溫度植被干旱指數(shù)、干燥度指數(shù)、水體分布與干濕特征的關(guān)系

李淏源 邱新法 曾燕

摘要：干濕研究的手段分為站點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究與遙感監(jiān)測(cè)2種，由于遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用較晚，且不具有明顯的周期性，二者的監(jiān)測(cè)原理不同等原因，很少有人將2種手段的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行直接的比較研究。本研究基于氣象數(shù)據(jù)和中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroadiometer，簡(jiǎn)稱MODIS）數(shù)據(jù)，分別計(jì)算得到山東省聊城市干燥度指數(shù)（aridity index，簡(jiǎn)稱AI）和溫度植被干旱指數(shù)（temporature vegetation drought index，簡(jiǎn)稱TVDI），基于高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，提取聊城市地面詳細(xì)的水體信息及其分布，得到水體分布的相對(duì)密集區(qū)域以及相對(duì)稀疏區(qū)域，最后將三者的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，（1）山東省聊城市AI、TVDI之間存在著很大的相關(guān)性，聊城西部地區(qū)2種指數(shù)明顯偏高更為干燥，其中東部、西部TVDI均值分別為0.42、0.53，AI均值分別為1.79、1.86;（2）2種干濕指數(shù)的年尺度上升下降趨勢(shì)基本吻合，季節(jié)間特征表現(xiàn)形式不同，但都可以反映相似的干濕狀況空間分布規(guī)律;（3）東部、西部河流及緩沖區(qū)不覆蓋區(qū)占東部、西部地區(qū)總面積比例分別為17.37%、37.71%，也呈現(xiàn)出西部干東部濕的特征，且與2種指數(shù)的分布規(guī)律相似。

關(guān)鍵詞：干濕特征;TVDI;AI;河流分布;山東聊城

降水是一個(gè)區(qū)域水資源的主要來(lái)源，蒸發(fā)則是一個(gè)地區(qū)水分損失的主要形式，是地表層水分以及干濕分布規(guī)律的重要影響因素，也是水各種相態(tài)轉(zhuǎn)變的主要環(huán)節(jié)。潛在蒸散是在不考慮其他復(fù)雜因素影響的情況下一個(gè)地區(qū)水分蒸發(fā)量的預(yù)估值，也是計(jì)算實(shí)際蒸散發(fā)的關(guān)鍵因素。潛在蒸散發(fā)和降水的比值為干燥度指數(shù)（aridity index，簡(jiǎn)稱AI），該指數(shù)能夠反映一個(gè)地區(qū)干濕程度，同時(shí)也是反映區(qū)域氣候的重要指標(biāo)[1]，在干濕情況分布以及植被變化研究中被廣泛應(yīng)用。

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)因其覆蓋區(qū)域廣，空間上連續(xù)，減少大量人工勞動(dòng)等特點(diǎn)在大面積監(jiān)測(cè)方面具有特殊的優(yōu)勢(shì)。利用遙感手段進(jìn)行大范圍干濕監(jiān)測(cè)的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，發(fā)展了許多監(jiān)測(cè)方法和指標(biāo)。尤其是近年來(lái)，中分辨率成像光譜儀（moderate-resolution imaging spectroadiometer，簡(jiǎn)稱MODIS）數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、適中空間分辨率等特點(diǎn)，使得其在干濕的遙感監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用。目前比較常用的干濕遙感監(jiān)測(cè)方法有熱慣量法、微波遙感法、蒸散法、植被指數(shù)法、溫度植被干旱指數(shù)法等。其中，由植被指數(shù)（vegetation index，簡(jiǎn)稱VI）和地表溫度（surface temperature，簡(jiǎn)稱TS）的特征空間搭建而成的溫度植被干旱指數(shù)（temperature vegetation drought Index，簡(jiǎn)稱TVDI）綜合了2個(gè)參數(shù)特有的生理生態(tài)意義，能有效減小植被覆蓋度對(duì)干濕情況監(jiān)測(cè)的影響，準(zhǔn)確性更高，實(shí)用性更強(qiáng)，數(shù)據(jù)獲取較為容易，計(jì)算中各個(gè)物理量簡(jiǎn)單明確，在氣象干濕研究中應(yīng)用較為廣泛。且已在國(guó)內(nèi)許多地方得到驗(yàn)證，齊述華等通過(guò)TVDI對(duì)我國(guó)2000年春季干旱情況進(jìn)行了研究[2]。范遼生等利用TVDI方法反演伏旱期土壤水分變化[3]。王海等運(yùn)用TVDI監(jiān)測(cè)研究了云南省2009—2010年重大干旱情況[4]。楊曦等研究得出，TVDI能夠表現(xiàn)華北平原不同時(shí)空尺度土壤表層的干濕狀況差異[5]。

