基于遙感技術(shù)的運城盆地干旱監(jiān)測應(yīng)用研究

張維娜

(山西省測繪資料檔案館,山西太原 030002)

基于遙感技術(shù)的運城盆地干旱監(jiān)測應(yīng)用研究

張維娜

(山西省測繪資料檔案館,山西太原 030002)

選取 TVD I作為對運城地區(qū)三個縣進行干旱監(jiān)測的模型,然后重點對其中涉及的地表溫度(Ts)和植被指數(shù)(NDV I)等參數(shù)做詳細(xì)描述,最后,經(jīng)過與實測墑情的對比,證明此方法是完全可行的,得出的實際旱情等級分布圖可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

遙感;干旱監(jiān)測;TVD1模型

一、引 言

干旱作為一種自然災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響很大,及時發(fā)現(xiàn)干旱并準(zhǔn)確預(yù)報旱情發(fā)展動態(tài),對抗旱減災(zāi)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測是用點上的數(shù)據(jù)來監(jiān)測干旱的程度及范圍,其中應(yīng)用最多的是氣象數(shù)據(jù),但是不可能實現(xiàn)大范圍的精確監(jiān)測。

遙感技術(shù)具有客觀、宏觀、快速、經(jīng)濟等常規(guī)手段不具備的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)對旱情的大范圍、實時、動態(tài)監(jiān)測。因此遙感監(jiān)測為傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測開辟了新的途徑,這對傳統(tǒng)的以稀疏散點為基礎(chǔ)的對地觀測手段是一場革命性的變化[1]。

土壤濕度是旱情指標(biāo)之一。通過土壤含水量的估測可以評價旱情等級。土壤濕度的遙感監(jiān)測方法是通過測量土壤表面發(fā)射和反射的電磁能量。國內(nèi)外為研究土壤含水量所涉及的遙感波段很寬,從可見光、近紅外、熱紅外到微波都有一定的研究。近年來,隨著可獲取的多源遙感數(shù)據(jù) (NOAA/AV HRR、Landsat T M、MOD IS)不斷增加,監(jiān)測方法的研究有了較大的進展,主要有熱慣量法、植被缺水指數(shù)法、距平植被指數(shù)法、溫度植被干旱指數(shù)、微波遙感方法等。其中,結(jié)合植被指數(shù)和地表溫度研究區(qū)域地表水分狀況是比較常用的一種。具有代表性的是 Sandholt等[2]基于植被指數(shù)和地表溫度的關(guān)系提出的溫度植被干旱指數(shù) (temperature-vegetation dryness index,TVD I)。

本文擬采取 TVD I模型對山西運城盆地農(nóng)業(yè)區(qū)作一次干旱監(jiān)測應(yīng)用研究。

二、研究區(qū)域概況

運城市位于山西省西南部,晉、陜、豫三省交界處,全市轄 1區(qū) 2市 10縣。運城市地勢平坦,氣候溫和,土壤肥沃,光照充足,是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大區(qū)。年平均降雨量 525 mm,日照 2 350 h,氣溫 13℃,無霜期 212 d,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較為優(yōu)越。因此,對該區(qū)進行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測十分必要。本次研究區(qū)為運城市下轄的臨猗、永濟、芮城三縣。

三、研究方法

1.數(shù)據(jù)獲取與處理

本文采用的數(shù)據(jù)源為 2007年 9月 22日的Landsat T M影像,軌道號 126,行號 36,輔助數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和模型計算用到的各項氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)。圖像預(yù)處理在 ENV I軟件中完成,幾何校正以 1∶5萬地形圖為準(zhǔn),精度控制在 1個像元以內(nèi)。

2.TVD I模型的建立

土壤濕度作為干旱的指標(biāo)之一,是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的主要參數(shù)。它在地表與大氣界面的水分和能量交換中起重要作用。歸一化植被指數(shù)(NDV I)提供了綠色植被的生長狀況和覆蓋度信息,而地表溫度(Ts)反映了土壤濕度狀況,二者的結(jié)合使信息互補,用于區(qū)域土壤濕度監(jiān)測。國內(nèi)外學(xué)者研究了各種空間尺度和時間分辨率的地表溫度和植被指數(shù)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn) Ts和NDV I之間存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從理論的角度來看,對于水分條件良好的地表,地表溫度和 NDV I的關(guān)系與地表土壤水分 (土壤水分增加可以加大土壤的熱慣量)更為直接相關(guān),而不是作為對潛在熱能的限制性控制。相關(guān)研究表明,以NDV I和 Ts為橫縱坐標(biāo)的散點圖呈三角形。Sandholt等基于上述關(guān)系,提出了溫度植被干旱指數(shù) (TVD I)的概念。TVD I由植被指數(shù)和表面溫度計算得到,只依靠圖像數(shù)據(jù)。TVD I的定義為

