MODIS數(shù)據(jù)在湖北旱情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

刁 偉，孟令奎，張東映，郭善昕

（武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

0 引言

干旱是世界范圍內(nèi)最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，不僅影響區(qū)域廣大，而且危害也最為嚴(yán)重，直接阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于干旱的監(jiān)測(cè)一直是世界公認(rèn)的難題。人們最初使用氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)干旱狀況，但由于提供全國氣象數(shù)據(jù)的氣象站點(diǎn)較為稀疏，難以表征站點(diǎn)周圍大面積區(qū)域的旱情狀況，且無法保證數(shù)據(jù)獲取的實(shí)時(shí)性和完整性，所以氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)干旱的精確性和實(shí)時(shí)性較低。

近年來，遙感技術(shù)呈現(xiàn)出探測(cè)周期短、現(xiàn)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)獲取便捷、可大面積宏觀監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)[3]，因此利用遙感技術(shù)對(duì)旱情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)定位大面積區(qū)域當(dāng)前的旱情嚴(yán)重程度，并做出合理的評(píng)估和預(yù)測(cè)。

現(xiàn)有的遙感旱情監(jiān)測(cè)方案中使用的遙感數(shù)據(jù)源主要包括中等分辨率的 MODIS（中分辨率成像光譜儀）和 NOAA/AVHRR 影像數(shù)據(jù)。相對(duì)于 NOAA數(shù)據(jù)來說，MODIS 數(shù)據(jù)具有更高的空間分辨率，更多的觀測(cè)通道，且重訪周期較短、獲取便捷，因此比較適合在大面積突發(fā)性災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估中應(yīng)用[4-7]。本文主要研究探討 MODIS 數(shù)據(jù)在湖北省旱情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，以期充分發(fā)揮 MODIS 數(shù)據(jù)高時(shí)間分辨率和大面積監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，為防旱抗旱工作提供更為及時(shí)可靠的背景知識(shí)和決策支撐。

1 MODIS 數(shù)據(jù)特點(diǎn)及處理

1.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

MODIS 傳感器是 EOS（Earth Observation System）系列衛(wèi)星（Aqua 和 Terra）的主要探測(cè)儀器，屬于新一代“圖譜合一”的高光譜類傳感器。MODIS 獲取的數(shù)據(jù)是唯一由 NASA（美國國家航空航天局）提供免費(fèi)廣播服務(wù)的一種數(shù)據(jù)，每 1～2 d可覆蓋全球 1 遍，具有較高的時(shí)間分辨率。同時(shí)，MODIS 的掃描寬度為 2330 km，有 36 個(gè)波段（含陸地波段 13 個(gè)），空間分辨率最高可以達(dá)到 250 m[1]（第 1，2 波段）。對(duì)于湖北區(qū)域大面積動(dòng)態(tài)旱情遙感監(jiān)測(cè)來說，MODIS 數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間、光譜分辨率及數(shù)據(jù)獲取途徑上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是 NOAA/AVHRR 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)無法相比的。

1.2 監(jiān)測(cè)模型及數(shù)據(jù)處理

2006 年，阿布都瓦斯提[2]等人依據(jù)近紅外波段與紅波段構(gòu)造的特征空間中土壤水分的空間分布特征提出垂直干旱指數(shù)（PDI）的概念，公式如下：

式中：R 代表經(jīng)過大氣校正的波段反射率，red 表示紅光波段，nir 表示近紅外波段；M 為土壤線的斜率。垂直干旱指數(shù)描述了 NIR-Red 光譜特征空間中土壤水分的分布規(guī)律[9-10]：PDI 值越高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著土壤含水量低的區(qū)域；反之，PDI 值越低的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著土壤含水量越高的區(qū)域。

雖然 PDI 可以很好地表征地物在某一時(shí)刻的土壤水分含量，但是對(duì)于大面積區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)，由于不同地區(qū)的氣候條件、土壤類型、種植結(jié)構(gòu)等均有較大不同，因此在分析某一地區(qū)旱情嚴(yán)重程度時(shí)，需要將研究時(shí)間段的旱情指數(shù)與該地區(qū)歷史同一時(shí)間段內(nèi)的旱情指數(shù)作對(duì)比，以此分析和判定該區(qū)域相對(duì)于歷史同期的旱情狀況。

