劉 英，魯 楊，李 遙，岳 輝

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

干旱是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。遙感已成為干旱監(jiān)測的主要手段[1-3]，其中基于波段反射率的光譜特征空間法因原理清晰、計(jì)算簡單而被廣泛應(yīng)用。1977年，Richardson和Weigand[4]利用MSS紅光(Red)和近紅外(NIR)波段反射率建立NIR-Red特征空間，提出了基于土壤背景線的垂直植被指數(shù)；Ghulam等[5]基于NIR-Red特征空間，利用特征空間中任意一點(diǎn)到過原點(diǎn)的土壤線的垂線距離大小表征土壤濕度多寡，建立了PDI，并指出PDI適用于裸土或植被生長區(qū)域旱情監(jiān)測；針對(duì)全植被覆蓋區(qū)域，Ghulam等[6]引入植被覆蓋度，提出了MPDI；Qin等[7]利用中國北方MODIS數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了PDI有效性，指出PDI監(jiān)測旱情狀況與實(shí)測情況一致；Shahabfar等[8-9]利用MODIS數(shù)據(jù)，借助PDI分別監(jiān)測了伊朗旱情及亞洲中部和西南部水文重新劃分、變化及其旱情變化狀況，指出PDI可用來監(jiān)測旱情；Chen等[10]基于PDI、MPDI，驗(yàn)證了GF-1多光譜數(shù)據(jù)是否可用于監(jiān)測土壤濕度，指出該數(shù)據(jù)可用于土壤濕度監(jiān)測；Zhang等[11]、Zormand等[12]分別比較了PDI、MPDI、溫度植被干旱指數(shù)、條件溫度指數(shù)等旱情監(jiān)測指數(shù)的優(yōu)劣，指出這些干旱指數(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)；姚云軍等[13]利用MODIS短波紅外第6和第7波段構(gòu)建短波紅外光譜特征空間，利用該特征空間任意一點(diǎn)到原點(diǎn)距離大小構(gòu)建短波紅外土壤濕度指數(shù)，指出該方法反演區(qū)域土壤含水量具有可靠性；劉英等[14]基于NIR-Red特征空間，利用該特征空間任意一點(diǎn)到原點(diǎn)距離大小，構(gòu)建不依賴土壤背景線而變化的土壤SMMI，指出SMMI可監(jiān)測土壤濕度，并利用該指數(shù)監(jiān)測了神東礦區(qū)土壤濕度的變化情況[15]。

國內(nèi)外學(xué)者基于NIR-Red光譜特征空間監(jiān)測土壤濕度主要有兩種方法：一是利用光譜特征空間中任意一點(diǎn)到經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)的土壤線的垂線距離大小來表征土壤濕度多寡，如PDI、MPDI；二是基于光譜特征空間中任一點(diǎn)到原點(diǎn)的直線距離大小來表征土壤濕度狀況，如SMMI等。這兩種監(jiān)測方法原理相似，是否都具有普適性以及兩者的區(qū)別和聯(lián)系需要進(jìn)一步驗(yàn)證。本文以關(guān)中平原為研究區(qū)，利用MODIS Red和NIR波段反射率數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建PDI、SMMI、MPDI和MSMMI，對(duì)比分析這四種干旱監(jiān)測方法的有效性、精度，并利用SMMI監(jiān)測2000-2016年關(guān)中平原時(shí)空演變特征和規(guī)律，為快速準(zhǔn)確掌握旱情發(fā)展趨勢，并及時(shí)采取有效的防旱、抗旱措施提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

關(guān)中平原又稱渭河平原，地處陜西省中部，位于北山和秦嶺之間，海拔325～800 m，地理坐標(biāo)33°N～37°N、106°E～111°E。關(guān)中平原西起寶雞峽口，東到潼關(guān)港口，南接秦嶺、北靠陜北高原；東西長約360 km，面積約為3.6萬km2。關(guān)中平原地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候，處于暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，年均溫度6～13℃；多年平均降水量為500～700 mm，其中6-9月份占60%，多為短時(shí)暴雨，冬春降水較少；多年平均蒸發(fā)量為1 000～1 200 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

遙感數(shù)據(jù)為2000-2016年每年的5月、16 d合成的250 m空間分辨率的MODIS影像，來源于美國國家航空航天局網(wǎng)(http://www.echo.nasa.gov/reverb/)。2005年5月中旬和2010年5月上旬的10 cm和20 cm農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)合成、剪裁等。

1.3 土壤濕度遙感監(jiān)測指數(shù)

