MODIS－TVDI指數(shù)監(jiān)測(cè)新疆干旱動(dòng)態(tài)

劉星含，張佳華，2，許曉宏

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球?qū)嶒?yàn)室，北京100094）

MODIS－TVDI指數(shù)監(jiān)測(cè)新疆干旱動(dòng)態(tài)

劉星含1，張佳華1，2，許曉宏1

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100；2.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球?qū)嶒?yàn)室，北京100094）

針對(duì)近年頻發(fā)的干旱情況不能準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)估的問(wèn)題，該文以新疆為研究區(qū)域，基于溫度植被干旱指數(shù)方法，利用2007年到2012年3月～8月MODIS合成產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取歸一化植被指數(shù)和陸地地表溫度，構(gòu)建LST－NDVI特征空間，得到全區(qū)的溫度植被干旱指數(shù)和旱情等級(jí)空間分布圖，分析了新疆干旱變化趨勢(shì)，驗(yàn)證了溫度植被干旱指數(shù)和降水因子的關(guān)系。結(jié)果表明：2007年～2012年新疆的干旱面積逐年趨于平穩(wěn)，空間上表現(xiàn)為南疆旱情高于北疆，春季旱情高于夏季，降水量是影響溫度植被干旱指數(shù)的重要因子。該研究為政府部門對(duì)新疆旱情嚴(yán)重地區(qū)治理提供了有效數(shù)據(jù)保證。

歸一化植被指數(shù)；陸地表面溫度；溫度植被干旱指數(shù)；干旱監(jiān)測(cè)；干旱評(píng)估

1 引 言

干旱與其他自然災(zāi)害相比，出現(xiàn)的頻率最高，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，影響范圍最大，除了危害作物生長(zhǎng)，造成作物減產(chǎn)，同時(shí)還危害居民生活，影響工業(yè)生產(chǎn)和其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。

基于地面觀測(cè)的干旱監(jiān)測(cè)方法主要是基于地面站點(diǎn)的土壤墑情數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性、代表性和完整性都存在局限，遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠利用傳感器獲取及時(shí)、客觀的大范圍綜合地表信息，同時(shí)監(jiān)測(cè)陸地表面溫度和植被生長(zhǎng)狀態(tài)，這使遙感技術(shù)成為了區(qū)域旱情監(jiān)測(cè)的重要手段。

國(guó)外學(xué)者利用遙感進(jìn)行土壤水分監(jiān)測(cè)研究開始于20世紀(jì)60年代末。20世紀(jì)70年代，Bowers和Hanks等［1］對(duì)土壤光譜反射特性進(jìn)行了研究；Watsom等［2］首次提出了用地表溫度日較差推算熱慣量的簡(jiǎn)單模式。Carlson T N［3］在估算土壤有效水分和熱慣量研究中，較早開展了利用NOAA／AVHRR遙感資料進(jìn)行大面積作物旱情監(jiān)測(cè)的嘗試。1990年之后，國(guó)外在土壤水分遙感定量反演方面得到了新的發(fā)展，并逐步實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化系統(tǒng)應(yīng)用。從Moran對(duì)歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）和陸地地表溫度（Land Surface Temperature，LST）的相關(guān)性研究開始，多項(xiàng)研究表明NDVI和LST之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)性［4－5］。Price和Carlson等［3，6］研究發(fā)現(xiàn)，若研究區(qū)域包含地表覆蓋植被類型從裸土到密閉植被冠層，土壤濕度由干旱到濕潤(rùn)，則該區(qū)域內(nèi)每個(gè)像元的植被指數(shù)和地表溫度組成的散點(diǎn)圖呈現(xiàn)為梯形，在此基礎(chǔ)上Sandholt等［7］提出了溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）的概念。

國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)入90年代后，在利用NOAA／AVHRR資料進(jìn)行土壤水分或干旱的宏觀監(jiān)測(cè)研究工作取得了很大進(jìn)步。肖乾廣等［8］利用NOAA／AVHRR數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)干旱情況進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；查勇［9］利用衛(wèi)星遙感圖像創(chuàng)建了統(tǒng)一的草地植被變化反演模型；柳欽火等［10］利用地表溫度和植被指數(shù)，將全國(guó)分為6個(gè)區(qū)進(jìn)行全國(guó)農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)；張順謙等［11］利用NOAA／AVHRR資料，結(jié)合四川省農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)測(cè)定的土壤濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)溫度植被旱情指數(shù)計(jì)算方法的改進(jìn)和旱情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的研究，建立了四川伏旱遙感監(jiān)測(cè)模型。田慶久和杜靈通［12］構(gòu)建了基于多遠(yuǎn)空間信息的干旱監(jiān)測(cè)模型。

