MODIS數(shù)據(jù)在陜西省干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉英， 岳輝， 侯恩科

(1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710054； 2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054)

0 引言

干旱是一種水量相對(duì)缺失的自然現(xiàn)象，大致分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱4種類型[1]。作為一種較常見而且危害較大的自然災(zāi)害，干旱可以導(dǎo)致人的免疫力下降，嚴(yán)重危害農(nóng)牧業(yè)的生產(chǎn)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，并可能引起其他自然災(zāi)害的發(fā)生。我國(guó)旱情具有危害范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)害呈地區(qū)性、周期性出現(xiàn)等特點(diǎn)[2]。

在旱情遙感監(jiān)測(cè)方面，國(guó)外很早就提出了使用歸一化差異植被指數(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)等植被指數(shù)和陸地表面溫度(land surface temperature，Ts)進(jìn)行土壤濕度監(jiān)測(cè)[3]。2002年，Sandholt等[4]基于簡(jiǎn)化三角形NDVI-Ts特征空間提出溫度植被干旱指數(shù)(temperature vegetation dryness index，TVDI)計(jì)算公式。2004年，Wan等[5]基于中分辨率成像掃描儀(moderate resolution imaging spectroradiomete，MODIS)數(shù)據(jù)獲取NDVI和Ts，提出條件溫度植被指數(shù)(vegetation-temperature condition index，VTCI)，指出VTCI是一種實(shí)時(shí)旱情監(jiān)測(cè)方法； 2008年，Bajgiran等[6]發(fā)現(xiàn)NDVI和植被條件指數(shù)能夠反映降雨量的波動(dòng)，并反映干旱情況； 2016年，Haroon等[7]利用干旱嚴(yán)重程度指數(shù)監(jiān)測(cè)旱情，指出該指數(shù)可用于評(píng)價(jià)平原地區(qū)農(nóng)地旱情； 2017年，Du等[8]提出改進(jìn)型溫度植被干旱指數(shù)(modified TVDI,TVDIm)，指出與TVDI相比，TVDIm在中國(guó)半干旱地區(qū)旱情監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)更好。

國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者對(duì)陜西全省或其他地區(qū)進(jìn)行過旱情監(jiān)測(cè)。2010年，閆娜等[9]使用MODIS數(shù)據(jù)NDVI和增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)，分別構(gòu)建NDVI-Ts和EVI-Ts特征空間，指出基于上述特征空間的TVDI均可用于監(jiān)測(cè)陜西省旱情； 2014年，李菁等[10]利用改進(jìn)型能量指數(shù)、垂直干旱植被指數(shù)和地表含水量指數(shù)分別監(jiān)測(cè)陜北旱情，并用實(shí)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，指出3種指數(shù)均可用于土壤濕度或干旱監(jiān)測(cè)； 2015年，白雪嬌等[11]在計(jì)算關(guān)中平原2003—2014年間每年3月上旬—5月下旬的旬時(shí)間尺度VTCI的基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)相似度定量研究關(guān)中平原VTCI的空間變化特征，指出引入結(jié)構(gòu)相似度的VTCI能夠定量、準(zhǔn)確、形象地描述旱情的空間分布特征和變化規(guī)律； 2016年，權(quán)文婷等[12]利用風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星中分辨率光譜成像儀(medium resolution imagery，MERSI)數(shù)據(jù)及同期MODIS數(shù)據(jù)，分別構(gòu)建多波段干旱指數(shù)，并利用實(shí)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，指出相比MODIS，MERSI能更好地監(jiān)測(cè)旱情。

陜西省素有“十年九旱”之稱，由糧倉關(guān)中平原、陜北荒漠化能源基地和陜南旅游區(qū)3部分組成，對(duì)干旱的響應(yīng)極為敏感，準(zhǔn)確、有效的旱情監(jiān)測(cè)對(duì)確保糧食生產(chǎn)、能源供給和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。本文利用陜西省2000—2016年間MODIS NDVI和Ts數(shù)據(jù)，構(gòu)建雙拋物線型NDVI-Ts特征空間，利用基于該特征空間的TVDI監(jiān)測(cè)陜西省干旱時(shí)空分布特征和規(guī)律，并分析陜西省旱情變化趨勢(shì)、穩(wěn)定性及其影響因素，以期為陜西省防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

