基于RS技術(shù)和TVDI指數(shù)的廣西西江流域春旱遙感監(jiān)測研究

周永華，胡寶清，王 鈺

(1.北部灣環(huán)境演變與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范學(xué)院),南寧 530001；2.廣西地表過程與智能模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南寧 530001； 3.廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，南寧 530001)

干旱是一種自然災(zāi)害現(xiàn)象，給各國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來巨大的損失。因此有效的獲得旱情時(shí)空分布及發(fā)展變化趨勢成為防旱減災(zāi)的有效途徑。傳統(tǒng)的旱情監(jiān)測方法以人工監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)來監(jiān)測旱情,這種方法是點(diǎn)數(shù)據(jù)，難以對(duì)大面積的干旱進(jìn)行監(jiān)測，而且效率低。顯然，利用傳統(tǒng)的旱情監(jiān)測方法已不能滿足現(xiàn)在的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求。而利用遙感手段進(jìn)行旱情監(jiān)測具有獲取周期短、觀測范圍廣、空間分辨率高、影像容易獲得等優(yōu)點(diǎn)，有利于對(duì)旱情大面積的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。從20世紀(jì)70年代開始，至今遙感監(jiān)測干旱已有50多年的歷史，國內(nèi)外學(xué)者在利用遙感監(jiān)測干旱取得了豐碩成果[1-3]。植被指數(shù)(NDVI)與地表溫度(Ts)構(gòu)建的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)是進(jìn)行干旱監(jiān)測常用的一個(gè)模型。如齊述華等[4]利用TVDI模型對(duì)全國旱情進(jìn)行監(jiān)測能夠很好反映土壤表層水分的變化情況，可以作為旱情的評(píng)價(jià)指數(shù)；柳欽火[5]等利用NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)制作全國耕地旱情分布圖，為農(nóng)業(yè)抗旱救災(zāi)提供了一定的參考依據(jù)；王鶯[6]等利用MODIS影像數(shù)據(jù)對(duì)廣東2011年旱情進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明遙感監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際干旱情況相符合；鮑艷松[7]等應(yīng)用TVDI模型在江蘇淮北地區(qū)進(jìn)行土壤濕度反演，反演精度較高，能成功對(duì)農(nóng)業(yè)旱情進(jìn)行監(jiān)測；張飛[8]等利用TVDI方法對(duì)渭干河—庫車河地區(qū)進(jìn)行夏季旱情監(jiān)測，結(jié)果表明該模型適用；柳錦寶[9]等利用采用TVDI方法在西藏進(jìn)行旱情監(jiān)測，結(jié)果與實(shí)際吻合。利用TVDI模型進(jìn)行干旱監(jiān)測，已成為研究熱點(diǎn)。

文章利用EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度植被干旱指數(shù)TVDI，對(duì)廣西西江流域2007-2016年春季旱情時(shí)空變化進(jìn)行研究，可以為決策部門防旱抗旱工作提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

廣西西江流域(21.58°N～26.33°N，104.46°E～112.06°E)位于廣西境內(nèi)，氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏秋降水多，冬春降水少，年際降水不均勻。多年平均氣溫21.3 ℃,多年平均降水量1 525.9 mm。地質(zhì)環(huán)境分巖溶地區(qū)與非巖溶地區(qū)，巖溶地區(qū)以石灰?guī)r為主，巖石裸露，土層淺薄。地貌復(fù)雜多樣，山地丘陵為主，盆地相間分布。地表水缺乏，地下水埋藏深導(dǎo)致該區(qū)域春旱等旱情災(zāi)害頻繁。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

文章研究中使用的數(shù)據(jù)為美國LAADS DAAC數(shù)據(jù)中心發(fā)布的MODIS數(shù)據(jù)，其中包括1 km分辨率月合成產(chǎn)品MOD13A3中的增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI與1 km分辨率8 d合成產(chǎn)品MOD11A2中的地表溫度LST。所選時(shí)間長度為2007-2016年的春季(3、4、5月)，編號(hào)為h27v06與h28v06，格式為HDF。

利用Modis Reprojection Tool (MRT)軟件對(duì)研究區(qū)2景影像進(jìn)行拼接轉(zhuǎn)成TIFF格式，并定義大地坐標(biāo)系WGS84，影像投影轉(zhuǎn)換為UTM地圖投影。利用ENVI軟件進(jìn)行異常值處理。MOD13A3時(shí)間分辨率為月，將時(shí)間分辨率8 d的MOD11A2進(jìn)行月合成，使MOD11A2的時(shí)間分辨率與MOD13A3一致。用ArcGIS10.1中的cell statistics工具將每個(gè)月4期的MOD11A2影像進(jìn)行合成，結(jié)果得到地表溫度LST。最后，在ArcGIS10.1中，利用廣西西江流域的shp進(jìn)行掩膜裁剪，得到廣西西江流域的增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI和地表溫度LST。