以往的氣象研究更注重于單一方法的大區(qū)域大尺度的氣象要素研究分析，很少對(duì)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)與遙感面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究，也很少對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)間延續(xù)性和遙感數(shù)據(jù)的瞬時(shí)性對(duì)實(shí)際情況的解讀進(jìn)行仔細(xì)探究。其次是沒(méi)有過(guò)多的關(guān)注精細(xì)化地面要素對(duì)干濕情況的影響，本研究提出的水體分布，在實(shí)際生活中，農(nóng)田的灌溉甚至土壤水分的濕度等要素與各種大小河流水體的廣泛分布密不可分。

筆者對(duì)比分析利用遙感手段獲取的研究區(qū)TVDI與利用氣象數(shù)據(jù)計(jì)算獲得的AI在研究區(qū)干濕空間分布指征上的異同;并充分利用高分辨率衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，在研究區(qū)域內(nèi)，采用監(jiān)督分類方法提取出水體分布信息，進(jìn)而獲取研究區(qū)河流緩沖區(qū)密度，并將之與2種干旱指數(shù)所表達(dá)的干濕區(qū)域進(jìn)行空間上的對(duì)比分析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

山東省聊城市地處魯西平原，是山東省的西大門，毗鄰河南省、河北省，位于華東、華中、華北三大區(qū)域交界處（圖1）。聊城市位于35°47′～37°02′N和115°16′～116°32′E之間，屬半干旱大陸性氣候，南北直距為138 km，東西直距為114 km，總面積為8 646.8 km2，其中耕地面積為6 359.6 km2，占總面積的73.69%。聊城市境內(nèi)流經(jīng)徒駭河、馬頰河、京杭大運(yùn)河，水資源分布不平衡，東部和東南部沿黃河一帶水資源較多，西部和西北部地區(qū)水資源匿乏[6]。聊城市乃至山東省在以往的科學(xué)研究中經(jīng)常被認(rèn)定為干旱或半干旱地區(qū)，由于緊鄰黃河，過(guò)去黃河一直遭受洪水影響，而現(xiàn)在黃河的綜合治理使得農(nóng)業(yè)灌溉得以發(fā)展，四通八達(dá)的河流基本能滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求。

遙感數(shù)據(jù)：本研究使用2種遙感數(shù)據(jù)：（1）來(lái)源于谷歌衛(wèi)星地圖下載器下載的普通地圖，該地圖共有20個(gè)縮放級(jí)別，由于高縮放級(jí)別的地圖數(shù)據(jù)量比較大，本研究選用的縮放級(jí)別為12，空間分辨率為69 m，比例尺為1 ∶ 20萬(wàn)，視點(diǎn)高度為76.5 km;（2）為2000—2014年15年來(lái)的MODIS數(shù)據(jù)，包括MODND1M中國(guó)500 m歸一化差分植被數(shù)（normalized difference vegetation index，簡(jiǎn)稱NDVI）月合成產(chǎn)品和MODLT1M中國(guó)1 km地表溫度（land surface temperture，簡(jiǎn)稱LST）月合成產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）。

氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)：選取山東省聊城市行政轄區(qū)內(nèi)8個(gè)常規(guī)氣象站2000—2014年15年來(lái)逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度及日照時(shí)數(shù)等資料。所用數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/）。