陜西省位于我國(guó)西北部，地理坐標(biāo)： E105°29′～111°15′，N34°42′～39°35′，面積約20.58萬km2。陜西省地勢(shì)南北較高、中間相對(duì)較低，從北往南可分為陜北的高原地區(qū)、關(guān)中的平原地區(qū)以及陜南的山地地區(qū)。由北向南橫跨3種氣候區(qū)： 陜北的中溫帶氣候區(qū)、關(guān)中的暖溫帶氣候區(qū)及陜南的亞熱帶氣候區(qū)。全年平均氣溫為18.7 ℃，自北向南，自西向東遞增； 年平均降雨量為340～1 240 mm，南多北少，由南向北遞減[12]。

1.2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

在美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)網(wǎng)站(http: //revert.echo.nnsn.gov/revert/)下載陜西省2000—2016年8 d合成全球1 km 地表溫度/發(fā)射率數(shù)據(jù)集MOD11A2、全球1 km植被指數(shù)月合成數(shù)據(jù)集MOD13A2。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括投影轉(zhuǎn)換、裁剪等。從MOD13A2和MOD11A2 中分別獲取研究區(qū)NDVI和Ts數(shù)據(jù)，并利用最大化合成法[13]獲取2000—2016年間每年最大化NDVI和Ts。

2 研究方法

2.1 基于NDVI-Ts特征空間的土壤濕度監(jiān)測(cè)模型

本文利用雙拋物線型NDVI-Ts特征空間的TVDI進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)[13-14]，其計(jì)算公式為[4]

(1)

式中：TVDI為溫度植被干旱指數(shù)；Ts為任意像元地表溫度,K；Tsmin為某一NDVI對(duì)應(yīng)的最小地表溫度，對(duì)應(yīng)NDVI-Ts特征空間的濕邊；Tsmax為某一NDVI對(duì)應(yīng)的最大地表溫度，對(duì)應(yīng)NDVI-Ts特征空間的干邊。

Tsmax和Tsmin可通過雙拋物線型NDVI-Ts特征空間干、濕邊模擬得到[13-14]，即

Tsmax=a1NDVI2+b1NDVI+c1，

(2)

Tsmin=a2NDVI2+b2NDVI+c2，

(3)

式中a1，a2，b1，b2，c1和c2分別為干濕邊方程系數(shù)，由線性擬合得到。

TVDI的取值范圍為[0，1]，TVDI越大，Ts越接近干邊，旱情越嚴(yán)重； 反之，TVDI越小，Ts越接近濕邊，旱情越輕。

2.2 一元線性回歸分析

采用一元線性回歸法分析每一個(gè)像元在2000—2016年間的變化趨勢(shì)，TVDI的變化率即為每一個(gè)像元17 a間的一元線性回歸方程的斜率，計(jì)算公式為[15]

(4)

式中：slope為TVDI的變化趨勢(shì)；TVDIi為某一年的溫度植被干旱指數(shù)； 變量i為時(shí)間單位年的序號(hào)；n為總年數(shù)，本文為17。

2.3 穩(wěn)定性分析

變異系數(shù)反映事物離散程度，其值越大反映該地區(qū)TVDI越不穩(wěn)定，說明該地區(qū)土壤濕度不穩(wěn)定、變化程度大； 反之，其值越小反映該地區(qū)TVDI越穩(wěn)定，說明該地區(qū)土壤濕度穩(wěn)定、變化程度大。其計(jì)算公式為

(5)

(6)

2.4 相關(guān)系數(shù)法

從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http: //data.cma.cn)下載陜西省境內(nèi)30個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2013年間的年降雨量、降雨距平百分率、平均氣溫和平均氣溫距平數(shù)據(jù)。借助Pearson相關(guān)系數(shù)分析TVDI與上述4個(gè)氣象因子的相關(guān)性。其計(jì)算公式為

(7)

式中：R為Pearson相關(guān)系數(shù)；xi為TVDI；yi為氣象因子。R值的范圍為[-1,1]，當(dāng)R=0時(shí)，2個(gè)變量之間無相關(guān)性； 當(dāng)R>0時(shí)為正相關(guān)，且越接近于1正相關(guān)性越強(qiáng)； 當(dāng)R<0時(shí)為負(fù)相關(guān)，且越接近于-1負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 NDVI-Ts特征空間

圖1為NDVI-Ts特征空間散點(diǎn)圖示例。

(a) 2000年 (b) 2005年

(c) 2010年 (d) 2016年

利用JAVA軟件按0.01步長(zhǎng)編程分別提取2000—2016年間各年的干濕邊散點(diǎn)，并在Excel軟件中獲取NDVI-Ts特征空間干、濕邊方程，并選擇2000年、2005年、2010年和2016年展示。由圖1可知，特征空間大致呈雙拋物線型特征，干邊的可決系數(shù)R2絕大部分在0.75以上； 濕邊的R2絕大部分在0.5以上，說明二次多項(xiàng)式擬合方程能夠很好地反映干濕邊變化趨勢(shì)。