1.3.1 PDI PDI是Ghulam等[5]基于植被-土壤二元組合在NIR-Red二維光譜特征空間中的分布規(guī)律提出的。由圖1可知，直線BC為土壤線，直線EF為特征空間中過任意一點(diǎn)E(Rred，Rnir)做直線BC的平行線，點(diǎn)E到直線L的垂線距離大小可以表征地表土壤濕度的變化情況，即直線EF的距離越小，說明地表土壤濕度越大；反之亦然。越接近L線的空間越濕潤，離L線越遠(yuǎn)的空間越干旱。其計(jì)算公式為：

圖1 PDI構(gòu)建圖Fig.1 Scheme for PDI

(1)

式中,Rred、Rnir分別為紅光和近紅外波段的反射率，M為土壤線BC的斜率。

1.3.2 SMMI SMMI是劉英等[14]基于NIR-Red特征空間建立的土壤濕度監(jiān)測指數(shù)，該方法具有不依賴于土壤背景線而變化的優(yōu)點(diǎn)。由圖2可知，直線BC為特征空間中的土壤線，B、C分別為特征空間中的濕潤裸土點(diǎn)和干燥裸土點(diǎn)，E為空間中任意一點(diǎn)；利用任意點(diǎn)E到坐標(biāo)原點(diǎn)O距離的長短來表示土壤濕度的變化情況。即直線OE的距離越短表明土壤濕度越大，直線OE的距離越長則表明土壤濕度越小，也就是說地表越干旱。OE可表達(dá)為：

(2)

(3)

1.3.3 MPDI MPDI是Ghulam等[6]針對(duì)PDI在植被覆蓋區(qū)監(jiān)測精度會(huì)受到影響從而引入植被覆蓋度(Fv)而提出的。MPDI的物理意義是：在NIR-Red特征空間中，任意一點(diǎn)旱情都由PDI和垂直植被指數(shù)(Perpendicular Vegetation Index, PVI)兩個(gè)因子共同決定，土壤含水量越小則像元離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離就越遠(yuǎn)，MPDI值越大，旱情越嚴(yán)重，反之亦然。其計(jì)算公式為：

MPDI=(Rred+M×Rnir-Fv(Rv,red

(4)

圖2 SMMI構(gòu)建示意圖Fig.2 Scheme for SMMI construction

式中，Rred、Rnir分別為紅光和近紅外波段的反射率，M為土壤線斜率，F(xiàn)v是植被覆蓋度。Rv,red、Rv,nir分別為植被在紅光和近紅外波段的反射率。其中，Rv,red、Rv,nir可近似看成是經(jīng)驗(yàn)值固定的參數(shù)，分別取值0.05和0.5。

1.3.4 MSMMI MSMMI是劉英等在SMMI的基礎(chǔ)上引入植被覆蓋度(Fv)提出的。其表達(dá)式為：

(5)

式中，Rred、Rnir分別為紅光和近紅外波段的反射率，M為土壤線斜率，F(xiàn)v是植被覆蓋度。Rv,red、Rv,nir分別為植被在紅光和近紅外波段的反射率。其中，Rv,red、Rv,nir可近似看成是經(jīng)驗(yàn)值固定的參數(shù)，分別取值0.05和0.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤濕度遙感監(jiān)測指數(shù)精度驗(yàn)證

分別利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載的2005年5月中旬和2010年5月上旬10 cm和20 cm的農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)來驗(yàn)證四種土壤濕度監(jiān)測方法的有效性。以土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為縱軸，PDI、MPDI、SMMI、MSMMI分別為橫軸，構(gòu)建不同深度土壤相對(duì)濕度與四種指數(shù)的相關(guān)性圖(圖3)，并計(jì)算其可決系數(shù)(表1)。從圖1和表1可知，四種土壤濕度監(jiān)測指數(shù)均與不同深度土壤濕度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且均通過了P<0.1的顯著性檢驗(yàn)，表明四種指數(shù)均可用于監(jiān)測土壤濕度狀況，且SMMI和PDI兩種指數(shù)的監(jiān)測效果要優(yōu)于MPDI和MSMMI的監(jiān)測效果，且四種指數(shù)監(jiān)測10 cm深土壤濕度效果優(yōu)于20 cm。

2.2 關(guān)中平原地區(qū)旱情時(shí)空分布特征分析

鑒于四種土壤濕度監(jiān)測指數(shù)對(duì)干旱程度劃分標(biāo)準(zhǔn)不一致，因此需要對(duì)四種指數(shù)分別進(jìn)行尺度化，使其值位于[0,1]之間[15]。以SMMI為例，尺度化S-SMMI公式如下：

