負相關(guān)關(guān)系,TLDI越大,土壤濕度越低。F檢驗發(fā)現(xiàn),2000、2005、2010和2013年各時段TLDI與10cm土壤濕度線性回歸方程均通過了95%的顯著性檢驗(表1)。

        進一步利用2005年3月30日-6月1日每16d TLDI與同時相實測土壤濕度數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析,并建立兩者之間的土壤濕度反演模型(圖6a)。由圖6a可知,TLDI與實測土壤濕度(SM)呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05),計算式為

        利用式(1)反演2005年2月26-3月13日和3月14-29日土壤濕度,并與同時相實測土壤濕度進行對比(圖6b)。由圖6b可知,反演土壤濕度與實測土壤濕度之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),擬合方程決系數(shù) R2為 0.4237,均方根誤差 RMSE(Root mean square error)14.60%,表明基于LAI-Ts特征空間的 TLDI監(jiān)測旱情具有可靠性,可作為旱情監(jiān)測指標(biāo)。

        圖2 2000年2月26日-6月1日LAI-Ts特征空間Fig. 2 LAI-Ts space from February 26 to June 1, 2000

        圖3 2005年2月26日-6月1日LAI-Ts特征空間Fig. 3 LAI-Ts space from February 26 to June 1, 2005

        圖4 2010年2月26日-6月1日LAI-Ts特征空間Fig. 4 LAI-Ts space from February 26 to June 1, 2010

        圖5 2015年2月26日-6月1日LAI-Ts特征空間Fig. 5 LAI-Ts space from February 26 to June 1, 2015

        表1 2000、2005、2010和2013年TLDI(溫度-葉面積干旱指數(shù))與10cm深土壤濕度(SM)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation between TLDI(Temperature LAI drought index) and 10cm soil moisture in 2000, 2005, 2010 and 2013

        圖6 TLDI與實測土壤濕度的關(guān)系Fig. 6 Correlation between TLDI and filed measured soil moisture

        2.3 冬小麥返青-成熟期旱情遙感分析

        利用基于LAI-Ts特征空間的TLDI分析冬小麥的旱情狀況,根據(jù)Liu等[15]的研究,將旱情劃分為5類:極濕潤(TLDI為0~0.2);濕潤(TLDI為0.2~0.4);正常(TLDI為 0.4~0.6);干旱(TLDI為 0.6~0.8);極干旱(TLDI為0.8~1.0)。因為研究區(qū)存在水體、建筑物及數(shù)據(jù)缺失情況,因此添加以下 3種分類:無數(shù)據(jù)區(qū)域TLDI為-1.50~1.49;水體TLDI為-1.49~1.20;建設(shè)用地 TLDI為-1.2~0.0。利用ArcGIS10.0制作河南省2000、2005、2010、2015年每年2月26日-6月1日期間的旱情等級時空分布圖(圖7、8、9、10),并統(tǒng)計各時段干旱與極干旱區(qū)域占河南省總面積的比例如表2。

        由圖7、8、9和10可知,河南省旱情存在以下特點:

        (1)2000年2月26日-6月1日

        2月26日-3月29日:河南省全省大部分地區(qū)均出現(xiàn)嚴重春旱,全省受旱災(zāi)影響的農(nóng)田面積約357.1萬hm2,占麥播面積的71.4%,重旱地區(qū)主要分布在西部、西南部和中部,而北部、東部、東南部也出現(xiàn)干旱??傮w來說旱情較嚴重,雖然北部和東南部地區(qū) 3月有降雨,但豫中部分地區(qū)旱情未能緩解。

        3月30日-4月30日:旱情主要分布在西南部,雖然全省降雨較多,但均集中在東部和北部部分地區(qū),西南部旱情依舊未能得到緩解。至 4月下旬,北部、中部部分地區(qū)又出現(xiàn)旱情,西南部旱情加劇。

        5月1日-6月1日:5月上旬旱情主要分布在西北部、東南以及中部局部地區(qū),其它地區(qū)基本無旱情;5月下旬西北部旱情加劇,東南部旱情得以緩解,中部部分地區(qū)旱情加重。

        (2)2005年2月26日-6月1日

        2月26日-3月29日:全省再次出現(xiàn)春旱,重旱地區(qū)主要分布在西北部以及靠近西北部的中部地區(qū),其它地區(qū)無旱情。隨著各地降水量的增加,旱情僅在中部局地出現(xiàn)。

        3月30日-4月30日:4月上旬降水較多,僅西部局地存在旱情,但下旬西北部旱情略微加重??傮w來說對小麥生長較有利。

        5月1日-6月1日:在河南省西部、南部出現(xiàn)旱情,中部局部地區(qū)旱情較嚴重,至 5月下旬東南部旱情減輕,但北部以及中部大部分地區(qū)旱情均明顯增加。

        (3)2010年2月26日-6月1日

        2月26日-3月29日:早春時期全省相對濕潤,西南部有輕微旱情,對冬小麥的生長極為有利。

        3月30日-4月30日:在河南省西北部有輕微旱情,其它地區(qū)較濕潤。

        5月1日-6月1日:5月上旬全省相對濕潤,下旬旱情突然嚴重加劇,全省大部分地區(qū)出現(xiàn)旱情。

        (4)2015年2月26日-6月1日

        2月26日-3月29日:北部旱情較輕,旱情主要出現(xiàn)在西部以及中部地區(qū),總體全省墑情良好,對冬小麥進入返青期較有利;下旬旱情無明顯變化。

        3月30日-4月30日:上旬全省平均降雨量21mm,中部、北部地區(qū)降雨量較少,但全省旱情并不嚴重。4月下旬中部、北部大部分地區(qū)出現(xiàn)輕度干旱,僅個別地區(qū)為中度干旱,全省其它地區(qū)土壤墑情良好,對小麥生長較為有利。

