農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)及其應(yīng)用

劉佳

劉佳，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研究員。1993年獲得中國航天工業(yè)總公司第一研究院流體傳動(dòng)與控制專業(yè)碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事農(nóng)業(yè)遙感方法研究與技術(shù)應(yīng)用工作，目前正在主持的課題有農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)項(xiàng)目“黑龍江省種植結(jié)構(gòu)及其變化監(jiān)測(cè)”、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“作物生長(zhǎng)與生產(chǎn)力衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)”、國家高分重大專項(xiàng)項(xiàng)目“GF-6衛(wèi)星數(shù)據(jù)模擬仿真技術(shù)”等，在農(nóng)作物種植面積識(shí)別和生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等方面發(fā)表論著30余篇（部），研究成果榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

引言

干旱是全球最為常見的自然災(zāi)害，據(jù)測(cè)算全球每年因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60～80億美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他氣象災(zāi)害。干旱對(duì)農(nóng)業(yè)造成的損失占我國農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害損失的50%以上，是我國農(nóng)業(yè)最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，近20年來有逐步加劇的趨勢(shì)。日益嚴(yán)重的全球化干旱問題已經(jīng)成為各國科學(xué)家和政府部門共同關(guān)注的熱點(diǎn)。

農(nóng)業(yè)干旱一般是指在農(nóng)作物生長(zhǎng)期間，因土壤水分供應(yīng)不足導(dǎo)致農(nóng)田水量供需不平衡，使土壤含水量低于農(nóng)作物的需水量，從而阻礙農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)主要采取田間定點(diǎn)觀測(cè)或隨機(jī)調(diào)查等手段。這類方法在大范圍業(yè)務(wù)應(yīng)用中需要投入大量的人力和物力，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，只能獲得空間上離散點(diǎn)的信息。與之相比，遙感技術(shù)具有很多傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。一是監(jiān)測(cè)范圍廣、受地面條件限制少，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)干旱的大面積同步觀測(cè)；二是遙感數(shù)據(jù)更新頻率快、時(shí)效性高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的動(dòng)態(tài)跟蹤，降低了監(jiān)測(cè)成本，提高了監(jiān)測(cè)效率；三是信息豐富，能夠以數(shù)字化的形式展現(xiàn)農(nóng)業(yè)干旱變化過程和農(nóng)田作物環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與這些參數(shù)的空間疊加分析等。因此，將遙感技術(shù)與傳統(tǒng)的技術(shù)手段相結(jié)合，能夠全面高效地揭示農(nóng)業(yè)干旱各要素之間在空間和時(shí)間上的關(guān)聯(lián)性，為生產(chǎn)決策和防災(zāi)減災(zāi)提供客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)研究從20世紀(jì)60年代開始，在航空遙感技術(shù)的鋪墊下，以極軌氣象衛(wèi)星、陸地資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，并不斷得到深化。隨著全球?qū)Φ赜^測(cè)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，可獲取的遙感數(shù)據(jù)類型越來越豐富，數(shù)據(jù)在空間分辨率、光譜分辨率和時(shí)間分辨率等方面得到提升，使農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)方法不斷得到改進(jìn)，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的有效手段。為滿足全球和區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)干旱信息獲取的需求，在農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理深刻認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于區(qū)域業(yè)務(wù)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已成為農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用的主要趨勢(shì)之一。

圖1 中國歷年干旱災(zāi)害受災(zāi)與成災(zāi)面積發(fā)展趨勢(shì)

圖2 中國6大耕作區(qū)空間分布

中國農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)狀

在我國《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》（GB/T 32136—2015）中，將農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)分為4級(jí)，依次是輕旱、中旱、重旱、特旱。不同等級(jí)的農(nóng)業(yè)干旱，對(duì)不同生育期的農(nóng)作物造成的影響不同，使農(nóng)作物產(chǎn)量降低，最嚴(yán)重的可以導(dǎo)致農(nóng)作物絕收。根據(jù)對(duì)中國1950—2008年統(tǒng)計(jì)資料的分析（陳方藻等，2011年），我國農(nóng)作物年平均受災(zāi)面積約為2117萬公頃，占全國農(nóng)作物播種總面積的15.1%，其中成災(zāi)面積約為917.9萬公頃，約占全國農(nóng)作物播種總面積的7.1%。以10年為1個(gè)時(shí)間單位，按時(shí)間順序劃分為50、60、70、80、90年代及21世紀(jì)00年代等6 個(gè)年代，無論是受災(zāi)面積還是成災(zāi)面積都呈現(xiàn)出日趨嚴(yán)重的趨勢(shì)（圖1）。