式中,TS為陸地表面溫度;TSmin為特征空間中最小的地表溫度,定義了相應(yīng)的濕邊;NDVI為歸一化植被指數(shù)值;a和 b分別為定義干邊的線性擬合方程(TSmax=a+bNDVI)中的參數(shù);TSmax為給定 NDV I值下的最大地表溫度。

(1)植被指數(shù)的計算

植被指數(shù) (vegetation index,V I)是遙感監(jiān)測地面植被生長狀況的一個指數(shù),它是由衛(wèi)星傳感器可見光和近紅外通道探測數(shù)據(jù)的線性或非線性組合形成的,可以較好地反映地表綠色植被的生長和分布狀況。歸一化植被指數(shù)(NDV I)是目前應(yīng)用最廣的一種植被指數(shù),由于 NDV I可以消除大部分與儀器定標(biāo)、太陽角、地形、云陰影和大氣條件相關(guān)輻照度的變化的影響,增強了對植被的響應(yīng)能力,因此它是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子。NDV I的定義為式中,ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

本試驗中,在進行NDV I計算之前首先在 ENV I軟件的 FLAASH模塊中對 T M影像進行了大氣校正。

(2)地表溫度的求解

本次研究選用的影像為 T M,因此地表溫度的反演算法選擇單窗算法。文獻[3-4]通過引進大氣平均溫度的概念,提出根據(jù) T M6獲取地表溫度的單窗算法,公式如下

式中

其中,如果影像亮溫范圍在 273～343 K,a= -67.355 351,b=0.458 606;影像亮溫范圍在 273～303 K,a=-60.326 3,b=0.434 36;影像亮溫范圍在 293～323 K,a=-67.954 2,b=0.459 87。ε是地表比輻射率;τ是大氣透射率;Tb是 6波段像元亮度溫度(單位為 K);C和 D為參數(shù);Ta為大氣平均作用溫度。

該算法的優(yōu)點在于僅需要三個基本參數(shù)：地表比輻射率、大氣透過率和大氣平均作用溫度。地表比輻射率直接與地表構(gòu)成有關(guān)。大氣透過率和大氣平均作用溫度可以根據(jù)近地面的水汽含量和平均氣溫來估計。在大多數(shù)情況下,各地方氣象觀測站均有對應(yīng)于衛(wèi)星過境時大氣要素的相對實時觀測數(shù)據(jù)。

①Landsat T M地表亮度溫度的求算

通常Landsat T M數(shù)據(jù)是以灰度值(DN值)來表示,DN值在 0和 255之間,數(shù)值越大,亮度越大。對于 T M6,亮度越大,表示地表熱輻射強度越大,溫度越高,反之亦然。從 T M6數(shù)據(jù)中求算亮度溫度的過程包括把DN值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱輻射強度值,然后根據(jù)熱輻射強度推算所對應(yīng)的地表輻射溫度。

陸地衛(wèi)星傳感器 T M在設(shè)計時就考慮到如何將所接收到的輻射強度轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的DN值問題。因此,對于 T M數(shù)據(jù),所接收到的輻射強度與其 DN值存在如下關(guān)系

式中,Lb為 T M遙感器接收到的輻射強度 (W·m-2· Sr-1·μm-1);Qmax為最大的 DN值,即 Qmax=255, QDN為 T M數(shù)據(jù)的像元灰度值;Lmax和 Lmin為 T M遙感器所接收到的最大和最小輻射強度,即相對應(yīng)于QDN=255和 QDN=0時的最大和最小輻射強度。對于Landsat 5號星,傳感器熱波段 T M6的中心波長為 11.475μm。發(fā)射前預(yù)設(shè) T M6的常量為:當(dāng) Lmax=0.123 8時,QDN=0;當(dāng) Lmax=1.56時,QDN=255。因此式(6)的熱輻射與灰度值之間的關(guān)系可進一步簡化為

然后通過輻射亮度 (Lb)推算地表相對溫度,即亮度溫度。其方程式為

式中,Tb為 T M6的像元亮度溫度 (K);K1和 K2為發(fā)射前預(yù)設(shè)的常量;對于Landsat 5的 T M數(shù)據(jù),K1= 60.776(W·m-2·Sr-1·μm-1),K2=1 260.56 K。

