使用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測南亞旱情

P.S.森卡巴伊爾等

1 背景

使用1982～1999年的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析南亞的干旱歷史模式和2000年以后的干旱模式，并通過歷時(shí)8 d的MODIS衛(wèi)星圖像進(jìn)行分析。對(duì)借助于衛(wèi)星獲得的高分辨率輻射(AVHRR)數(shù)據(jù)和中分辨率輻射(MODIS)數(shù)據(jù)，運(yùn)用回歸分析即可得到干旱的相關(guān)系數(shù)。這些是以逐年每月為單位進(jìn)行回歸分析，且在研究區(qū)域之外隨機(jī)選點(diǎn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

在過去20 a，不斷增加的人口導(dǎo)致南亞地區(qū)的水需求和其他自然資源的需求增加。最近的干旱發(fā)生于2000～2003年，受影響人口超過1億，旱災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)位于印度古吉拉特和拉賈斯坦邦、巴基斯坦的信德和俾路支省，以及伊朗和阿富汗的部分地區(qū)。

對(duì)于南亞國家來說，應(yīng)適當(dāng)量化干旱的影響，實(shí)行干旱監(jiān)測和報(bào)告機(jī)制。當(dāng)?shù)卣蛧H救濟(jì)機(jī)構(gòu)的抗旱能力受制于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏、信息網(wǎng)絡(luò)薄弱，以及技術(shù)和體制等方面的因素。有些國家，例如阿富汗等，進(jìn)行干旱監(jiān)測和相關(guān)管理體制與機(jī)構(gòu)建設(shè)的工作剛剛起步，致使旱情監(jiān)測和報(bào)告程序落后于實(shí)際發(fā)展的旱情。

傳統(tǒng)的干旱評(píng)估和監(jiān)測方法依賴于降水?dāng)?shù)據(jù)，受具體地區(qū)的限制，經(jīng)常不準(zhǔn)確，而且，更重要的是難以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。相比之下，衛(wèi)星傳感器傳來的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可用，且可以監(jiān)測干旱的發(fā)生地點(diǎn)、持續(xù)時(shí)間以及旱情的嚴(yán)重程度，同時(shí)還可以使用遙感技術(shù)，在農(nóng)作物收獲前5 d至13周對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。世界各地的植被情況，可以通過美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的美國國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)(NESDIS)免費(fèi)獲得，該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)為AVHRR數(shù)據(jù)。

使用AVHRR數(shù)據(jù)得到的一些干旱參數(shù)，其分辨率在10 km以上，而對(duì)于較小地區(qū)，例如一個(gè)村莊來說，這個(gè)精度有點(diǎn)低。最近有研究者使用美國國家航空航天局(NASA)和美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱分析，可以得到空間范圍更小、時(shí)間間隔更短的旱情監(jiān)測結(jié)果。

目前，該地區(qū)沒有有效的與旱情相關(guān)的信息分析和傳遞系統(tǒng)，自1986年以來，只有印度國家遙感機(jī)構(gòu)(NRAI)在使用衛(wèi)星傳感器和AVHRR數(shù)據(jù)進(jìn)行旱情的粗略分析和監(jiān)測。印度衛(wèi)星傳感器分析的旱情空間精度能達(dá)到188 m，時(shí)間間隔達(dá)一周。然而，目前這些數(shù)據(jù)和結(jié)果只能在印度空間和遙感領(lǐng)域獲得，其他國家可通過區(qū)域合作獲得?？捎糜诤登楸O(jiān)測的還有植被狀況傳感器以及MODIS數(shù)據(jù)傳感器。

在南亞地區(qū)實(shí)施衛(wèi)星遙感抗旱研究，旨在將AVHRR和MODIS相結(jié)合，用于對(duì)一個(gè)地區(qū)的旱情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)估。但面臨的挑戰(zhàn)是，應(yīng)在這兩種傳感器之間建立一種關(guān)系，以便能連續(xù)監(jiān)測，并方便與未來的旱情進(jìn)行對(duì)比。另外，報(bào)告系統(tǒng)應(yīng)能在研究區(qū)域的不同位置監(jiān)測旱情的變化情況。

南亞旱情遙感研究范圍覆蓋阿富汗、巴基斯坦和印度西部地區(qū)，這些國家和地區(qū)很容易發(fā)生干旱。目前，不同的政府機(jī)構(gòu)和非政府組織都在該區(qū)域進(jìn)行干旱評(píng)估，分析應(yīng)對(duì)策略。某些研究成果在將來可能會(huì)得到推廣應(yīng)用。未來應(yīng)擴(kuò)展南亞旱情遙感研究范圍，甚至可以覆蓋整個(gè)南亞，包括從伊朗到孟加拉，從尼泊爾到斯里蘭卡。