S-SMMI=(SMMI-SMMImin)/(SMMImax-SMMImin)

(6)

式中，SMMImin為SMMI累計(jì)頻率置信度為1%時(shí)所對(duì)應(yīng)的值；SMMImax為SMMI累計(jì)頻率置信度為99%時(shí)所對(duì)應(yīng)的值。

依據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土壤濕度進(jìn)行等級(jí)劃分：①0～0.2為極濕潤；②0.2～0.4為濕潤；③0.4～0.6為正常；④0.6～0.8為干旱；⑤0.8～1為極干旱。由表1可知，SMMI與實(shí)測土壤濕度的相關(guān)性系數(shù)最高，因此利用SMMI對(duì)關(guān)中平原地區(qū)長時(shí)間序列旱情進(jìn)行監(jiān)測(圖4)。

表1 2005年和2010年實(shí)測土壤濕度與四種指數(shù)間可決系數(shù)(R2)

由圖4可知，關(guān)中平原東北部、東部、中部旱情較為嚴(yán)重，西南部、南部、西部部分地區(qū)旱情較輕。關(guān)中平原南部以秦嶺為延伸的細(xì)帶狀分布的區(qū)域土壤濕度最高；北部、西部、東部邊緣地帶零星分布著濕潤區(qū)域，這是因?yàn)榍貛X是關(guān)中平原植被覆蓋度最高的區(qū)域，邊緣地帶也多有山脈環(huán)繞，土壤含水量及持水能力較高，旱情較少發(fā)生。關(guān)中平原的岐山縣、扶風(fēng)縣等西部地區(qū)及蒲城縣、澄城縣等東部地區(qū)旱情較為嚴(yán)重，極濕潤、濕潤及正常區(qū)域分布其中，這是因?yàn)槠皆鞑考皷|部地區(qū)多為耕地及建筑區(qū)域，地表植被覆蓋度較低及不斷發(fā)生變化，因而土壤濕度較低。從旱情發(fā)生頻率來說，關(guān)中平原東部的富平縣、臨渭區(qū)以及西部的岐山縣、扶風(fēng)縣等是極度干旱多發(fā)區(qū)，17年間有超過一半的年份為極干旱。位于關(guān)中平原西南角的鳳縣和太白縣是旱情低發(fā)區(qū)，其中太白縣17年間基本沒有旱情發(fā)生，這主要是由于太白縣和鳳縣處于秦嶺地帶，地表植被覆蓋度高，土壤含水量以及儲(chǔ)水能力高。

對(duì)比不同年份干旱面積比例，局部極干旱、大面積干旱主要發(fā)生在2000年5月、2001年5月、2003-2005年5月、2007年5月、2009年5月、2010年5月、2014年5月、2016年5月，其中旱情最嚴(yán)重的為2004年5月，受旱總面積比例高達(dá)61.53%；極干旱情況最嚴(yán)重的為2010年5月，達(dá)到了22.86%；2006年5月、2008年5月、2011年-2013年5月、2015年5月旱情狀況有所緩解，其中2002年5月基本上沒有旱情發(fā)生。

2.3 影響因素分析

影響旱情的因素有自然、人文等因素，本文主要分析月平均氣溫和月降水量兩個(gè)氣象因素與旱情之間的關(guān)系。利用克里金插值法得到SMMI與月平均氣溫、月降水量的相關(guān)系數(shù)大小，通過查尋相關(guān)性系數(shù)臨界表，當(dāng)P>0.05時(shí)，臨界值為0.497，當(dāng)P>0.1時(shí)，臨界值為0.426，因此將相關(guān)系數(shù)等級(jí)劃分為：①<-0.497；②-0.497～-0.426；③-0.426～0；④0～0.426；⑤0.426～0.497；⑥>0.497。

由圖5a和表2可知，SMMI與月降雨量相關(guān)系數(shù)為負(fù)的區(qū)域所占比例為74.34%，說明降水量越大，土壤濕度越高，旱情越輕；反之亦然。其中，關(guān)中平原隴縣、千陽縣等西北部地區(qū)和白水縣、澄城縣等平原東北部地區(qū)的干旱情況受降水量的影響呈正相關(guān)關(guān)系，且通過P<0.1顯著性檢驗(yàn)。由圖5b和表2可知，SMMI與月平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系區(qū)域所占比例為75.66%，表明氣溫越高，旱情越嚴(yán)重；反之亦然。其中，關(guān)中平原岐山縣、扶風(fēng)縣等中部地區(qū)和淳化縣、富平縣等平原東北部地區(qū)的干旱情況受氣溫的影響呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且通過了P<0.1顯著性檢驗(yàn)?？傮w上，關(guān)中平原旱情與降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，但通過90%顯著性檢驗(yàn)區(qū)域分別僅占總面積的27.36%、17.26%，說明降雨和溫度不是旱情變化主導(dǎo)因子。