3.2 TVDI與土壤濕度相關(guān)性驗(yàn)證

利用陜西省30個(gè)氣象站實(shí)測(cè)地表10 cm，20 cm和50 cm深度土壤濕度數(shù)據(jù)分別與TVDI進(jìn)行相關(guān)分析。分別以2013年5月9日、24日和9月14日、30日TVDI為橫坐標(biāo)，以土壤濕度數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，構(gòu)建TVDI-土壤濕度散點(diǎn)圖，并計(jì)算其R2(表1)。

表1 實(shí)測(cè)土壤濕度與TVDI可決系數(shù)R2

注： *表示通過P<0.05顯著性檢驗(yàn)。

各期TVDI與表層土壤濕度之間均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，TVDI越大，土壤濕度越低； 反之，土壤濕度越高。由表1可知，隨著土壤深度的增加TVDI與土壤濕度相關(guān)性逐漸下降，說明TVDI與土壤表層濕度相關(guān)性更好，且與10 cm深度處土壤濕度相關(guān)性通過了P<0.05顯著性驗(yàn)證。總體來看，TVDI雖與土壤濕度散點(diǎn)圖離散程度較高，但相關(guān)性較高，因此基于雙拋物線型NDVI-Ts特征空間的TVDI可作為旱情遙感監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

3.3 陜西省旱情時(shí)空分布特征

依據(jù)TVDI的大小將旱性劃分為5類[14]：TVDI位于[0,0.2)之間為極濕潤(rùn)；TVDI位于[0.2,0.4)之間為濕潤(rùn)；TVDI位于[0.4,0.6)之間為正常；TVDI位于[0.6,0.8)之間為干旱；TVDI位于[0.8,1]之間為極干旱。影像中水體或云層區(qū)域TVDI為負(fù)值，因此將TVDI<0的地區(qū)劃分為水或云。利用ArcGIS10.2軟件，制作了陜西省2000—2016年間每一年的旱情等級(jí)分布圖，統(tǒng)計(jì)了每一年的各旱情等級(jí)面積比例，并選擇2000年、2005年、2010年和2016年典型年份展示(圖2)。

(a) 2000年 (b) 2005年 (c) 2010年 (d) 2016年

由2000—2016年陜西省旱情時(shí)空分布情況可知，17 a間陜西省旱情時(shí)空分布特征為：

1)17 a間陜西省受到旱情影響面積比例在16.58%～43.13%之間波動(dòng)，17 a來受旱面積比例均值為30.26%； 其中，2014年旱情面積最小，為16.58%； 2001年旱情面積高達(dá)43.13%。

2)2000年陜西省受旱總面積占比為31.95%，旱情集中分布在陜北地區(qū)及關(guān)中的偏南地區(qū)，少數(shù)分布在陜南地區(qū)的西側(cè)區(qū)域； 2001年旱情較2000年嚴(yán)重，受旱總面積占比為43.13%，在陜北地區(qū)及關(guān)中地區(qū)均出現(xiàn)大面積旱情，陜南地區(qū)鮮有旱情出現(xiàn)； 2002年受旱總面積占29.42%，旱情主要發(fā)生在陜北及關(guān)中地區(qū)，且關(guān)中地區(qū)旱情相較于2001年向北擴(kuò)散； 2003年受旱總面積占22.76%，主要發(fā)生在關(guān)中、陜北地區(qū)，但關(guān)中北部大部分地區(qū)土壤較濕潤(rùn)； 2004年受旱面積占31.59%，受旱面積仍然主要集中在陜北及關(guān)中地區(qū)的北側(cè)。

3)2005年受旱面積占37.82%，陜北旱情加劇，尤其是陜北北部，關(guān)中地區(qū)旱情相對(duì)集中在南部及東部，陜南地區(qū)基本無旱情。2006年受旱面積占31.49%，陜北北部及關(guān)中中部等部分地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，陜北其他地區(qū)也出現(xiàn)旱情； 2007年受旱面積占28.36%，陜北西部、關(guān)中南部及陜南東部出現(xiàn)干旱和極干旱情況； 與往年相比，2008年旱情有所緩解，受旱面積占19.99%，旱情發(fā)生在陜北西部及關(guān)中南部，陜北東部少部分地區(qū)出現(xiàn)旱情； 2009年受旱面積占36.14%，陜北整個(gè)地區(qū)出現(xiàn)大面積旱情，其中西部地區(qū)出現(xiàn)了極干旱情況，關(guān)中南部旱情有所緩解。