2 數(shù)據(jù)和方法

MODIS及其前身AVHRR數(shù)據(jù)至少每天覆蓋全球一次。AVHRR傳感器收集的光譜數(shù)據(jù)包括5個(gè)波段，即紅色可見光(0.58 ～0.60 μm)，近紅外(0.725 ～1.100 μm)，中型紅外(3.55 ～3.93 μm)和兩個(gè)熱紅外波段(10.30～11.30 μm和11.5～12.5 μm)，以及正態(tài)植被指數(shù)(NDVI)，這些都是研究時(shí)所用到的數(shù)據(jù)。長時(shí)間系列的AVHRR數(shù)據(jù)空間分辨率約為10 km×10 km，這些可以從美國國家航空航天局網(wǎng)站上免費(fèi)獲得。

MODIS是AVHRR的更新和發(fā)展，是美國航空航天局觀測地球生態(tài)系統(tǒng)的傳感器傳向地面的數(shù)據(jù)。與AVHRR相比，MODIS對(duì)植被的變化更敏感、更精確。其傳感器可采集36個(gè)光譜波段，空間分辨率為250～1000 m，這36個(gè)波段融合了對(duì)大氣、陸地和海洋方面的資訊。目前，MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為8 d，數(shù)據(jù)系列的開始時(shí)間為2000年。這些數(shù)據(jù)可以從美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站上免費(fèi)獲得。

印度新型衛(wèi)星傳感器(WiFS)所獲得的數(shù)據(jù)比MODIS數(shù)據(jù)更為精確，但周邊其他國家卻不容易得到，這使得周邊國家只能依靠美國的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行旱情監(jiān)測。使用MODIS數(shù)據(jù)還有其他一些優(yōu)點(diǎn):①WiFS數(shù)據(jù)是收費(fèi)的，而MODIS數(shù)據(jù)是免費(fèi)的。②與WiFS數(shù)據(jù)不同，近期(8 d內(nèi))的MODIS數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)得到。③MODIS具有優(yōu)良的互聯(lián)網(wǎng)搜索和瀏覽功能，WiFS目前還不具備該功能。④MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過多次校準(zhǔn)、預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化，其可利用程度高。

3 旱情監(jiān)測指標(biāo)

旱情監(jiān)測指標(biāo)由AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)生，而對(duì)植被狀況的測量，包括植物類型、生長階段、覆蓋情況和結(jié)構(gòu)等要素，需利用到近紅外部分的光波。研究人員利用兩個(gè)及其以上的反射光譜數(shù)據(jù)，即可提取植被信號(hào)，消減地形、太陽角度和環(huán)境對(duì)信號(hào)的干擾;使用正態(tài)植被指數(shù)偏差(NDVI)和植被狀況指數(shù)(VCI)來表征植物的旱情特征。植被狀況指數(shù)以百分?jǐn)?shù)表示，例如VCI等于50%，表示植被的旱情為中等;50% ～100%，表示旱情正?；蛘卟惶珊?低于50%，則表示植被為比較干旱;低于35%，表示植被處于極端干旱的狀態(tài)。

濕度參數(shù)為TCI，其定義與VCI類似，主要是考慮植被對(duì)濕度的反應(yīng)情況。結(jié)合地面氣象觀測，在農(nóng)作物遭受旱災(zāi)之前，通過地表溫度與溫度的關(guān)系，就可以預(yù)測其可能的影響區(qū)域，TCI可以在旱情監(jiān)測中起到重要的作用。隨著輻射強(qiáng)度和時(shí)間分辨率的提高，從MODIS獲得的紅外數(shù)據(jù)能夠更準(zhǔn)確地反映地表旱情。

4 未來旱情預(yù)測

作為未來旱情監(jiān)測程序的一個(gè)重要部分，通過分析AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)，可以得到NDVI的最大值、最小值和長期平均值，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)派生，以預(yù)測未來的旱情。由于MODIS數(shù)據(jù)從2000年才開始向地面?zhèn)魉?，因此，其時(shí)間還比較“短暫”，但是結(jié)合使用AVHRR數(shù)據(jù)，同樣可以得到空間精度為500 m的旱情預(yù)測。

5 結(jié)語

本文所介紹的南亞旱情監(jiān)測方法，是利用衛(wèi)星遙感技術(shù)傳送的AVHRR和MODIS數(shù)據(jù)建立模型，對(duì)某個(gè)區(qū)域的旱情進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測。本研究成果在南亞地區(qū)，包括阿富汗、巴基斯坦和印度西部，得到了驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明，所使用的遙測參數(shù)中，NDVI和VCI對(duì)于旱情評(píng)估比較敏感，但VCI并不穩(wěn)定，其他參數(shù)則還有待研究。通過對(duì)兩種傳感器的數(shù)據(jù)建立關(guān)系，從而得到長歷時(shí)的NDVI特征值，使空間的精度達(dá)到500 m。該結(jié)果對(duì)預(yù)測未來旱情非常重要，可將其用于制定某個(gè)區(qū)域的旱情監(jiān)測體系。尤其是對(duì)于缺乏地面氣象觀測數(shù)據(jù)、旱情范圍廣，且監(jiān)測技術(shù)落后的地區(qū)來說，特別適合采用該方法。