在東北、西北、黃淮海、長(zhǎng)江中下游、西南和華南6大耕作區(qū)中（圖2），上述研究結(jié)果也表明，黃淮海地區(qū)平均干旱受災(zāi)面積占全國受災(zāi)面積的比例最高，約為28%；其次是長(zhǎng)江中下游地區(qū)為20%；東北地區(qū)居第三為19%。這3個(gè)區(qū)域平均受災(zāi)面積占全國比例達(dá)到69%，是干旱頻發(fā)的區(qū)域；西北地區(qū)干旱受災(zāi)占全國比例為16%，受干旱影響也相對(duì)較高；西南和華南耕作區(qū)對(duì)旱災(zāi)承受能力較強(qiáng)，受旱災(zāi)影響相對(duì)較輕。從成災(zāi)與絕收面積來看，空間分布與受災(zāi)面積具有相似的分布規(guī)律。其中，黃淮海地區(qū)平均成災(zāi)面積、絕收面積分別占全國比例均在23%以上，在6大耕作區(qū)中最高；東北地區(qū)分別為22%和25%，絕收面積較高說明該區(qū)對(duì)干旱災(zāi)害的承載力較弱；西北分別為17%和18%，屬于干旱損失較重的區(qū)域；西南、華南都相對(duì)較低，屬于干旱損失較低的區(qū)域。

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)是指利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物受干旱影響的范圍和程度。農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，受災(zāi)范圍廣，需要持續(xù)對(duì)災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤。監(jiān)測(cè)主要分為兩個(gè)階段，一是監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱的等級(jí)，二是評(píng)價(jià)干旱對(duì)農(nóng)作物的影響。工作流程如圖3所示。

（一）農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)監(jiān)測(cè)

農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)與土壤含水量和作物覆蓋度密切相關(guān)，通過遙感數(shù)據(jù)計(jì)算農(nóng)田土壤含水量、作物含水量、作物覆蓋度等農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)干旱等級(jí)的判定。考慮到遙感數(shù)據(jù)的成本和獲取難易程度，一般采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大范圍的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，包括不同空間分辨率的微波和光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。干旱發(fā)生后，作物體內(nèi)含水量、色素含量、養(yǎng)分含量、植株形態(tài)等與正常作物不同，從而導(dǎo)致作物在衛(wèi)星影像中反映出來的光譜特征不同。利用這一不同，研究人員結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，構(gòu)建了各類遙感干旱指數(shù)，形成了很多方法，能夠直接或間接地監(jiān)測(cè)干旱程度，獲得農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)的空間分布圖。常用的遙感監(jiān)測(cè)方法有植被指數(shù)法、土壤熱慣量法、冠層溫度法、植被缺水指數(shù)法等，每種方法適用的場(chǎng)景不盡相同。其中，植被指數(shù)法從作物長(zhǎng)勢(shì)的角度判斷干旱的程度，植被指數(shù)越高，長(zhǎng)勢(shì)越好，干旱程度越低，是相對(duì)最為簡(jiǎn)單的方法，在作物不同生長(zhǎng)階段應(yīng)選用不同的植被指數(shù)，以免出現(xiàn)指數(shù)飽和現(xiàn)象；土壤熱慣量法是從土壤本身的熱特性出發(fā)反演土壤水分，適合在裸土和作物覆蓋度低的地區(qū)使用；冠層溫度法是根據(jù)作物冠層溫度高低判定干旱程度，溫度越高越干旱，適合作物生長(zhǎng)環(huán)境和作物長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的地區(qū)使用；植被缺水指數(shù)法考慮了土壤水分和農(nóng)田蒸散，根據(jù)水分平衡原理綜合判定干旱程度，物理意義明確，但計(jì)算復(fù)雜，需要同時(shí)采用氣象數(shù)據(jù)，適合在作物生長(zhǎng)較為茂盛的階段使用。