1.2.2 其他數(shù)據(jù)

廣西壯族自治區(qū)1∶1 000 000地質(zhì)類型圖，用廣西西江流域的shp進(jìn)行掩膜裁剪，得到廣西西江流域的地質(zhì)類型圖。降水?dāng)?shù)據(jù)由NASA網(wǎng)站提供下載所得的TRMM月降水?dāng)?shù)據(jù)，該降水?dāng)?shù)據(jù)分辨率為0.25°×0.25°網(wǎng)格月平均降雨信息，通過重采樣把分辨率轉(zhuǎn)為1 km×1 km網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.3 方法

1.3.1 EVI-Ts特征空間

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)植被指數(shù)與地表溫度兩者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[10]。Carlson[11]等把遙感的NDVI數(shù)據(jù)與Ts數(shù)據(jù)建立散點(diǎn)圖，呈三角形，即NDVI-Ts特征空間。Sandholt[12]等對(duì)NDVI-Ts進(jìn)行了簡化，提出溫度植被干旱指數(shù)，即是TVDI(Temperature Vegetation Dryness Index)指數(shù)。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)NDVI在高植被覆蓋區(qū)容易達(dá)到飽和，合成存在較多噪音，而EVI與不同覆蓋程度植被的線性關(guān)系得到很好的改善，在高植被覆蓋區(qū)效果良好[13]，正是EVI有這樣的優(yōu)勢，因此，本研究以EVI-Ts替代NDVI-Ts(圖1)，A點(diǎn)為干燥的裸土，B點(diǎn)為濕潤的裸土，C點(diǎn)表示蒸騰從最大到無，AC邊表示干邊，土壤濕度達(dá)到凋萎系數(shù)，BC表示濕邊，土壤濕度最大。由圖1可得溫度植被干旱指數(shù)公式為：

TVDI= (Ts-Tsmin )/(Tsmax-Tsmin)

(1)

式中：TVDI的取值范圍為[0,1]，TVDI值越大說明越干旱，值越小說明越濕潤；Tsmin為最低地表溫度；Tsmax為最高地表溫度，擬合出濕邊方程與干邊方程如下：

Tsmin =a+b·EVI

(2)

Tsmax=c+d·EVI

(3)

將(2)、(3)式與(1)式進(jìn)行整合，因此

TVDI=[Ts-(a+b·EVI)]/[(c+d·EVI)-(a+b·EVI)]

(4)

式中：a、b和c、d為分別為濕邊與干邊的擬合方程系數(shù)。

圖1 EVI-Ts特征空間Fig. 1 The feature space of EVI-Ts

1.3.2 TVDI均值

為了研究廣西西江流域干旱程度及變化趨勢，研究中以時(shí)間尺度為月的溫度植被干旱指數(shù)構(gòu)建春季每月的平均溫度植被干旱指數(shù)(TVDImean)，TVDImean其值代表了研究時(shí)間段春季各月的干旱程度。方程如下：

(5)

式中：TVDIi為某月溫度植被干旱指數(shù)；i為月份；n為研究時(shí)間取值為10。

1.3.3 TVDI趨勢分析

基于一元線性回歸分析方法模擬出每個(gè)像元的TVDI的斜率,以此來綜合反映廣西西江流域旱情趨勢進(jìn)行分析。公式如下：

(6)

式中：n代表研究中年的時(shí)間段；i代表研究中的年序；TVDIi為第研究時(shí)間序列中第i年春季的TVDI值；slope為該像元研究時(shí)間段的變化趨勢，slope大于0說明該像元在研究時(shí)間段為增加趨勢，slope小于0說明該像元在研究時(shí)間段為減少趨勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 EVI-Ts特征空間參數(shù)

將統(tǒng)計(jì)得來的每個(gè)象元的EVI數(shù)值與LST數(shù)值，進(jìn)行散點(diǎn)圖繪制，以EVI為橫坐標(biāo)，以LST為縱坐標(biāo)，得到EVI-Ts特征空間(圖2)。從2007-2016年3-5月總共有30幅EVI-Ts特征空間圖，圖2為2007年5月的EVI-Ts特征空間圖。從圖2可以看出，隨著EVI的不斷增大，地表溫度(LST)最大值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，最小地表溫度有上升的趨勢，地表溫度的最大值與最小值的差值逐漸縮小，且EVI與地表溫度的最大值呈負(fù)相關(guān)，與地表溫度最小值呈正相關(guān)。

