基于Modis-TVDI方法的山東小麥生長(zhǎng)季旱情遙感監(jiān)測(cè)

陳 振， 劉 濤， 梁守真， 侯學(xué)會(huì)， 王 猛， 隋學(xué)艷

(山東省農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100)

山東省是一個(gè)糧食生產(chǎn)大省，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，山東省近年來(lái)糧食總產(chǎn)量穩(wěn)居全國(guó)第三，在保障糧食安全方面占舉足輕重的地位[1]。但近年來(lái)，山東省干旱頻發(fā)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大的困擾。在旱情發(fā)生時(shí)，如何及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)旱情，并采取相應(yīng)緩解旱情的措施，一直是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工作。干旱是一種因水分供求不平衡而導(dǎo)致的區(qū)域性水分短缺的現(xiàn)象[2]，它的發(fā)生和作用機(jī)制比較復(fù)雜，波及范圍較廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，針對(duì)區(qū)域尺度的干旱監(jiān)測(cè)一直是一個(gè)熱點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測(cè)一般通過(guò)設(shè)置氣象站點(diǎn)，觀察記錄站點(diǎn)所在地區(qū)的溫度、降水和土壤水分含量等旱情指標(biāo)，雖然在技術(shù)層面比較成熟，但是受到許多客觀因素的制約，仍然是以點(diǎn)帶面的模式，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)空間上的旱情監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果難以反映地表植被對(duì)旱情的響應(yīng)，在綜合監(jiān)測(cè)旱情方面存在很多不足[3]。遙感監(jiān)測(cè)旱情方法的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這些方面的不足，遙感技術(shù)具有宏觀、動(dòng)態(tài)和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，其高時(shí)空分辨率能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域尺度連續(xù)空間范圍內(nèi)的旱情監(jiān)測(cè)，已廣泛應(yīng)用于旱情監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[4]。

目前遙感監(jiān)測(cè)干旱的方法很多，主要有熱慣量法、植被指數(shù)、溫度指數(shù)、綜合植被和溫度指數(shù)、微波遙感方法等，各種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍[5]。目前常用的是基于植被指數(shù)和溫度的監(jiān)測(cè)方法，即歸一化植被指數(shù)-地表溫度(NDVI-Ts)特征空間法，相關(guān)的研究較多。研究表明，土壤水分含量與地表溫度和植被生長(zhǎng)狀態(tài)有密切的關(guān)聯(lián)性。Nemani等研究發(fā)現(xiàn)，地表溫度(Ts)與植被指數(shù)(NDVI)有密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]。Price和Carlson等研究發(fā)現(xiàn)，在植被覆蓋范圍較大的區(qū)域，由遙感數(shù)據(jù)獲取的Ts和NDVI為橫縱坐標(biāo)散點(diǎn)圖分布呈現(xiàn)三角形[7-8]；Moran等發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)梯形[9]。Goward等構(gòu)建了NDVI-Ts特征空間對(duì)土壤水分進(jìn)行反演[10]。國(guó)內(nèi)學(xué)者在遙感旱情監(jiān)測(cè)方面也做了大量的研究工作，齊述華等較早開(kāi)展NDVI-Ts特征空間的研究，發(fā)現(xiàn)了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)與土壤濕度具有顯著相關(guān)性，并建立了TVDI指數(shù)來(lái)反映旱情[11]。姚春生等基于Modis遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合TVDI對(duì)8—9月新疆地區(qū)土壤濕度進(jìn)行了反演，效果比較理想[12]。張順謙等利用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)結(jié)合TVDI對(duì)四川省伏旱進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，與氣象監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致[13]。季國(guó)華等利用Landsat8數(shù)據(jù)改進(jìn)了TVDI，提出了干邊修訂的改進(jìn)型溫度植被干旱指數(shù)(MDTVDI)反演土壤水分，相較于TVDI精度更高，區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)效果更好[14]。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域概況

山東省位于中國(guó)東部沿海、黃河下游，形成了以中部山地丘陵為骨架，平原盆地環(huán)列四周的地勢(shì)分布特征。氣候?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，降水比較集中，雨熱同季，年平均氣溫11～14 ℃，年平均降水量一般在550～950 mm之間，降水季節(jié)分布很不均衡，降水多集中在夏季，易形成澇災(zāi)，而冬、春和晚秋則易發(fā)生干旱，尤其是在小麥的主要生長(zhǎng)季(3—6月)發(fā)生干旱會(huì)嚴(yán)重影響小麥的產(chǎn)量，造成減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大影響。

1.2 數(shù)據(jù)源

為了針對(duì)干旱發(fā)生的特點(diǎn)，滿足對(duì)干旱快速、連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，本研究選擇適合進(jìn)行大范圍和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)干旱監(jiān)測(cè)的Modis數(shù)據(jù)[15]。美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)提供了一系列的Modis標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，下載山東地區(qū)2012年3—6月的MODIS11A2和MODIS13A3數(shù)據(jù)。其中，MODIS11A2為空間分辨率1 km的8 d合成的地表溫度數(shù)據(jù)，MODIS13A3是空間分辨率為1 km的NDVI月合成數(shù)據(jù)。為使數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率統(tǒng)一，需要將同一月份內(nèi)的8 d合成的地表溫度數(shù)據(jù)取平均數(shù)，作為當(dāng)月的地表溫度。