從 NASA 網(wǎng)站上[8]可以獲取研究區(qū) 2002—2011年間的 MODIS 歷史數(shù)據(jù)，因此可以使用這 10 a 歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算得到 PDI 的極大值和極小值歷史影像庫。將計(jì)算得到的 PDI 通過歷史極值影像庫進(jìn)行歸一化處理，對(duì)于小于 0 的部分用數(shù)值 0 代替，高于 1的部分用數(shù)值 1 代替，以使其值域區(qū)間劃歸到 0～1之間，歸一化的干旱監(jiān)測(cè)指數(shù) NPDI 具體計(jì)算如下：式中：PDImax和 PDImin分別為歷史同一時(shí)期對(duì)應(yīng)點(diǎn)位區(qū)域上 PDI 的極大值和極小值。從式（2）可以發(fā)現(xiàn)，NPDI 的值越高，說明該地區(qū)相對(duì)于歷史同期而言旱情狀況越嚴(yán)重；值越低，說明旱情狀況越輕微甚至沒有旱情發(fā)生。

選取某個(gè)月份每日的 MODIS 單景影像，分別對(duì)其進(jìn)行幾何糾正、輻射校正、重投影、拼接裁剪等加工處理，并使用最大值合成方法將每日的多幅單景影像加工為日合成影像，每 10 d 將日合成影像加工為旬合成影像產(chǎn)品。使用式（1）即可計(jì)算得到研究區(qū)域研究月份的上、中、下 3 旬的垂直干旱指數(shù)影像。

歷史庫影像可以直接在 NASA 網(wǎng)站上下載每日的反射率產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過同樣的處理步驟即可構(gòu)造PDI 的歷史影像庫。使用歷史庫對(duì)每旬的 PDI 影像進(jìn)行歸一化，最終得到歸一化垂直干旱指數(shù)旬合成影像產(chǎn)品。

2 MODIS 數(shù)據(jù)在湖北旱情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

湖北省位于我國的中南部，長江中游，是我國的經(jīng)濟(jì)中心、重要的生產(chǎn)基地。

近幾年，湖北省連年發(fā)生大旱，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來了極大的威脅。2012 年湖北省大部分地區(qū)降水量與歷史同期相比偏少 3～5 成，多地出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，其中隨州等地更是遭遇 60 年一遇的特大干旱。2012 年 8 月，湖北省西北部和中部局部地區(qū)發(fā)生較為嚴(yán)重的干旱，隨州、荊門、襄陽、孝感等地局部地域受災(zāi)嚴(yán)重。

為分析通過遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)的旱情監(jiān)測(cè)成果的準(zhǔn)確性，基于干旱監(jiān)測(cè)模型和 MODIS 數(shù)據(jù)方法，對(duì)2012 年 8 月上、中、下 3 旬的湖北省 MODIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。通過數(shù)據(jù)處理和分析，可以得到湖北區(qū)域每旬的旱情指數(shù)圖。在 Arcgis 軟件中打開旱情指數(shù)圖，并疊加湖北省市級(jí)行政區(qū)劃圖，即可得到湖北省各市的遙感旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果圖，如圖1～3所示。分別對(duì)每旬的遙感旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果圖進(jìn)行分析，具體如下：

1）圖1 所示為 2012 年 8 月上旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖像顯示，除了武漢市、襄陽中北部、荊州東部、隨州西南部等地旱情指數(shù)在 0.7 以上，與其它地區(qū)相比有明顯旱情發(fā)展趨勢(shì)以外，湖北省全省范圍內(nèi)基本無明顯旱情。

2）圖2 所示為 2012 年 8 月中旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，上旬至中旬期間，湖北省中東部、西北部、西南部等地旱情指數(shù)顯著增大，出現(xiàn)較為明顯的旱情，其中以荊州東部、仙桃東部、孝感中北部、鄂州中北部、武漢、荊門中部和襄陽中西部等地區(qū)為主要發(fā)生區(qū)域，局部地區(qū)旱情指數(shù)達(dá)到了 0.9 以上。

根據(jù)水利部防汛抗旱水文氣象綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的旬降水距平數(shù)據(jù)和湖北省農(nóng)業(yè)廳提供的土壤墑情數(shù)據(jù)可知：2012 年 8 月上旬期間，湖北省全省范圍內(nèi)基本無降水，尤其是湖北中東部、西南部等地區(qū)，降水異常偏少，較往年平均水平低 50% 以上，持續(xù)的無降水天氣造成湖北地區(qū)較為嚴(yán)重的氣象干旱；同時(shí)，全省大部分地區(qū)墑情不足，尤其是西北、東北地區(qū)，嚴(yán)重缺墑，造成較為嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)干旱。由此可以發(fā)現(xiàn)，遙感旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果在整體上與地面降水等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