圖2 2007年5月EVI-Ts特征空間Fig.2 The EVI -Ts feature space of May 2007

利用EVI-Ts特征空間，擬合得到干濕邊方程(表1)。根據(jù)表1擬合得到的干濕邊方程與公式(4)，分別計(jì)算出每個(gè)月份的TVDI值。

表1 2007-2016年3-5月EVI-Ts特征空間干濕邊方程Tab.1 The dry wet edges equations of EVI-Ts during 2007-2016 year 3-5 month

續(xù)表1 2007-2016年3-5月EVI-Ts特征空間干濕邊方程

2.2 旱情等級(jí)分布

根據(jù)TVDI原理，利用ENVI5.1計(jì)算出各個(gè)像元的TVDI值。對(duì)所求得的TVDI值進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，共5級(jí)，分別是濕潤(0～0.2)、正常(0.2～0.4)、輕旱(0.4～0.6)、中旱(0.6～0.8)、重旱(0.8～1.0)。結(jié)果得廣西西江流域2007-2016年春季各個(gè)月份的TVDI均值，即為廣西西江流域干旱等級(jí)分布(圖3)。從圖3可以看出，廣西西江流域春季干旱面積分布廣泛，重旱區(qū)主要集中分布在廣西西江流域西部地區(qū)，呈現(xiàn)出自西向東北方向逐漸減輕的趨勢。3-5月的TVDI值分別為0.542 4、0.531、0.504 1,隨著時(shí)間的推移，旱情逐漸緩解。總而言之，重旱分布西部，旱情呈現(xiàn)由西到東北方向逐漸減輕的趨勢。由圖5可以看出，3-5月中重旱面積分別為73 948、62 999、46 838 km2，3-5月輕旱面積分別為93 374、106 338 、113 803 km2，可以看出中重旱面積不斷減少，輕旱面積不斷增加，旱情逐漸緩和。廣西西江流域地區(qū)主要是以輕旱為主。廣西西江流域春季干旱分布圖與廣西西江流域春季降水分布圖疊加分析可以得出，廣西西江流域西部地區(qū)降水少，旱情較重，東部降水較多，旱情較輕。

據(jù)李耀先[14]、張景揚(yáng)[15]等學(xué)者研究結(jié)果顯示，廣西西江流域重旱主要分布在廣西西江流域西部，干旱呈現(xiàn)出自西向東北方向減輕的趨勢，旱情主要以輕旱為主。因此，利用TVDI指數(shù)能夠比較好地對(duì)廣西西江流域地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)發(fā)展及防范旱災(zāi)提供了條件。

圖3 廣西西江流域干旱等級(jí)分布圖Fig.3 The drought distribution in Guangxi xijiang river basin

圖4 廣西西江流域春季降水分布圖Fig.4 The spring precipitation distribution in Guangxi xijiang river basin

圖5 干旱等級(jí)面積Fig. 5 The drought level area

圖6 2007-2016年廣西西江流域春季TVDI變化趨勢Fig 6 Trend of TVDI change in the guangxi xijiang river basin in 2007-2016 spring

2.3 廣西西江流域TVDI趨勢分析

基于一元線性回歸方法，在像元尺度上對(duì)廣西西江流域2007-2016年(2014年因受噪聲的影響，TVDI值缺失嚴(yán)重，故未加入趨勢變化分析)旱情TVDI進(jìn)行趨勢分析(圖6)。廣西西江流域2007-2016年旱情TVDI變化的平均值為0.42%，TVDI分布廣西西江流域西北部為高值區(qū)，增加趨勢明顯；中部與南部地區(qū)為低值區(qū)，減少趨勢明顯；東部地區(qū)增加趨勢小于西北部地區(qū)，從西往東呈現(xiàn)“增加-減少-增加”的空間格局。TVDI呈現(xiàn)增加趨勢的面積比例為71.38%，增加的地區(qū)主要分布在廣西西江流域的西北部；TVDI呈減少趨勢的面積比例為28.62%，減少的地區(qū)主要分布在廣西西江流域的北部以及中部南部，減少地區(qū)從北向南沿著廣西西江流域呈現(xiàn)狹長的分布。總體而言，2007-2016年廣西西江流域TVDI變化趨勢為：西北部高于中部與東部，東部高于中部。