2 研究方法

NDVI-Ts特征空間圖(圖1)中，A表示干燥的裸土；B表示濕潤(rùn)裸土；C表示有植被完全覆蓋的土壤；AC邊就是植被指數(shù)對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，即為土壤水分含量較低的“干邊”；BC為植被指數(shù)對(duì)應(yīng)的最低地表溫度，即為土壤水分含量較高的“濕邊”。在A、B、C三點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，代表了各種地表類型的NDVI-Ts特征空間關(guān)系。Sandholt等研究認(rèn)為，在NDVI-Ts特征空間中存在一系列的土壤濕度等值線(圖2)，這些等值線相交于干、濕邊的交點(diǎn)，并且近似于直線，而且這些直線的斜率與土壤濕度呈一元線性關(guān)系[16]，據(jù)此提出了植被缺水指標(biāo)——溫度植被干旱指數(shù)(temperature vegetation dryness index，TVDI)：

(1)

Tsmin=a+b×NDVI，Tsmax=c+d×NDVI。

(2)

式中：Ts為影像任意像元的地表溫度(單位：K)；Tsmin為NDVI對(duì)應(yīng)的最小地表溫度(單位：K)，代表“濕邊”；Tsmax為NDVI對(duì)應(yīng)的最大地表溫度(單位：K)，代表“干邊”；a、b、c、d分別代表對(duì)干邊和濕邊進(jìn)行線性擬合的參數(shù)。TVDI值在干邊和濕邊分別為1和0。

從圖2可以看出，對(duì)于TVDI，數(shù)值越大表示土壤濕度越低，干旱情況越嚴(yán)重；數(shù)值越小表示土壤濕度越高。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

Modis遙感數(shù)據(jù)為HDF-EOS格式，利用NASA提供的處理工具M(jìn)ODIS Reprojection Tool(MRT)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，將遙感影像分辨率統(tǒng)一為1 km，投影系統(tǒng)采用Albers等面積投影，坐標(biāo)系為WGS-84。

利用ENVI軟件對(duì)影像進(jìn)行裁剪，借助現(xiàn)有的山東省行政區(qū)劃矢量文件裁剪獲取山東省范圍的遙感影像。為使地表溫度數(shù)據(jù)和NDVI數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率相一致，將地表溫度數(shù)據(jù)在同一月內(nèi)的數(shù)據(jù)均值作為地表溫度數(shù)據(jù)當(dāng)月值。

3.2 各月地表溫度和NDVI空間分布

從圖3可以看出，地表溫度隨著時(shí)間推移逐漸升高，各個(gè)月份氣溫空間分布特征不同。3月北部沿海地區(qū)溫度最低，中部和西北部溫度最高，其余地區(qū)溫度次之；4月地表最高溫度集中在中部地區(qū)，西部地區(qū)溫度相對(duì)較低，呈現(xiàn)出高溫向東部地區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)；4月溫度呈現(xiàn)西低東高的分布特征，35～40 ℃的高溫出現(xiàn)在中部和東南部；6月全省呈現(xiàn)普遍高溫的特征，氣溫基本都在30 ℃以上，并且呈現(xiàn)南高北低的分布特征。

從圖4可以看出，NDVI總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在小麥的生長(zhǎng)季(3—5月)里，西部NDVI一直相對(duì)較高，高于中東部地區(qū)，3—5月NDVI呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，中部山地地區(qū)和東部丘陵地區(qū)NDVI升高明顯，6月西部地區(qū)NDVI明顯降低。總體而言，NDVI高值主要分布在作物生長(zhǎng)的內(nèi)陸地區(qū)，低值主要分布在沿海地區(qū)和有水體的區(qū)域。

3.3 構(gòu)建Ts-NDVI特征空間

按0.01的步長(zhǎng)提取NDVI在0～1范圍內(nèi)的不同像元所對(duì)應(yīng)的地表溫度的最大值和最小值，構(gòu)建Ts-NDVI特征空間，3—6月的特征空間如圖5所示。

從圖5可以看出，每個(gè)月的數(shù)據(jù)的Ts-NDVI特征空間均符合三角形的特征空間，隨著NDVI的增加，地表溫度的最大值均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，而地表溫度最小值呈現(xiàn)比較穩(wěn)點(diǎn)的變化特征，近似于一條平行于x軸的直線，并呈現(xiàn)略有增大的趨勢(shì)，這一變化特征也符合特征空間三角形理論。

