農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究現(xiàn)狀與展望

■中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點實驗室 李海亮 戴聲佩 羅紅霞

△1951~2007年我國農(nóng)業(yè)干旱分布圖（圖例表示受旱率）。

干旱是指由水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺現(xiàn)象，是一種對經(jīng)濟、社會和環(huán)境帶來巨大影響的自然現(xiàn)象。干旱出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長和影響范圍大，對國民經(jīng)濟特別是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，已經(jīng)成為世界性的重大自然災(zāi)害。近百年來全球變化最突出的特征就是氣候變暖，近年來尤為突出，這種氣候變化使部分地區(qū)極端氣候事件頻發(fā)。由于降水時空分布的不均，干旱災(zāi)害的發(fā)生頻率與強度都有逐漸增加的趨勢。歷史證明，社會經(jīng)濟和生產(chǎn)水平發(fā)展越高，對災(zāi)害和氣候變化的依賴性越高，據(jù)Obasi統(tǒng)計，全球氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失約占所有自然災(zāi)害損失的85%，其中干旱帶來的損失又占?xì)庀鬄?zāi)害的一半以上，可以說干旱帶來的影響幾乎遍及全世界。農(nóng)業(yè)干旱是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，是一個自然與人工結(jié)合的過程，涉及農(nóng)業(yè)、氣象、水文、植物生理等眾多學(xué)科。人類的活動很大程度上影響著作物的生長，作物干旱監(jiān)測面臨著較大的困難。農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測方法可以分為氣象監(jiān)測和遙感監(jiān)測。

農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)干旱氣象監(jiān)測研究

農(nóng)業(yè)干旱的氣象監(jiān)測方法是對氣象站點的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過所建立的干旱指標(biāo)對研究區(qū)域的旱情進(jìn)行監(jiān)測。農(nóng)業(yè)干旱的氣象監(jiān)測一直是國內(nèi)外研究的焦點，也形成了很多較成熟的干旱指數(shù)監(jiān)測方法

美國在20世紀(jì)初就開始了干旱指標(biāo)研究，一般都只是考慮降水量的因素。1906年，美國天氣局將干旱定義為任何21d或更長天數(shù)期間發(fā)生的降水等于或少于此間正常值的30%；1965年，W.Palmer發(fā)表了他的干旱指數(shù)模式（PDSI），提出了“對當(dāng)前氣候適宜降水”的概念。Palmer指數(shù)不僅在美國得到廣泛應(yīng)用，對世界其他地區(qū)同樣適用，成為許多人廣泛采用的監(jiān)測和評估長期氣象干旱和濕潤條件的工具。1993年，McKee等人在研究科羅拉多州干旱狀況時提出用標(biāo)準(zhǔn)化降水量指數(shù)（SPI）來替代PDSI，認(rèn)為實測降水量的概率分布是一種偏態(tài)分布，不是正態(tài)分布，因此，采用r分布概率來描述降水量的變化，然后經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化求累積概率作為評估干旱的指數(shù)。SPI能夠較好地反映干旱強度和持續(xù)時間，而且具有多時間尺度應(yīng)用的特性，使得用同一個干旱指標(biāo)反映不同時間尺度和不同方面的狀況成為可能，因而得到廣泛應(yīng)用。

1998年，國內(nèi)張強等以北京為例對降水距平百分率、降水溫度均一化指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)進(jìn)行了對比分析，在吸取標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)和降水溫度均一化指標(biāo)的優(yōu)點的基礎(chǔ)上，建立了新的干旱指標(biāo)Ik，張強將標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和相對濕潤度指數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到綜合指數(shù)Ci，Ci在各級氣象部門干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)中應(yīng)用極廣。我國各省氣象局均依據(jù)《氣象干旱等級》中指定的干旱指標(biāo)建立了干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)。廣州區(qū)域氣象中心建成了廣東省干旱綜合監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，采用《氣象干旱等級》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5種干旱監(jiān)測指標(biāo)方法（降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)、土壤相對濕度指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)）。2006年，王春林等結(jié)合廣東實際旱情，運用Z指數(shù)、地表溫度日較差、植被供水指數(shù)，分析了不同指標(biāo)對廣東干旱監(jiān)測的適用性特點，并根據(jù)土壤水分平衡原理，構(gòu)造了干旱逐日動態(tài)監(jiān)測模型，可制作9種干旱指標(biāo)監(jiān)測產(chǎn)品。2008年蘭州區(qū)域氣候中心建立了西北區(qū)域干旱預(yù)警評估服務(wù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將不同的干旱監(jiān)測、預(yù)警、評估指標(biāo)與模型集成到業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，建成了基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的西北區(qū)域干旱監(jiān)測預(yù)警評估業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)。2009年，黃永學(xué)等利用基于WebGIS的湖北省干旱監(jiān)測系統(tǒng)對湖北省干早發(fā)生頻率變化趨勢進(jìn)行了分析研究。