4)2010年受旱面積占37.72%，陜北地區(qū)依舊大面積受旱，但極干旱情況相對(duì)減少，關(guān)中南部地區(qū)旱情有所加劇。2011年受旱面積占27.66%，陜北旱情略有緩解，關(guān)中南部旱情也明顯緩解，但陜南東部部分地區(qū)出現(xiàn)了旱情。2012年受旱面積占30.86%，陜北地區(qū)干旱分布相對(duì)零散，但遍及整個(gè)陜北，關(guān)中南部及東部大部分地區(qū)出現(xiàn)干旱和少量極干旱； 2013年受旱面積占28.69%，陜北旱情有所緩解，集中分布于西部和中部，關(guān)中南部及中部地區(qū)旱情加重； 2014年全省旱情明顯緩解，受旱面積占16.58%，旱情只出現(xiàn)在了陜北北部和關(guān)中南部部分地區(qū)； 2015年受旱總面積上升為31.91%，集中在陜北和關(guān)中南部，但全省濕潤(rùn)及極濕潤(rùn)地區(qū)尤其是在陜南地區(qū)出現(xiàn)明顯減少，正常地區(qū)明顯增加。2016年受旱面積占27.65%，旱情集中于陜北北部及關(guān)中南部及東部少量地區(qū)，濕潤(rùn)地區(qū)較2015年有明顯增加，且正常地區(qū)明顯減少。

3.4 變化趨勢(shì)與穩(wěn)定性分析

利用式(4)計(jì)算得到17 a間TVDI變化趨勢(shì)值slope，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)(圖3(a))； 進(jìn)一步利用式(5)和(6)計(jì)算得到TVDI變異系數(shù)Cv(圖3(b))。

(a) TVDI變化趨勢(shì) (b) TVDI變異系數(shù)

由圖3(a)可知，全省大約69.13%區(qū)域旱情緩解不顯著，主要分布在陜南大部分地區(qū)、關(guān)中南部和北部地區(qū)、榆林市北部和南部部分地區(qū)以及延安市南部、北部和中部大部分地區(qū)，也就是說這些地區(qū)旱情狀況在這17 a間變化不大； 全省大約14.45%地區(qū)旱情得到顯著緩解，主要分布在榆林市北部大部分地區(qū)、延安市中部部分地區(qū)、關(guān)中地區(qū)中部以及陜南零散地區(qū)； 全省大約15.35%地區(qū)旱情有所加劇，但是加劇不顯著，主要分布在榆林市南部及西北部、關(guān)中北部及南部部分地區(qū)、陜南部分地區(qū)，在上述地區(qū)中僅有0.88%地區(qū)旱情顯著加劇。

由圖3(b)可知，全省97.62%地區(qū)Cv<0.8，主要分布在陜北、關(guān)中和陜南大部分地區(qū)，說明17 a來這些地區(qū)TVDI變化不大，旱情比較穩(wěn)定，土壤濕度變化不大； 僅有2.38%區(qū)域Cv>0.8，主要分布在陜南西南部及南部部分地區(qū)，基本與陜南旱情有所加劇的區(qū)域重合或者分布其周圍。

以上分析表明，全省約84.48%區(qū)域旱情發(fā)生了變化，但是變化不顯著，旱情變化顯著區(qū)域僅占15.52%。

3.5 影響因素分析

為探究TVDI的影響因素，選擇降雨量、平均溫度和平均氣溫距平3個(gè)因素與TVDI進(jìn)行相關(guān)性分析(圖4)。

(a) 降雨量 (b) 平均溫度 (c) 平均氣溫距平

由圖4(a)中降雨量與TVDI的相關(guān)系數(shù)可知，23.74%區(qū)域TVDI與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.1)，主要分布在陜北榆林市大部分地區(qū)，延安市中部部分地區(qū)，漢中市北部、西北部，安康市、渭南市北部、商洛市東部部分地區(qū)及寶雞市西部、北部部分地區(qū)，說明這些地區(qū)旱情主要受降雨量影響，隨著降雨量的增加TVDI減少，旱情越輕； 全省其余地區(qū)與降雨量相關(guān)關(guān)系沒有通過顯著性檢驗(yàn)，說明降雨量不是影響這些區(qū)域旱情變化的重要因素。由圖4(b)中平均溫度與TVDI相關(guān)系數(shù)可知，8.21%區(qū)域TVDI與平均溫度呈正相關(guān)關(guān)系，主要分布在寶雞市中部和南部、漢中市西部和西北部，說明這些地區(qū)旱情主要受平均溫度影響，隨著溫度增加TVDI也增加，旱情加重； 14.11%區(qū)域TVDI與平均溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要分布在延安市中部和南部、渭南市北部、商洛市大部分地區(qū)及西安市東部，說明這些地區(qū)旱情主要受平均溫度影響，隨著溫度增加TVDI也減少，旱情減輕； 結(jié)合圖4(c)可知，全省58.70%區(qū)域TVDI與平均氣溫距平呈正相關(guān)關(guān)系，35.62%區(qū)域與平均氣溫距平呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但均未通過P<0.1顯著性檢驗(yàn)，說明溫度不是影響陜西省旱情變化的主要因素。