        5月1日-6月1日:全省5月上旬出現(xiàn)輕度干旱,但下旬北部、南部以及中部地區(qū)旱情均加劇,全省旱情較嚴重??傮w來說,對小麥生長較為不利。

        由表2可知,2000、2005、2010和2015年每年3月上旬及整個5月是河南省干旱頻發(fā)期,2000年和2005年干旱比例均達全省面積的50%以上,2005年、2015年5月1-31日及2010年5月17-30日干旱比例均達 50%以上。進一步分析可知,每年3月上旬和整個5月分別處于冬小麥返青期和開花-灌漿期,此時如果干旱發(fā)生將嚴重影響冬小麥產(chǎn)量,應(yīng)采取積極的抗旱措施。相比各年份干旱情況來說,2000年、2005年和2015年每年2-5月旱情較嚴重,2010年2-5月屬輕度干旱,相對濕潤。

        圖7 河南省2000年2月26日-6月1日旱情等級時空分布Fig. 7 The spatio-temporal distribution of drought in Henan province from February 26 to June 1, 2000

        圖9 河南省2010年2月26日-6月1日旱情等級時空分布Fig. 9 The spatio-temporal distribution of drought in Henan province from February 26 to June 1, 2010

        圖10 河南省2015年2月26日-6月1日旱情等級時空分布Fig. 10 The spatio-temporal distribution of drought in Henan province from February 26 to June 1, 2015

        表2 典型年河南省冬小麥返青-成熟各階段干旱面積的比例(%)Table 2 Drought area ratio of winter wheat from the turning green to mature stage in Henan province in 2000, 2005, 2010 and 2015(%)

        3 結(jié)論與討論

        3.1 討論

        Han等[14,16]等指出,當(dāng)植被覆蓋度較高,NDVI達到飽和后可用LAI-Ts特征空間代替NDVI-Ts特征空間。隨欣欣等[13]利用寧夏地區(qū) 2005年 4-8月的MODIS LAI和Ts數(shù)據(jù),驗證作物封壟后基于LAI-Ts特征空間的TLDI能否代替基于NDVI-Ts特征空間的TVDI及其旱情監(jiān)測精度,指出當(dāng)NDVI達到飽和后 TLDI可代替 TVDI,且其旱情監(jiān)測精度高于TVDI。本研究利用河南省2000、2005、2010和2015年每年2月26日-6月1日 MODIS LAI和Ts產(chǎn)品數(shù)據(jù),驗證當(dāng)植被覆蓋度較低,NDVI未達到飽和時基于 LAI-Ts特征空間的 TLDI能否用于旱情監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)LAI-Ts特征空間在3月中上旬植被覆蓋度較低時呈明顯三角形,隨著入春轉(zhuǎn)暖植被覆蓋度提高逐漸演變成梯形,這種演變特征進一步驗證了Han等[14]提出的早期植被覆蓋較低時應(yīng)采用三角形特征空間,而后期植被覆蓋度增加時則采用梯形特征空間的理論。本研究僅采用了河南省數(shù)據(jù)對TLDI進行驗證,該指數(shù)是否適用于其它區(qū)域的旱情監(jiān)測需要進一步驗證與分析。另外,文獻[17]雖對基于雙拋物線型 NDVI-Ts、EVI-Ts及三角形NDVI-Ts、LAI-Ts特征空間作了一定的對比研究,但側(cè)重于雙拋物線型NDVI-Ts特征空間的提出和驗證,因而這幾種特征空間的適用條件和優(yōu)劣程度需進一步研究。

        3.2 結(jié)論

        (1)基于三角形或梯形LAI-Ts特征空間的TLDI與實測土壤濕度呈顯著負相關(guān)性(P<0.05),R2變化范圍為0.2716~0.5576。當(dāng)NDVI未達到飽和時,基于LAI-Ts特征空間的TLDI可用于旱情監(jiān)測。TLDI基于MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)展開,避免了利用MODIS原始數(shù)據(jù)進行LAI和Ts計算和反演的復(fù)雜處理過程,豐富和補充了基于植被指數(shù)和地表溫度特征空間的TVDI監(jiān)測方法。

        (2)河南省旱情主要分布在中西部、西南部以及北部地區(qū),其它區(qū)域發(fā)生旱情的時間相對較少。2000、2005、2010和2015年每年2月下旬-5月下旬河南省干旱頻發(fā)于每年3月上旬和整個5月,干旱比例均達 50%以上,此時正處于冬小麥返青期和開花-灌漿期的關(guān)鍵時刻。因此,抗旱需要在早春時期就積極應(yīng)對,早春是小麥拔節(jié)生長的重要階段,而后在初夏階段,植被蒸騰作用加劇,更需要對旱情及時預(yù)防和應(yīng)對,保證小麥在灌漿成熟期能健康發(fā)育。

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