3.4 干濕邊擬合和TVDI計(jì)算

根據(jù)前人已有的研究結(jié)論可知，對(duì)于遙感影像中NDVI小于0.25的像元，一般是水體和陸地的混合像元，另外NDVI能夠識(shí)別的植被覆蓋度需要在15%以上，低于這個(gè)值時(shí)很難對(duì)真實(shí)的覆蓋度作出正確識(shí)別，而覆蓋度達(dá)到80%以后，植被的NDVI值也會(huì)趨于飽和，NDVI也不能準(zhǔn)確反映這個(gè)茂盛植被覆蓋區(qū)域的真實(shí)值。通過(guò)構(gòu)建的Ts-NDVI特征空間也能發(fā)現(xiàn)，對(duì)于最大地表溫度而言，NDVI在0～0.25范圍內(nèi)擬合直線斜率為正，大于0.25小于0.85和大于0.85的擬合直線斜率為負(fù)，并且可以看出兩者的斜率不相等。

因此，選取NDVI在0.25～0.85的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，通過(guò)干濕邊的定義，分別提取3—6月的干濕邊，如圖6所示。對(duì)于濕邊，根據(jù)Ts-NDVI特征空間理論可知，濕邊是近似于平行于x軸的直線；對(duì)于干邊擬合方程，均通過(guò)可信度為 0.01 的t檢驗(yàn)，擬合效果較好。

根據(jù)干濕邊的擬合方程，利用式(1)、式(2)，根據(jù)定義計(jì)算TVDI，從而得到山東省2012年3—6月的TVDI分布圖。TVDI能夠表示某一區(qū)域土壤濕潤(rùn)程度的一個(gè)相對(duì)值，能夠在一定程度上說(shuō)明干旱的程度，一般而言， 根據(jù)TVDI的取值分為5級(jí)，分別為極濕潤(rùn)(0

從圖7可以看出，3—5月干旱程度較重的區(qū)域呈現(xiàn)由西向東移動(dòng)的趨勢(shì)，且干旱程度較高的區(qū)域主要集中在中部地區(qū)，3月和6月西北和西南平原地區(qū)干旱程度明顯高于4月和5月，濕潤(rùn)的區(qū)域主要分布在北部沿海地區(qū)和西南地區(qū)。3月和6月呈現(xiàn)東北部沿海地區(qū)濕潤(rùn)，內(nèi)陸地區(qū)干旱的分布特征；4月和5月呈現(xiàn)中東部干旱，西部濕潤(rùn)的分布特征。

4 結(jié)論

本研究為研究山東省小麥主要生長(zhǎng)季的旱情狀況，利用Modis遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感觀測(cè)，主要選擇了2012年3—6月的月NDVI數(shù)據(jù)和8d合成的地表溫度數(shù)據(jù)，以月為單位，分析了地表溫度和NDVI的空間特征分布狀況，結(jié)合Ts-NDVI特征空間法，構(gòu)建了與土壤濕度關(guān)系密切的三角形特征空間，并提取了擬合效果較好的干濕邊，進(jìn)而求得能夠指示土壤濕潤(rùn)度的TVDI空間分布，并對(duì)干旱程度作了一定的劃分，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)作用，能夠及時(shí)地對(duì)旱情發(fā)生的區(qū)域作出識(shí)別，以便采取相關(guān)措施緩解旱情。

研究結(jié)果表明，在小麥的主要生長(zhǎng)季，地表溫度隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，主要呈現(xiàn)中部地區(qū)氣溫高，沿海和西部地區(qū)氣溫低的分布特征。NDVI呈現(xiàn)出先升高后降低的變化特征，3—5月全部地區(qū)NDVI明顯呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，6月份，西部和東部地區(qū)降低，中部地區(qū)變化不明顯，這主要是因?yàn)閺?月開(kāi)始小麥返青后迅速生長(zhǎng)，樹(shù)木也開(kāi)始發(fā)芽生長(zhǎng)，NDVI呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，到6月份小麥開(kāi)始收獲，小麥的主要種植區(qū)西部平原和東部丘陵地區(qū)NDVI降低，這種變化趨勢(shì)符合山東省的物候特征。

依據(jù)能夠反映土壤濕度特征的Ts-NDVI特征空間法，對(duì)3—6月的遙感影像提取Ts-NDVI特征空間，結(jié)果呈現(xiàn)與前人研究結(jié)果一致的三角形特征空間，結(jié)合NDVI對(duì)植被覆蓋度指示效果較好的值域范圍，在0.25～0.85的NDVI范圍內(nèi)對(duì)特征空間的干濕邊進(jìn)行擬合，濕邊的擬合符合近似平行于x軸的直線，干邊擬合直線擬合效果較好，通過(guò)可信度為0.01的t檢驗(yàn)。

利用干濕邊擬合曲線，根據(jù)TVDI定義，獲得了山東省2012年3—6月的TVDI空間分布圖，TVDI與土壤濕潤(rùn)程度有密切的關(guān)系，根據(jù)TVDI的取值劃分了5個(gè)旱情等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別為極濕潤(rùn)(0