1.2 研究方法

1.2.1 TVDI模型 本研究采用的是Sandholt等提出的溫度植被干旱指數(shù)方法[7]，即三角法反演地表干濕情況。Price等在分析研究遙感數(shù)據(jù)中的歸一化植被指數(shù)和地表溫度二者的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度和表層土壤水分含量要素分布比較全面時(shí)，NDVI-LST散點(diǎn)圖呈三角形[8-9]。而Moran等發(fā)現(xiàn)，NDVI-LST散點(diǎn)圖呈梯形，且在其他條件基本相同的情況下，地表類型不同會(huì)引起斜率和截距改變[10]，即所謂的“干邊”“濕邊”，這些散點(diǎn)的分布就是 NDVI-LST特征空間[11]。

從圖2可以看出，其中橫坐標(biāo)為歸一化差分植被指數(shù)，縱坐標(biāo)為地表溫度，A點(diǎn)是無(wú)植被覆蓋的裸土，植被覆蓋度低，地表水容易流失、下滲或者蒸發(fā)，地表溫度較高;B點(diǎn)是低植被覆蓋，但土壤肥沃，蓄水能力強(qiáng)，土壤水分蒸發(fā)正常進(jìn)行，地表溫度較低;C點(diǎn)是高植被覆蓋且土壤水分充足，冠層溫度由于植物表面的蒸騰作用而降低。三角區(qū)間的3個(gè)角代表3種極端情況，AB邊是表征不同土壤含水量及表層蒸發(fā)的不同，引起地表溫度的不同，BC邊溫度較低，水分充足，受植被覆蓋影響小，地表蒸散等于潛在蒸散，稱為“濕邊”，AC邊說(shuō)明土

1.2.3 河流提取 水可以吸收也可以散射通過(guò)水汽界面的波譜輻射能量，但水的散射會(huì)增加天空輻射能量，而水則會(huì)同時(shí)吸收二者。遙感圖像可以記錄收集各種地物向外發(fā)出的輻射信息，相對(duì)于陸地上各種地物，水體在近紅外、中紅外和短波紅外這幾個(gè)波段的反射率相對(duì)較低，可以明顯區(qū)分，水體的低反射率有助于通過(guò)遙感數(shù)據(jù)提取水體信息。

提取水體信息的方法主要有2種：（1）通過(guò)目視判讀的方法判斷水體分布，利用地理信息軟件如Arcgis等直接在遙感圖像的地圖上重新數(shù)字化;（2）通過(guò)已經(jīng)寫好的算法模式對(duì)遙感影像信息的自動(dòng)提取。如通過(guò)各種波段反演的水體指數(shù)、事先指定水體像元類型或者其反射率表現(xiàn)的閾值區(qū)間，進(jìn)行監(jiān)督分類;或是不指定類型，直接通過(guò)計(jì)算機(jī)把圖像上的各種相似類型的像元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的非監(jiān)督分類;還有運(yùn)用概率與圖論中的樹(shù)對(duì)決策中的不同方案進(jìn)行比較分析，判斷出最優(yōu)方案的決策樹(shù)分類方法等。

通過(guò)遙感影像提取河流信息的方法已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，徐靈等利用監(jiān)督分類方法，首先確定一定的閾值范圍，得到水體分布[23]。付曉等則是將監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類方法結(jié)合起來(lái)，既發(fā)揮了人的主觀能動(dòng)性，又吸取了計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)點(diǎn)，分類效果很好[24]。本研究采取付曉等的分類方法[24]，利用監(jiān)督分類方法提取出水體大致輪廓，然后考慮各種不同類型水體、不同大小水體、水體中心與邊緣等因素的差異，對(duì)監(jiān)督分類的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充，得到最終的水體結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 TVDI和AI的空間尺度干濕特征