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測研究

農(nóng)業(yè)干旱的遙感監(jiān)測方法很多，主要是從土壤濕度和作物需水狀況進(jìn)行遙感監(jiān)測。土壤濕度的遙感監(jiān)測主要有微波遙感法、熱貫量法；作物需水狀況的監(jiān)測指標(biāo)主要有作物形態(tài)指標(biāo)（如條件植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)等）、作物生理指標(biāo)（如冠層溫度、冠層含水量等）、作物綜合指標(biāo)（如植被供水指數(shù)、溫度植被干旱指數(shù)等）。

◎土壤濕度的遙感監(jiān)測

1999年，陳懷亮等建立了不同土壤質(zhì)地的熱慣量模型，同時引入地形和風(fēng)場參數(shù)，提高了水分反演的精度，此類方法在實際應(yīng)用中的難度在于地形和風(fēng)場參數(shù)的確定。2001年，張仁華等利用土壤受光面和陰影面、葉子受光面和陰影面的溫差信息，將熱慣量模型、熱量平衡模型和溫差模型結(jié)合起來，開辟了利用多角度遙感數(shù)據(jù)反演土壤濕度的新途徑。2002年，李震等綜合主動和被動微波數(shù)據(jù)以及光學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)測了土壤濕度的變化。2006年，RajatBindlish利用改進(jìn)的IEM模型，得到了與實際土壤濕度相關(guān)性高達(dá)0.95的反演結(jié)果。微波遙感不受云的干擾，可以全天時使用，對土壤水分的估算精度較高，但當(dāng)前微波遙感通常只能反演土壤表層的濕度，而作物根系通常都在10cm～20cm以下，因此應(yīng)用于農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測有一定的局限性。

◎作物需水狀況的遙感監(jiān)測

1996年，Gutman等利用全球1988~1991年NOAA/AVHRR月NDVI時間序列數(shù)據(jù)對全球進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)NDVI的月變化可以對極端的天氣如旱災(zāi)與洪澇進(jìn)行監(jiān)測。2004年，Gonzalez-alonse等對西班牙1987~2001年每旬NDVI值的分析表明，利用NDVI最大值的方差能更好地對旱情范圍、強度和動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并成功地分析出1988~1992年西班牙大面積的旱災(zāi)。1996年，為了消除NDVI的空間變異，減少地理和生態(tài)系統(tǒng)變量的影響，Kogan提出條件植被指數(shù)VCI。蔡斌等用VCI參照降水對全國1991年春季干旱進(jìn)行了監(jiān)測和研究，認(rèn)為VCI可用來進(jìn)行旱、澇監(jiān)測。Idso等于1981年根據(jù)冠層溫度與空氣溫度的差與空氣水汽壓的經(jīng)驗關(guān)系，提出了作物水分脅迫指數(shù)（CWSI）。1994年Moran等在能量平衡雙層模型的基礎(chǔ)上建立了水分虧缺指數(shù)（WDI）。Cao在1996年提出了歸一化差值水分指數(shù)（NDWI）。2004年宋小寧等通過分析NDWI曲線發(fā)現(xiàn)，水體、植被覆蓋區(qū)和沙地之間的濕度信息差異比較顯著。植被供水指數(shù)（VSWI）是一個較為簡單的植被指數(shù)—溫度作物旱情綜合指數(shù)，1998年劉麗等研究表明VSWI適用于植被覆蓋度高的地區(qū)。王鵬新等2003年提出了條件植被溫度指數(shù)（VTCI）。Kogan將TCI和VCI進(jìn)行線性組合形成了植被健康指數(shù)（VHI），2007年，牟伶俐等在山西太谷和山東濟寧的試驗結(jié)果顯示VHI能較好地反映作物受旱情況。

農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)研究

建立監(jiān)測旱情的業(yè)務(wù)運行系統(tǒng)，可將旱情實時監(jiān)測或評估的結(jié)果，迅速、及時、有效地上報有關(guān)單位和部門，為各級領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)；從而達(dá)到及時采取各種防范措施，將旱情造成的損失降至最低點的目的。