②大氣透射率的確定

大氣透射率對地表熱輻射在大氣中的傳導(dǎo)有非常重要的影響,是地表溫度遙感的基本參數(shù)。無論單窗算法還是劈窗算法,都需要較精確的大氣透射率估計。

研究表明,大氣透射率的變化主要取決于大氣水分含量的動態(tài)變化,其他因素因其動態(tài)變化不大而對大氣透射率的變化沒有顯著影響,因此,大氣水分含量就成為大氣透射率估計的主要考慮因素。當(dāng)水分含量在 0.4～3.0 g/cm2變動區(qū)間時,大氣透射率的估計方程如表 1所示。

表1 大氣透射率估計方程

③大氣平均作用溫度的確定

大氣平均作用溫度主要取決于大氣剖面氣溫分布和大氣狀態(tài)。由于衛(wèi)星飛過研究區(qū)上空的時間很短,一般情況下很難實施實時大氣剖面數(shù)據(jù)和大氣狀態(tài)的直接觀測。為此我們直接利用文獻[3-4]總結(jié)出的大氣平均作用溫度 Ta的估計方程。

中緯度夏季平均大氣作用溫度

中緯度冬季平均大氣作用溫度

其中,T0為近地面 (一般為 2 m處)的氣溫,T0和 Ta的單位均為 K。這些關(guān)系式表明,在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下(天空晴朗、沒有渦旋作用),大氣平均作用溫度是地面附近氣溫的線性函數(shù)。因此,在沒有實時大氣探空資料的情況下,也可以用這些關(guān)系式近似地推算 Ta。

④地表比輻射率的確定

地表比輻射率 (land surface emissivity,LSE)是地面溫度反演中的一個關(guān)鍵參量,它是表面熱能轉(zhuǎn)換成輻射能量的內(nèi)在的有效度量器。不同的地物具有不一樣的發(fā)射率,它不僅依賴于地表物體的組成成分,而且與物體的表面狀態(tài)(表面粗糙度等)及物理性質(zhì)(介電常數(shù)、含水量、溫度等)有關(guān),并會隨著所測定的輻射能的波長、觀測角度等條件的變化而變化。

熱紅外遙感是目前唯一可以進行大面積區(qū)域甚至全球的地面溫度反演的手段,具有覆蓋面廣、信息量大、動態(tài)性好及分辨率高等明顯的優(yōu)點。但對于僅有一個熱紅外通道的遙感數(shù)據(jù)如 Landsat T M,如果沒有額外的輔助數(shù)據(jù)不可能同時反演地表溫度和地表比輻射率。一種可行的確定方法是通過分類影像獲得地表比輻射率影像,估計各地表類型的發(fā)射率值,但是這種方法需要在衛(wèi)星過境時對不同類別的典型地物發(fā)射率進行測量,精確地知道典型地表類型的發(fā)射率。

因此我們需要在沒有實時的參考數(shù)據(jù)下求解地表比輻射率的方法。目前一種可供選擇的、有效的地表比輻射率估計方法是通過歸一化植被指數(shù)(NDV I)獲得地表比輻射率。

代替地面溫度的像元通常是混合像元,它們可能是植被與土壤的混合區(qū)域、也可能是植被與建筑物的混合區(qū)域。單個像元的有效發(fā)射率值可以通過各種地表類型的比例估計得到。文獻[5]進行了一系列由可見和近紅外的光譜反射率獲得的NDV I值與實地測得的地物發(fā)射率值的比較,發(fā)現(xiàn)在測得的發(fā)射率和NDV I之間存在高度相關(guān)性。給出了如下相關(guān)方程

式中,ρNIR、ρR分別表示傳感器的近紅外波段與紅波段的地面反射率值。

⑤地表溫度的確定

按照以上步驟結(jié)合氣象數(shù)據(jù)得到地表溫度反演圖(見圖 1)。

圖1 地表溫度反演圖

(3)干濕邊的確定

本試驗采用抽樣方法,在Matlab軟件中編程,對植被指數(shù)與最高、最低溫度進行線性回歸擬合,得到如下回歸方程(見表 2)。

表2 干濕邊擬合方程

從表 2中可以看出,其旱邊方程的斜率均為負(fù)值,而濕邊方程的斜率都為正值,表明隨著下墊面植被覆蓋程度增加,陸地表面溫度最高值在減小,而最低值卻在升高。

3.旱情等級分布圖

根據(jù)農(nóng)業(yè)旱情等級劃分標(biāo)準(zhǔn),土壤相對含水量＜40%為重旱;40%～50%為中旱;50%～60%為輕旱;60%～80%為正常;80%～100%為濕潤。圖 2為運城市三縣的旱情分布圖,圖中顯示三縣的絕大部分耕地都屬于正常和濕潤,北部有部分為輕旱和中旱,基本沒有重旱現(xiàn)象。