氣象站數(shù)據(jù)為點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此通過(guò)其計(jì)算獲得的干燥指數(shù)需通過(guò)空間插值獲得其空間分布。利用ArcGIS對(duì)氣象站點(diǎn)計(jì)算獲得的干燥度指數(shù)進(jìn)行空間插值，使用反距離權(quán)重插值方法獲得山東省聊城市干濕空間分布。2000—2014年聊城市多年平均TVDI空間分布見(jiàn)圖3，2000—2014年聊城市多年平均AI空間分布見(jiàn)圖4。研究區(qū)溫度植被干旱指數(shù)為 0.187～0.672，均值為0.49，AI值變化區(qū)間為1.668～2.024，均值為1.82，二者干旱定義標(biāo)準(zhǔn)不同，數(shù)值沒(méi)有很大直接對(duì)照參考價(jià)值。但無(wú)論是AI還是TVDI，干濕情況的分布規(guī)律較為相似，聊城市西部地區(qū)相對(duì)較為干燥。由于AI的計(jì)算是基于站點(diǎn)信息插值計(jì)算，區(qū)域性更為明顯，因此對(duì)圖3、圖4中聊城市8個(gè)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)圖5、圖6。從圖中可以看出，聊城市西部的莘縣、冠縣區(qū)域在2個(gè)干旱指數(shù)的分布圖中均屬于較為干燥的地區(qū)，而東部的茌平縣，聊城市區(qū)和東阿縣均屬于較濕潤(rùn)地區(qū)，除了陽(yáng)谷地區(qū)有差異外，其他地區(qū)的干濕潤(rùn)情況都基本吻合。將8個(gè)地區(qū)的干濕狀況量化，其折線走勢(shì)見(jiàn)圖7，可以更為直觀的看到，2種指數(shù)顯示的干濕狀況在各個(gè)地區(qū)間的相互關(guān)系都是基本相似的。從干濕指數(shù)的數(shù)值大小關(guān)系上來(lái)看，TVDI>0.5的地區(qū)為西部臨清市、冠縣、莘縣3個(gè)地區(qū)，三者的均值為0.53，而東部另外5個(gè)地區(qū)的均值為0.42;AI>1.8的地區(qū)為臨清市、冠縣、莘縣、陽(yáng)谷縣，西部3個(gè)地區(qū)臨清市、冠縣、莘縣均值為1.86，東部5個(gè)地區(qū)的均值為1.79，基本干濕規(guī)律是吻合的。

2.2 TVDI和AI時(shí)間尺度干濕特征

本研究使用的是月尺度的數(shù)據(jù)，將時(shí)間尺度縮小到季節(jié)上，且不同季節(jié)干濕情況差別較大，異常值影響會(huì)略有明顯。2000—2014年這15年來(lái)TVDI均值的四季分布情況見(jiàn)圖8-a，干濕情況在春、秋、冬3季地區(qū)性分布較為明顯， 春季干燥

主要分布在西北區(qū)域，秋季冬季主要分布在西南區(qū)域，夏季分布較為均勻，地區(qū)性分布不明顯。結(jié)合四季干燥情況的數(shù)值統(tǒng)計(jì)（圖8-b）可以看出，TVDI不能明顯看出季節(jié)性明顯差異，但是冠縣、臨清市、莘縣等3個(gè)西部地區(qū)的四季TVDI均值都大于 0.6，這也是聊城地區(qū)西部地區(qū)較為干燥的重要原因之一。

15年來(lái)AI平均值的四季分布情況見(jiàn)圖9-a，可以看出春、夏、秋3季干燥地區(qū)多分布在聊城西部，冬季干燥地區(qū)為西南和東北地區(qū)， 反映不同地區(qū)內(nèi)季節(jié)干燥度指數(shù)的大小特

征見(jiàn)圖9-b，且季節(jié)性區(qū)別較為明顯，干燥情況呈現(xiàn)出冬季>春季>秋季>夏季的特征，表明研究區(qū)春、冬2季較為干燥。由于春季為作物出苗和生長(zhǎng)的關(guān)鍵季節(jié)，且該地區(qū)多為冬小麥，因此加強(qiáng)冬旱春旱防御工作對(duì)農(nóng)作物至關(guān)重要。