3）圖3 所示為 2012 年 8 月下旬湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖像顯示，湖北省全省范圍內(nèi)旱情程度較中旬有明顯緩解，除了武漢市、咸寧中北部、荊州東部、黃石北部等局部地區(qū)旱情指數(shù)仍有偏高，存在一定程度的旱情趨勢(shì)以外，其它地區(qū)基本無較為明顯的干旱情況。

同樣，根據(jù)防汛抗旱水文氣象綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供的旬降水距平數(shù)據(jù)和湖北省農(nóng)業(yè)廳提供的土壤墑情數(shù)據(jù)可知：2012年 8 月中旬期間，湖北西部和東部局部地區(qū)出現(xiàn)較多降雨，土壤墑情適宜，而西北部和中部仍然降水偏少，土壤墑情不足；到了下旬，湖北西北西部、西南東部及東南大部有較多降水，中部、東北西部、鄂西南西部降水略少，土壤墑情除了西北東部至東北西部仍有不足以外，其它地區(qū)皆適宜或者充足，氣象和農(nóng)業(yè)干旱嚴(yán)重程度明顯得到緩解。整體來看，遙感旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果與地面實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

圖1 湖北省2012年8月上旬遙感旱情監(jiān)測(cè)圖

圖2 湖北省2012年8月中旬遙感旱情監(jiān)測(cè)圖

從分析可以發(fā)現(xiàn)，使用 MODIS 數(shù)據(jù)遙感旱情監(jiān)測(cè)模型反演得到的旱情嚴(yán)重程度與發(fā)展趨勢(shì)和地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整體走勢(shì)基本吻合，局部地區(qū)（如武漢）因城市熱島效應(yīng)的影響而存在一定的偏差。此外，通過走勢(shì)對(duì)比分析也可以看出使用遙感手段監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)旱情存在一定的滯后性。

但就整體效果而言，基于遙感旱情監(jiān)測(cè)模型對(duì) MODIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行旱情程度和走勢(shì)分析，具有很好的實(shí)用性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大面積區(qū)域的旱情狀況，具備傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)。此外，MODIS數(shù)據(jù)的重訪周期為 1～2 d，而大面積的旱情監(jiān)測(cè)大多以旬為時(shí)間單位，主要為制定下一段時(shí)間內(nèi)的防旱抗旱措施提供依據(jù)，因此，MODIS 數(shù)據(jù)完全能夠滿足湖北區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)對(duì)遙感影像的時(shí)間分辨率要求。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)工作中，將利用遙感技術(shù)進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果與 GIS 技術(shù)相結(jié)合，通過疊加歷史影像，以及城鎮(zhèn)、交通、土地利用等 GIS 數(shù)據(jù)，可以為政府決策部門提供更加全面綜合的決策支持信息。這對(duì)我國的國民生產(chǎn)，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水利規(guī)劃，也都具有非常重要的意義。

3 結(jié)語

掌握旱情的最新動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)旱情的發(fā)展趨勢(shì)，提高旱情監(jiān)測(cè)反演的準(zhǔn)確性，是政府部門防旱抗旱工作的關(guān)鍵任務(wù)之一。本文基于歷史庫歸一化的垂直干旱指數(shù)模型，使用 MODIS 數(shù)據(jù)對(duì) 2012 年 8 月上、中、下 3 旬的湖北省旱情狀況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和分析，并結(jié)合降水距平數(shù)據(jù)和土壤墑情數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于 MODIS 數(shù)據(jù)的歸一化垂直干旱指數(shù)模型在湖北區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)中具有較好的應(yīng)用效果，MODIS 數(shù)據(jù)可以很好地用于大面積區(qū)域的旱情監(jiān)測(cè)。

本文的旱情指數(shù)是在歷史庫數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)歸一化處理，充分考慮了地物歷史狀態(tài)的影響。但是 MODIS 的數(shù)據(jù)只有 10 a 的歷史，并不能完全包含地物發(fā)展的各種狀態(tài)。例如某地物所在地區(qū)在2002—2011 年都沒有發(fā)生干旱，而 2012 年發(fā)生輕微旱情，會(huì)導(dǎo)致該地物的狀態(tài)被誤判為極旱。隨著MODIS 數(shù)據(jù)歷史庫的積累年限越來越長，MODIS數(shù)據(jù)在旱情監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果也將愈加完善。

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