4 討論

本文利用陜西省2000—2016年間MODIS NDVI和Ts數(shù)據(jù)，構(gòu)建雙拋物線型NDVI-Ts特征空間，并計(jì)算TVDI，利用氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)對(duì)TVDI進(jìn)行驗(yàn)證，最后利用TVDI對(duì)陜西省旱情的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，利用三角形或者梯形NDVI-Ts特征空間計(jì)算TVDI進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)的較多。Carlson等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)植被覆蓋和土壤濕度變化范圍較大時(shí)，以NDVI為橫坐標(biāo)和以Ts為縱坐標(biāo)的散點(diǎn)圖特征空間呈三角形； Moran等[17]則認(rèn)為NDVI和Ts散點(diǎn)圖呈現(xiàn)梯形； 而后相關(guān)學(xué)者利用該三角形或梯形特征空間進(jìn)行了大量研究[9,18-19]。相關(guān)學(xué)者又根據(jù)研究區(qū)域不同情況，提出適合該地區(qū)新的干旱指數(shù)或者對(duì)之前學(xué)者提出的TVDI計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，使之能夠更加準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)旱情。筆者之前研究[13-14,20]認(rèn)為三角形或梯形NDVI-Ts特征空間將NDVI<0.15部分去除不能真實(shí)反映地表狀況，并指出包含NDVI<0.15部分的NDVI-Ts特征空間呈雙拋物線型，基于此特征空間的TVDI在監(jiān)測(cè)土壤濕度方面略優(yōu)于三角形和梯形NDVI-Ts特征空間的TVDI。因此本文進(jìn)一步利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)雙拋物線型NDVI-Ts特征空間進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)陜西省旱情進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間序列監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

1)基于雙拋物線型NDVI-Ts特征空間的TVDI與實(shí)測(cè)土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，表明基于雙拋物線型NDVI-Ts特征空間的TVDI可用于旱情監(jiān)測(cè)。

2)陜西省旱情主要分布在陜北的西北部、北部以及關(guān)中的北部、東部地區(qū)，其他區(qū)域發(fā)生旱情的時(shí)間相對(duì)適中，嚴(yán)重程度也相對(duì)適中。在時(shí)間上，2000年陜西省受旱面積為31.95%，2016年為27.65%，17 a間陜西省旱情呈波動(dòng)變化特點(diǎn)，沒有出現(xiàn)明顯減少或增加的趨勢(shì)； 但2000年、2005年、2010年和2015年旱情比相近年份的受旱面積大，有周期變化的趨勢(shì)。

3)17 a間全省約84.48%區(qū)域旱情發(fā)生了變化，但是變化不顯著，14.45%地區(qū)旱情得到顯著緩解，主要分布在榆林市北部大部分地區(qū)、延安市中部部分地區(qū)、關(guān)中地區(qū)中部以及陜南零散地區(qū)。全省97.62%的面積變異系數(shù)在0～0.8之間，變異系數(shù)較小，旱情穩(wěn)定，主要分布在陜北的北部、關(guān)中南部。

4)陜北榆林市大部分地區(qū)，延安市中部部分地區(qū)，漢中市北部、西北部，安康市、渭南市北部、商洛市東部部分地區(qū)及寶雞市西部、北部部分地區(qū)(約占23.74%)旱情與降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.1)，隨著降雨量的增加TVDI減少，旱情越輕； 但降雨量不是其余地區(qū)旱情的主要影響因素?？傮w來看，溫度不是影響陜西省旱情變化的主要因素。

結(jié)合地表反射率和熱紅外輻射信息的NDVI-Ts特征空間方法，雖能反映出一定時(shí)空尺度土壤濕度狀況，但易受植被覆蓋、土地覆蓋/土地利用和衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的影響。因此，在今后工作中需要從不同下墊面狀況分析其干旱狀況。