TVDI和AI 2種干旱指數(shù)15年來(lái)變化趨勢(shì)的對(duì)比見(jiàn)圖10，2種干旱指數(shù)相鄰年份的升降趨勢(shì)除了2000—2001年間和2013—2014年間存在差異，其他相鄰年份之間都相同，區(qū)別在于干旱指數(shù)變化的大小。如2000—2003年間AI的下降趨勢(shì)遠(yuǎn)大于TVDI，2004—2005年間TVDI的下降趨勢(shì)又明顯大于AI。但是如果從干濕等級(jí)定義的角度去看，二者幾乎都沒(méi)有發(fā)生什么變化，結(jié)合趨勢(shì)線的走向可以看出，AI是從半干旱半濕潤(rùn)（1.0～3.0）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶?rùn)（1.0～1.7），而TVDI由于受植被覆蓋影響較明顯，受天氣狀況影響較小，所以更加穩(wěn)定，15年來(lái)一直保持正常水平，在0.4～0.6之間。

2.3 TVDI和AI干濕特征與河流分布密度的相關(guān)性分析

聊城市地處運(yùn)河和黃河交界處，水系相對(duì)于其他內(nèi)陸地區(qū)較發(fā)達(dá)，因此灌溉是聊城市農(nóng)業(yè)、林業(yè)的重要補(bǔ)給方式，聊城地區(qū)水系的分布及4 000 m緩沖區(qū)見(jiàn)圖11，水系分布在中部和東部比較密集，西部則比較稀疏。結(jié)合圖3、圖4可以發(fā)現(xiàn)，水系分布情況與TVDI和AI這2種指數(shù)的干濕表征情況相一致，表明在聊城地區(qū)，干濕區(qū)分布與河流分布有著密不可分的聯(lián)系。

如果將河流緩沖區(qū)的分布進(jìn)行區(qū)域化的統(tǒng)計(jì)，從表1可以看出，聊城地區(qū)西部冠縣、臨清市、莘縣等3個(gè)地區(qū)的濕潤(rùn)區(qū)占比均值僅有60%左右，而中部及東部地區(qū)濕潤(rùn)區(qū)占比均值達(dá)87%左右，相差接近30%。

將表1中的非水體緩沖區(qū)占地比數(shù)據(jù)與圖7結(jié)果進(jìn)行疊加比較（圖12、圖13）可知，聊城市8個(gè)區(qū)域的TVDI、AI、非水體緩沖區(qū)占地比例的折線趨勢(shì)幾乎一致。

3 結(jié)論與展望

通過(guò)遙感數(shù)據(jù)和氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到2000—2014年15年間聊城地區(qū)的2種干濕指數(shù)（TVDI、AI）的時(shí)空分布情況和變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2種指數(shù)的相關(guān)性很高;進(jìn)而將這種相似的干濕分布規(guī)律與聊城地區(qū)的實(shí)際水體及緩沖區(qū)的分布進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，2種指數(shù)反映的干濕情況與河流分布也存在很大的相關(guān)性：（1）聊城市15年來(lái)的AI、TVDI二者之間存在著很大的相關(guān)性，均呈現(xiàn)西部干燥、東部濕潤(rùn)的空間分布特征，其中東西部TVDI均值分別為0.422 51、0.531 35，東西部AI均值分別為1.788 49、1.863 21;（2）2種指數(shù)表現(xiàn)的干濕特征在時(shí)間尺度上規(guī)律也很明顯，2000—2014年這15年的年尺度濕潤(rùn)變化規(guī)律的升降趨勢(shì)基本吻合，季節(jié)間特征表現(xiàn)形式不同，但都可以反映相同的干濕狀況，即春季、冬季干燥發(fā)生較為嚴(yán)重;（3）東西部河流及緩沖地帶不覆蓋區(qū)占東部、西部地區(qū)面積的比例分別為17.367%、37.714%，也呈現(xiàn)出西干東濕的特征，且與2種指數(shù)的干濕分布規(guī)律吻合。

由于研究區(qū)面積原因，干濕情況沒(méi)有很大的跨度，但是小區(qū)域內(nèi)的干濕狀況在現(xiàn)如今精細(xì)化農(nóng)業(yè)的大背景下也會(huì)有很重要的研究意義。由于聊城地區(qū)地處華北平原中南部，溫帶季風(fēng)性氣候區(qū)的中南部，且位于大運(yùn)河和黃河的交匯處，這對(duì)華北平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植分布規(guī)劃、天氣與水系二者對(duì)農(nóng)業(yè)的影響研究、遙感干旱與氣象干旱對(duì)比研究等都有很大的參考意義。

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