新疆是干旱災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，由于特殊的地理和氣候環(huán)境，水資源時(shí)空分布不均勻，季節(jié)性供需矛盾大，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和不合理的人類運(yùn)動(dòng)等因素［13］，造成了新疆干旱常年發(fā)生。近年來(lái)，新疆地區(qū)頻繁的旱情讓研究者對(duì)該地區(qū)的干旱情況進(jìn)行了研究。姚春生等［14］使用溫度植被干旱指數(shù)法完成了新疆土壤濕度的反演。包安明等［15］利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)塔里木河下游的植被生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，完成了新疆生態(tài)環(huán)境建設(shè)的研究。

本文基于MODIS－TVDI方法開展2007年到2012年的新疆干旱監(jiān)測(cè)研究，構(gòu)建多年的LSTNDVI特征空間，得到新疆干旱情況分布圖。分析了2007年～2012年3月～8月新疆干旱變化情況，研究結(jié)果為政府部門對(duì)新疆旱情嚴(yán)重地區(qū)治理提供了有效的數(shù)據(jù)保證。

2 研究區(qū)域概況

新疆維吾爾自治區(qū)位于中國(guó)西北邊陲，總面積為1.6649×106km2。由于遠(yuǎn)離海洋、深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達(dá)，所以形成了典型的溫帶大陸性干旱氣候。區(qū)內(nèi)降水量山區(qū)多于盆地、西部多于東部、北部多于南部，氣候干燥，天山以南的南疆氣溫高于天山以北的北疆。

新疆的土地利用類型分為農(nóng)用地（37.85%）、建設(shè)用地（0.72%）和未利用地（61.43%）。農(nóng)用地分為耕地、園地、林地、牧草地和其他農(nóng)業(yè)用地，其中牧草地所占比例最大，達(dá)到30.82%；建筑用地分為居民點(diǎn)及工礦用地、交通用地和水利設(shè)施用地，所占比例依次為0.58%、0.03%、0.11%［16］。新疆的耕地主要分布在伊犁地區(qū)、昌吉自治州、塔城地區(qū)等，園地主要分布在巴州、阿克蘇、克州、喀什地區(qū)等，林地主要分布在伊犁地區(qū)、和田地區(qū)、巴州、阿勒泰地區(qū)，牧草地主要分布在伊利地區(qū)、阿勒泰地區(qū)。

通過(guò)新疆1961年～2005年88個(gè)氣象站多年的平均氣溫和降水量［17］，可以得到45年中的平均氣溫平均值為7.8℃，其中吐魯番最高（14.5℃），天山大西溝最低（－5.1℃）。平均降水量為154.6mm，其中天山小渠子最大（543.3mm），托克遜最?。?.8mm）。近年來(lái)，在新疆部分地區(qū)和小型灌溉區(qū)等易旱區(qū)域連年發(fā)生持續(xù)性干旱，嚴(yán)重影響了農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，給新疆的社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重危害。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

本文收集了研究區(qū)2007年～2012年3月～8月的MODIS11A2和MODIS13A3。MODIS11A2是8天合成空間分辨率為1km的陸地表面溫度產(chǎn)品，包括白天地表溫度、夜間地表溫度、31和32波段通道發(fā)射率等資料。該產(chǎn)品中的地表溫度是通過(guò)建立31、32通道亮溫線性組合的劈窗算法計(jì)算得到。MODIS13A3是月合成的空間分辨率為1km的植被指數(shù)產(chǎn)品。該產(chǎn)品包括NDVI、EVI、紅光、近紅外、中紅外、藍(lán)光等波段反射率以及其他輔助信息。MODIS13A3使用新的合成算法減小了隨觀測(cè)角度的變化和太陽(yáng)－目標(biāo)－傳感器幾何學(xué)因素引起的變化。在生成植被指數(shù)格點(diǎn)資料時(shí)將應(yīng)用分子散射、臭氧吸收、氣溶膠訂正算法、用BRDF模式將觀測(cè)量訂正到天頂角。將數(shù)據(jù)拼接、投影轉(zhuǎn)換，利用波段計(jì)算和裁剪完成預(yù)處理。本文遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA網(wǎng)站（http：／／ladsweb.nascom.nasa.gov）。

3.2 溫度植被干旱指數(shù)

Sandholt［7］等在研究中發(fā)現(xiàn)，LST－NDVI特征空間中有很多等值線，于是提出溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）的概念。TVDI由植被指數(shù)和地表溫度計(jì)算得到，其定義為：

TVDI＝（T－Tmin）／（Tmax－Tmin） （1）

其中T為任意像元的地表溫度；Tmin為NDVI對(duì)應(yīng)的最低地表溫度，即濕邊，Tmin＝a＋b× NDVI；Tmax為NDVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，即干邊，Tmax＝c＋d×NDVI；a、b、c、d是干濕邊擬合方程的系數(shù)。