圖2 旱情等級分布圖

四、TVD I模型結(jié)果與實測土壤墑情相關(guān)性分析

本文應(yīng)用山西省氣象檔案館的實測土壤墑情資料,分析了基于 NDV I的溫度植被旱情指數(shù)與10 cm和 50 cm土壤相對濕度的相關(guān)性。以氣象站所在地理位置的經(jīng)緯度為基準(zhǔn),選取相應(yīng)空間的遙感監(jiān)測結(jié)果,以溫度植被旱情指數(shù) TVD I為橫坐標(biāo),土壤相對濕度為縱坐標(biāo),得到基于 NDV I的溫度植被旱情指數(shù)與土壤濕度散點圖(見圖 3和圖 4)。從圖中可以看出,以NDV I計算得出的 TVD I與 10 cm土壤相對濕度的相關(guān)性好于 50 cm,即遙感監(jiān)測土壤濕度以反演表層土壤水分的效果較好。

五、結(jié) 論

土壤濕度作為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測的一個重要指標(biāo),應(yīng)用 T M數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象資料,結(jié)合 TVD I模型,較好地反映了運城盆地夏季當(dāng)日的農(nóng)業(yè)旱情狀況,并達到了定量化的標(biāo)準(zhǔn)。證明了這種方法的可行性和實用性。

但是,由于實測的墑情數(shù)據(jù)較少,部分值只能按照相同地類的值代替,因此可能會有一些誤差,這些問題都是需要下一步繼續(xù)深入研究時解決的。

圖3 10 cm土壤相對濕度

圖4 50 cm土壤相對濕度

[1] 王鵬新,WAN Zhengming,龔健雅,等.基于植被指數(shù)和土地表面溫度的干旱監(jiān)測模型 [J].地球科學(xué)進展. 2008(4)：18-4.

[2] SANDHOLT I,RAS MUSSENA K,ANDERSENB J.A S imple Interpretation of the Surface Temperature/Vegetation Index Space for Assessment of Surface Moisture Status [J].Remote Sensingof Environment,2002,79：213-224.

[3] 覃志豪,KARN IEL IA,ZHANGMinghua,等.用陸地衛(wèi)星 T M6熱波段數(shù)據(jù)演算地表溫度的單窗算法[J].地理學(xué)報,2001,56(4),456-466.

[4] 覃志豪,L IWenjuan,ZHANGMinghua,等.單窗算法的大氣參數(shù)估計方法 [J].國土資源遙感,2003(2)：37-43.

[5] VAN DE GR IEND A A,OWE M.Bare Soil Surface Resistance to Evaporation byVaporDiffusion under Semiarid Conditions[J].WaterResourcesResearch,1994,30 (2)：181-188.

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

[7] 齊述華,王長耀,牛錚.利用溫度植被旱情指數(shù) (TVD I)進行全國旱情監(jiān)測研究 [J].遙感學(xué)報,2003,7(5)：420-427.

[8] 張仁華.對于定量熱紅外遙感的一些思考[J].國土資源遙感,1999(1)：1-6.

[9] 余濤,田國良.熱慣量方法在監(jiān)測土壤表層水分變化中的研究[J].遙感學(xué)報,1997,1(1)：24-31.

[10] 張順謙,卿清濤,侯美亭,等.基于溫度植被干旱指數(shù)的四川伏旱遙感監(jiān)測與影響評估 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9)：141-146.

[11] 楊虎,楊忠東.中國陸地區(qū)域陸表溫度業(yè)務(wù)化遙感反演算法及產(chǎn)品運行系統(tǒng)[J].遙感學(xué)報,2006,10(4)：600-607.

On the Application of RS Techn ique toM on itoring of Dried Basin of Yuncheng

ZHANGWeina

0494-0911(2010)07-0023-04

P237

B

2009-11-26

張維娜(1962—),女,山東濟南人,主要研究方向為遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)字檔案管理。