2.4 巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)旱情分析

為了研究不同地質(zhì)背景下的干旱程度，將廣西西江流域地區(qū)分為巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)。巖溶區(qū)包括地質(zhì)類型有灰?guī)r加碎屑巖組合、連續(xù)性石灰?guī)r組合、石灰?guī)r與白云巖組合、灰?guī)r與白云巖加碎屑巖組合等，以石灰?guī)r為主，非巖溶區(qū)主要地質(zhì)類型為非碳酸鹽巖。巖溶區(qū)面積為91 174 km2，占研究區(qū)域面積的45%；非巖溶區(qū)面積為111 875 km2，占研究區(qū)域面積的55%。將廣西西江流域春季干旱等級(jí)分布圖與廣西西江流域地質(zhì)類型分布圖(圖7)進(jìn)行疊加分析，發(fā)現(xiàn)廣西西江流域旱情分布與巖溶區(qū)分布具有高度重疊性。由表2可以看出：重旱與輕旱面積比例巖溶區(qū)大于非巖溶區(qū)，中旱面積比例非巖溶區(qū)大于巖溶區(qū)。巖溶區(qū)發(fā)生干旱面積84 759 km2，占巖溶區(qū)總面積的92.96%，非巖溶區(qū)發(fā)生干旱面積85 939 km2,占非巖溶總面積的76.81%，巖溶區(qū)發(fā)生干旱比例大于非巖溶區(qū)，說明巖溶區(qū)比非巖溶區(qū)更容易發(fā)生干旱，原因?yàn)閺V西西江流域地區(qū)是典型有巖溶分布區(qū)，大面積的碳酸鹽巖裸露,石漠化嚴(yán)重，地下溶洞、裂隙高度發(fā)育，土地被分割，土層薄，保水性差，落水洞、漏斗發(fā)育，降水下滲速度快，導(dǎo)致降水迅速大部分轉(zhuǎn)化為地下水，造成地表缺水，加上廣西西江流域崎嶇的地形，難以引江水進(jìn)行灌溉，導(dǎo)致了旱情加劇。

圖7 廣西西江流域地質(zhì)類型Fig.7 guangxi xijiang river basin geology type

3 討 論

文章選擇MODIS的增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)與地表溫度(LST)對(duì)廣西西江流域進(jìn)行了干旱監(jiān)測，能較好地反映旱情的時(shí)空變化，但是因受到噪聲的影響，會(huì)對(duì)TVDI值造成缺失。

本研究仍然存在不足之處，體現(xiàn)在：由于實(shí)際條件的限制，采用干旱指標(biāo)進(jìn)行干旱監(jiān)測，而未能實(shí)地進(jìn)行觀測試驗(yàn)，無法對(duì)結(jié)果進(jìn)一步修正；影響旱情并非單一因素，文章只是結(jié)合地質(zhì)類型加以分析，而未對(duì)地貌、植被類型、土地利用類型進(jìn)行結(jié)合分析。這些方面的不足在今后的研究中需要不斷地改善。

4 結(jié) 論

文章以EVI-Ts特征空間為方法，選擇MODIS的增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)與地表溫度(LST)，利用MODIS產(chǎn)品中的MOD11A2數(shù)據(jù)和MOD13A2數(shù)據(jù)其中的增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)與地表溫度(LST)構(gòu)建EVI-Ts特征空間，利用TVDI指數(shù)進(jìn)行廣西西江流域干旱情況的監(jiān)測對(duì)廣西西江流域進(jìn)行了春季干旱監(jiān)測，得到了以下結(jié)論：

(1)從旱情分級(jí)來看，空間上廣西西江流域春季重旱主要分布在西部地區(qū)，東北旱情低，呈現(xiàn)出自西向東北方向遞減的趨勢，總體上，干旱程度以輕旱為主。

(2)從變化趨勢上來看，2007-2016年廣西西江流域TVDI變化的平均值為0.42%，TVDI呈現(xiàn)增加趨勢的面積比例為71.38%，減少趨勢的面積比例為28.62%，自西向東呈現(xiàn)“增加-減少-增加”的空間格局。

(3)廣西西江流域春季干旱分布與地質(zhì)類型疊加分析，結(jié)果顯示廣西西江流域旱情分布與巖溶區(qū)呈現(xiàn)高度重疊性；巖溶區(qū)重旱面積大于非巖溶區(qū)，巖溶區(qū)發(fā)生干旱的比例高達(dá)92.96%，而非巖溶區(qū)的為76.81%，巖溶區(qū)比非巖溶區(qū)更容易發(fā)生干旱。

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