TVDI的取值在0～1之間，TVDI值越大，表明該區(qū)域干旱越嚴(yán)重。在濕邊上TVDI＝0，在干邊上TVDI＝1，T越接近干邊，TVDI越大，土壤干旱情況越嚴(yán)重；相反，T越接近濕邊，TVDI越小，土壤含水量越高。對(duì)參數(shù)的計(jì)算要求研究區(qū)域范圍足夠大，地表覆蓋從裸土變化到稠密的植被覆蓋，土壤表層含水量從干燥到濕潤(rùn)。

3.3 干旱等級(jí)劃分

由于不同地區(qū)的氣候條件不同，各種干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)的適應(yīng)范圍差異大，在劃分干旱等級(jí)和監(jiān)測(cè)、評(píng)估干旱發(fā)生時(shí)，難以滿足不同地區(qū)的災(zāi)害需求。李國(guó)正［18］將TVDI按密度劃分為10個(gè)等級(jí)，然后又將其合并為濕潤(rùn)區(qū)（1～3）、偏濕潤(rùn)區(qū)（4～6）、偏干旱區(qū)（7～8）、干旱區(qū)（9～10）4個(gè)等級(jí)。吳孟泉等［19］將干旱劃分為5個(gè)等級(jí)，分別是水域（0～0.2）、濕潤(rùn)（0.2～0.4）、正常（0.4～0.6）、缺水（0.6～0.8）和干旱（0.8～1.0）。新疆的沙漠面積較大，干旱常年發(fā)生，利用李國(guó)正和吳孟泉的干旱等級(jí)劃分方法，研究區(qū)域除了盆地邊緣和高山腳下，基本被劃分為缺水和干旱區(qū)，無(wú)法得到直觀的新疆干旱圖。張順謙［11］根據(jù)中國(guó)氣象局提供的由土壤濕度Y進(jìn)行旱情分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合土壤濕度和研究區(qū)TVDI指數(shù)的線性擬合，反演得到各旱情等級(jí)的TVDI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)利用在新疆地區(qū)的TVDI分級(jí)效果較好，因此本文采用張順謙TVDI對(duì)干旱等級(jí)的劃分（表1）。

表1 干旱等級(jí)劃分表

4 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建2007年～2012年春季和夏季的LST－NDVI特征空間。在ENVI軟件下，使用IDL語(yǔ)言編程，經(jīng)過(guò)運(yùn)行輸出LST－NDVI散點(diǎn)圖，并得到所提取的NDVI下最大和最小陸地地表溫度Tmax和Tmin，并擬合回歸獲得干濕邊擬合方程（圖1）。特征空間中的干邊斜率小于0，說(shuō)明隨著植被覆蓋度的增加，Tmax越??；濕邊的斜率大于0，說(shuō)明隨著植被覆蓋度的增加，Tmin越大。

圖1 干濕邊擬合方程

在ArcGIS中將全區(qū)的TVDI圖像制成干旱等級(jí)圖，干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。從整體研究區(qū)域來(lái)看，新疆無(wú)旱和輕旱區(qū)域主要分布在盆地邊緣的高山腳下，夏季的高山融雪形成了豐富的水資源，中旱和重旱地區(qū)主要分布在人口較為密集的平原地區(qū)，特旱區(qū)域主要分布在塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠以及吐魯番盆地。

從每年7月份的TVDI干旱等級(jí)劃分圖像（圖2）可以看出，近年來(lái)，新疆自治區(qū)的無(wú)旱面積變化并不明顯，但是重旱地區(qū)面積呈明顯下降的趨勢(shì)。在2007年和2008年7月，新疆多處人口密集地區(qū)處于TVDI等級(jí)的重旱和特旱等級(jí)中，例如喀什、和田、阿勒泰等地區(qū)，而吐魯番地區(qū)常年處于特旱等級(jí)。

通過(guò)對(duì)2007年～2012年春季和夏季的TVDI求均值，以及等級(jí)劃分，從而獲得2007年～2012年3月～8月的各干旱等級(jí)面積比重圖（圖3）。2009年無(wú)旱面積占全區(qū)總面積的比重最高，為74.65%，2008年的無(wú)旱面積占全區(qū)總面積的比重最低，僅為37.16%。特旱和重旱面積比重在2012年為26.97%，而在2009年僅為0.61%，輕旱和中旱面積比重在6年里變化不明顯。從數(shù)據(jù)可以看出，新疆在2009年的干旱情況相較于2007年和2008年得到了緩解，2008年和2012年的干旱程度相比其他年份更加嚴(yán)重。

圖2 2007年～2012年7月新疆地區(qū)干旱情況比較

圖3 2007年～2012年各干旱等級(jí)面積比重圖

將2007年～2012年春、夏季36個(gè)月的干旱面積比重完成折線圖（圖4），從圖中顯示可以看出，每年的干旱高峰基本發(fā)生在春季，由此可以得出，新疆的春旱比夏旱情況嚴(yán)重。并且在2010年之后，干旱面積所占比重逐漸趨于平穩(wěn)，波動(dòng)范圍逐漸縮小。