（二）農(nóng)業(yè)干旱損失評(píng)估

農(nóng)業(yè)干旱損失評(píng)估主要涉及4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。一是受災(zāi)區(qū)域作物類型的遙感識(shí)別，通過對(duì)影像光譜特征分析，結(jié)合作物物候期識(shí)別作物類型，獲得每種作物的種植面積和空間分布圖；二是對(duì)受災(zāi)作物的識(shí)別，將農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)監(jiān)測(cè)結(jié)果與作物空間分布圖進(jìn)行疊加分析，定位受災(zāi)作物所在的空間位置，獲得不同等級(jí)受災(zāi)作物面積和空間分布圖；三是作物正常單產(chǎn)遙感預(yù)測(cè)，采用遙感數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)正常情況下的作物單產(chǎn)，獲得作物單產(chǎn)的空間分布圖；四是農(nóng)業(yè)干旱損失計(jì)算，根據(jù)實(shí)測(cè)的單產(chǎn)減產(chǎn)情況，分別計(jì)算出輕旱、中旱、重旱、特旱的作物單產(chǎn)損失率，結(jié)合前面三個(gè)環(huán)節(jié)得到的數(shù)據(jù)，評(píng)估作物產(chǎn)量損失情況。

圖3 農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)工作流程

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用是干旱遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的落腳點(diǎn)，也是檢驗(yàn)干旱遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。目前中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、中國科學(xué)院、國家氣象局、水利部信息中心等國內(nèi)多家單位都先后建立了各自的干旱遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)運(yùn)行。因服務(wù)的對(duì)象與部門不同，系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)也差異較大。

圖4 四川重慶農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果（2006年8月1—20日）

圖5 山東省農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果（2006年11月1—14日）

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遙感應(yīng)用中心從2003年開始，采用EOSMODIS數(shù)據(jù)開展全國范圍的農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)，以土壤熱慣量法和植被供水植被法為主要技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)每15天1次的耕地土壤墑情監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)。系統(tǒng)在歷年的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，監(jiān)測(cè)信息使農(nóng)業(yè)主管部門及時(shí)掌握農(nóng)田土壤墑情和作物缺水狀況，采取應(yīng)對(duì)措施緩解和減輕旱災(zāi)威脅，對(duì)保障種植業(yè)生產(chǎn)安全和國家糧食安全意義重大。例如，系統(tǒng)對(duì)2006年夏天四川、重慶的特大旱災(zāi)（圖4）和秋天山東冬小麥播種出苗期旱災(zāi)（圖5）進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，從空間上和時(shí)間上記錄了旱災(zāi)發(fā)生的范圍、影響程度的發(fā)展過程，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的決策和水稻、玉米、冬小麥等主要農(nóng)作物產(chǎn)量損失評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

目前，系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了15年，形成了由200個(gè)地面網(wǎng)點(diǎn)縣準(zhǔn)同步進(jìn)行地面土壤水分監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在遙感監(jiān)測(cè)的同時(shí)，采用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量控制，監(jiān)測(cè)頻率提高到每旬1次，監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)展到美國、巴西、阿根廷等全球主要農(nóng)區(qū)。部分監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)布在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部網(wǎng)站上。圖6和圖7分別是2018年9月6日至17日我國農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果和2018年8月29日至9月13日的美國農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，從圖中可以看出監(jiān)測(cè)期內(nèi)我國沒有發(fā)生明顯旱情，美國西部地區(qū)有輕旱。

圖6 全國農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果（2018年9月6—17日）

圖7 美國農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果（2018年8月29日—9月13日）

結(jié)論與展望

農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多部門、多領(lǐng)域和多學(xué)科的交叉。多年的實(shí)踐證明，遙感是進(jìn)行大范圍農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)最有效和最有發(fā)展前途的方法。由于對(duì)農(nóng)業(yè)干旱形成和發(fā)展的機(jī)理還不完全掌握，到目前為止還沒有一個(gè)完美的遙感方法可以實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)。下一步，需要深化對(duì)農(nóng)業(yè)干旱形成機(jī)理的研究，優(yōu)化農(nóng)業(yè)干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)展更為有效的遙感干旱指數(shù)和監(jiān)測(cè)方法，提高農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)的精度和適用性。

在現(xiàn)有的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)中，大范圍農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)主要依賴中低空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)干旱的動(dòng)態(tài)跟蹤，快速發(fā)現(xiàn)干旱發(fā)生的區(qū)域，但對(duì)干旱發(fā)生區(qū)域的細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)得不夠。隨著國內(nèi)外對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的高速發(fā)展，我國高分重大專項(xiàng)以及“十三五”空基規(guī)劃的實(shí)施，將陸續(xù)發(fā)射我國自主研制的各類高分辨率衛(wèi)星，組網(wǎng)使用后將為農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)提供高質(zhì)量的高時(shí)間、高空間和高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有國家數(shù)據(jù)政策的支持下，將為農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)運(yùn)行提供豐富的數(shù)據(jù)源，促進(jìn)農(nóng)業(yè)干旱遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，提高大范圍農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的精度和時(shí)效性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理提供優(yōu)質(zhì)的信息支持。