圖3 2005年5月中旬10 cm深土壤濕度與MPDI、PDI、SMMI、MSMMI相關(guān)性Fig.3 The correlation between soil moisture and MPDI, PDI, SMMI and MSMMI in top 10 cm layerin the mid-May of 2005

圖4 2000-2016年干旱等級(jí)分布圖Fig.4 Drought distribution map during 2000-2016

圖5 SMMI與氣象因子相關(guān)性系數(shù)圖Fig.5 Coefficient of correlation between SMMI and meteorological factors

相關(guān)系數(shù)等級(jí)Relationalcoefficient levelSMMI與月降水量分布SMMI and monthlyprecipitation distributionSMMI與月平均氣溫分布SMMI and averagemonthly temperaturedistribution<-0.4979.831.76-0.497～-0.4267.431.72-0.426～057.0820.860～0.42622.1248.300.426～0.4971.6910.58>0.4971.8516.78

3 結(jié)論與討論

以關(guān)中平原為研究區(qū)，基于MODIS數(shù)據(jù)采用四種不同的土壤濕度監(jiān)測指數(shù)對(duì)平原的旱情狀況以及受旱面積進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并對(duì)四種指數(shù)的應(yīng)用性、有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。主要結(jié)論為：(1)從四種指數(shù)與實(shí)測土壤濕度相關(guān)性來看，SMMI監(jiān)測效果最好，PDI略低于SMMI，MPDI和MSMMI的監(jiān)測效果基本相同但都低于SMMI和PDI；四種指數(shù)監(jiān)測10 cm深土壤濕度效果優(yōu)于20 cm。(2)空間上，關(guān)中平原東部、中部、西部部分地區(qū)旱情嚴(yán)重，西南部旱情較輕；時(shí)間及旱情發(fā)生頻率上，關(guān)中平原地區(qū)旱情呈以2～3 a的間隔年際波動(dòng)顯著的特征，且關(guān)中平原東部的富平縣、臨渭區(qū)以及西部的岐山縣、扶風(fēng)縣等是重旱的多發(fā)區(qū)，位于平原西南角的鳳縣和太白縣是旱情低發(fā)區(qū)。(3)SMMI與月平均氣溫兩者呈正相關(guān)關(guān)系的面積占75.66%，主要集中在岐山縣、扶風(fēng)縣等西部地區(qū)和淳化縣、富平縣等平原東北部地區(qū)；SMMI與月降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的面積占74.34%，主要分布于隴縣、千陽縣等西北部地區(qū)和白水縣、澄城縣等平原東北部地區(qū)。

農(nóng)業(yè)干旱是造成農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的最大影響因素之一，從成因及變化趨勢上來看，受多種因素的制約，這些因素既包括農(nóng)作物本身對(duì)干旱的耐受性，也包括周邊環(huán)境對(duì)干旱的耦合性[16-19]。因此，在干旱監(jiān)測中可根據(jù)作物不同生長期及不同下墊面環(huán)境具體分析[20-21]。關(guān)中平原下墊面復(fù)雜，既有平原也有山區(qū)，農(nóng)作物生長受到氣候、海拔、溫度、降雨等多種因子的影響，因此旱情分區(qū)可能出現(xiàn)偏差，另外由于地面監(jiān)測站的不連續(xù)和點(diǎn)數(shù)據(jù)的影響，在精度驗(yàn)證上以點(diǎn)帶面誤差難以避免，因此在未來監(jiān)測驗(yàn)證中需要尋求誤差較小的實(shí)測點(diǎn)來驗(yàn)證。同時(shí)，根據(jù)土地利用類型、海拔、水網(wǎng)分布等具體分析下墊面環(huán)境狀況，可以有效提高監(jiān)測精度。也有學(xué)者認(rèn)為，集成多種監(jiān)測指數(shù)的旱情預(yù)報(bào)系統(tǒng)是未來的主流發(fā)展方向[22-23]。在未來工作中可以嘗試基于多源多傳感器數(shù)據(jù)聯(lián)合集成旱情監(jiān)測指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測和預(yù)報(bào)方法的構(gòu)建和應(yīng)用。