圖4 2007年～2012年3月～8月干旱面積比重圖

圖5 降水量與TVDI的關(guān)系

降水量是影響干旱的直接因子，選取烏魯木齊、阿勒泰和喀什地區(qū)的歷史降水量數(shù)據(jù)，分析降水量和TVDI的關(guān)系。從降水量數(shù)據(jù)來(lái)看，烏魯木齊市和阿勒泰地區(qū)的降水量明顯高于喀什地區(qū)，喀什地區(qū)常年處在低降水量高TVDI的環(huán)境下，可見南疆地區(qū)的干旱情況比北疆更加嚴(yán)峻。從圖5看出，降水量與TVDI有很好的相關(guān)性，隨著降水量的增大，TVDI有下降的趨勢(shì)，但有一定的時(shí)間滯后性，當(dāng)降水量趨于平穩(wěn)時(shí)，TVDI的波動(dòng)變化也不明顯，可以認(rèn)為降水量是影響TVDI的重要因子之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用TVDI方法，獲得了2007年～2012年3月～8月新疆地區(qū)旱情變化圖，并通過(guò)多年的干旱面積變化情況對(duì)比，以及與降水量的相關(guān)性分析，對(duì)新疆存在的干旱情況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，新疆地區(qū)的無(wú)旱區(qū)域面積穩(wěn)定，集中在盆地邊緣、山脈腳下，特旱區(qū)域集中在沙漠地區(qū)附近。結(jié)合降水量因子可以看出，南疆的旱情比北疆嚴(yán)重。新疆地區(qū)干旱面積波動(dòng)幅度趨于平穩(wěn)，近幾年來(lái)特旱地區(qū)面積比重卻在下降。

目前，對(duì)新疆的干旱情況監(jiān)測(cè)主要還在使用單一指數(shù)的方法，主要監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都來(lái)自氣象站。而單一指數(shù)的監(jiān)測(cè)不能夠全面反映新疆的干旱情況，在人口較少區(qū)域，更是無(wú)法了解當(dāng)?shù)氐恼鎸?shí)旱情水平。MODIS數(shù)據(jù)獲取快捷，解決了對(duì)大面積區(qū)域宏觀監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，TVDI方法原理簡(jiǎn)單，應(yīng)用型強(qiáng)，解決了僅使用單一數(shù)據(jù)進(jìn)行新疆地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。

該方法也存在諸多不足之處，TVDI方法僅使用了地表溫度數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)，并未考慮其他干旱影響因子。要解決這一問(wèn)題，必須用其他影響因子對(duì)TVDI方法進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)可以結(jié)合其他干旱指數(shù)對(duì)新疆干旱情況進(jìn)行更全面的評(píng)估，以提升干旱模型的應(yīng)用水平。

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Drought Monitoring in Xinjiang by Using MODIS－TVDI

LIU Xing－h(huán)an1，ZHANG Jia－h(huán)ua1，2，XU Xiao－h(huán)ong1
（1.College of Earth Sciences，Yangtze University，Wuhan 430100；2.Lab of Digital Earth Sciences，Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing100094）

Considering the conditions of droughts occurred frequently in recent years，Xinjiang province was selected as the study area in this study，and by using the compound MODIS data from March to August during 2007and 2012，the NDVI（normalized difference vegetation index）and LST（land surface temperature）were obtained，and the LST－NDVI feature space was firstly established.Then，the condition of TVDI（temperature vegetation dryness index）and spatial distribution of drought grade in the study area were obtained，the variation tendency of the drought in Xinjiang was analyzed，and the relationship of precipitation and TVDI was verified.The result showed that the drought area of Xinjiang had leveled off with each passing year from 2007to 2012，drought severity on south Xinjiang was severer than that on north Xinjiang in the spatial performance，and drought severity on Spring was severer than that on summer；the precipitation factor showed an important factor affecting the TVDI.

NDVI；land surface temperature；TVDI；drought monitoring；drought evaluation

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.02.020

P412.15

A

1000－3177（2015）138－0111－05

2014－03－14

2015－01－22

中科院院地合作項(xiàng)目（Y42301101A）；CAS－TWAS項(xiàng)目（Y3YI2701KB）；中科院百人計(jì)劃項(xiàng)目（Y24002101A）。

劉星含（1989～），女，碩士，研究方向?yàn)楦珊颠b感監(jiān)測(cè)。

E－mail：lxhan0820＠126.com

張佳華（1966～），男，博士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)與氣象災(zāi)害遙感研究。

E－mail：zhangjh＠radi.ac.cn