◎WebGIS系統(tǒng)的發(fā)展概況

WebGIS是一種典型的基于Internet的網(wǎng)絡(luò)GIS。目前，各個領(lǐng)域?qū)ebGIS的應(yīng)用需要越來越大。隨著網(wǎng)絡(luò)和GIS技術(shù)的發(fā)展，WebGIS正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、互操作這一方向邁進(jìn)。WebGIS的興起，無疑將會推動WebGIS進(jìn)入一個嶄新的時期。從20世紀(jì)90年代開始，各種WebGIS系統(tǒng)紛紛涌現(xiàn)，各大GIS商業(yè)軟件都在向Web靠攏，開始把自己的GIS產(chǎn)品與WWW掛鉤、接軌和包裝。我國很多氣象科學(xué)工作者將GIS與氣象應(yīng)用結(jié)合，建設(shè)了很多基于WebGIS的氣象應(yīng)用系統(tǒng)。2004年，高梅等人應(yīng)用北京中遙地網(wǎng)信息技術(shù)公司的地網(wǎng)GeoBeans系統(tǒng)軟件開發(fā)了一套基于WebGIS的氣象科研數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，實現(xiàn)了WebGIS環(huán)境下數(shù)據(jù)的可視化查詢和顯示，實現(xiàn)了統(tǒng)計圖表的制作，包括直方圖、餅圖等以及空間與屬性數(shù)據(jù)的雙向查詢。同年，莊立偉等人依托全國氣象部門觀測臺站通信網(wǎng)絡(luò)，開展了基于WebGIS技術(shù)的農(nóng)業(yè)氣象信息共享與發(fā)布技術(shù)研究。

◎干旱監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

從1996年起，國內(nèi)陸續(xù)開發(fā)研究旱情監(jiān)測系統(tǒng)。1996年，李杏朝等使用ArcInfo軟件遙感監(jiān)測旱情。1997年，霍成福等嘗試獨立開發(fā)旱情監(jiān)測系統(tǒng)。陳懷亮、王振龍、馮強、賀俊杰等分別采用不同語言和方法獨立開發(fā)了旱情監(jiān)測系統(tǒng)。利用WebGIS技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測的業(yè)務(wù)化運行的研究目前還不多，申廣榮等基于GIS軟件的旱情監(jiān)測二次開發(fā)產(chǎn)品在國內(nèi)最具代表性。2009年，張樹譽等人利用MODIS遙感資料和地面加密氣象與土壤濕度觀測資料，綜合氣候、植被、水文和地質(zhì)環(huán)境等因素，利用WebGIS技術(shù)建立了干旱監(jiān)測評估業(yè)務(wù)平臺。同年，黃永學(xué)等開發(fā)建設(shè)了一個基于WebGIS的湖北省干旱災(zāi)害監(jiān)測與分析的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以在精細(xì)空間尺度上對全省干旱災(zāi)害進(jìn)行連續(xù)、動態(tài)、定量化、可視化的監(jiān)測與分析研究，以圖表等多種形式為用戶提供多種干旱指數(shù)的分析信息，為防災(zāi)減災(zāi)提供決策支持和信息服務(wù)。

農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究發(fā)展趨勢

農(nóng)業(yè)干旱是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，涉及農(nóng)業(yè)、氣象、水文、植物生理等眾多學(xué)科，同時農(nóng)業(yè)是一個自然與人工結(jié)合的過程，人類的干預(yù)很大程度上影響著作物的生長，作物干旱監(jiān)測面臨著較大的困難。遙感技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測提供了新的機遇。遙感數(shù)據(jù)包含著地表的綜合信息，而農(nóng)業(yè)干旱正是由于作物、土壤、大氣等因素共同作用的結(jié)果，因而遙感技術(shù)應(yīng)用于干旱監(jiān)測具有較大的潛力。但是目前而言，農(nóng)業(yè)干旱的遙感監(jiān)測大都只是在試驗性的研究，難以實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行，主要存在以下兩個問題，一是單一的指數(shù)法進(jìn)行旱情監(jiān)測精度有限，無法保證全國范圍內(nèi)的適用；二是一些指數(shù)雖然可以相對精確地做出監(jiān)測，但是計算過程復(fù)雜，需要的地表參數(shù)比較多，而且不容易獲得，只適合于小區(qū)域的研究，不適合長期的業(yè)務(wù)化運行以及每旬的匯報。合理的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法應(yīng)該把作物生長機理與環(huán)境信息結(jié)合起來，農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究的發(fā)展趨勢將是加強作物生理、形態(tài)指標(biāo)與土壤濕度指標(biāo)的結(jié)合，由于現(xiàn)在可用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源較多，可考慮利用多個衛(wèi)星傳感器同時對農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行監(jiān)測，綜合雷達(dá)數(shù)據(jù)和可見光數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，使監(jiān)測結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確、及時。利用遙感方法的優(yōu)勢，結(jié)合氣象等環(huán)境信息，探求一個計算簡便、數(shù)據(jù)容易獲取，重復(fù)周期短，適用于大尺度的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法，并利用WebGIS的技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行將是農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測研究的一個重要發(fā)展方向。