基于衛(wèi)星遙感的旱情監(jiān)測方法及應(yīng)用

文|楊永民 辛景峰 黃詩峰 楊昆 朱鶴

水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心/中國水利水電科學(xué)研究院

一、引言

干旱災(zāi)害是我國主要的自然災(zāi)害之一。我國幅員遼闊、地形復(fù)雜，局地性或區(qū)域性的干旱災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2000年以來，年均因旱臨時(shí)飲水困難人數(shù)超過2500萬人，年均受旱面積超過3.7億畝，旱災(zāi)損失占同期GDP的比重超過1%[1]。旱情監(jiān)測評估與預(yù)警作為抗旱減災(zāi)重要的非工程措施，對于實(shí)時(shí)掌握旱情動態(tài)，科學(xué)指導(dǎo)抗旱救災(zāi)，提高抗旱管理水平，最大限度地減少旱災(zāi)損失，保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，我國水利氣象部門初步建立起雨情、水情、地下水等基礎(chǔ)水文監(jiān)測站網(wǎng)，在抗旱減災(zāi)方面發(fā)揮了重要作用，但是墑情監(jiān)測站點(diǎn)總體偏少，仍然難以滿足大范圍旱情監(jiān)測預(yù)警的需求。

衛(wèi)星遙感是獲取非均勻下墊面的有效、經(jīng)濟(jì)的手段，是解決復(fù)雜條件下，大尺度區(qū)域范圍陸面蒸散和土壤水分狀況及其在生態(tài)環(huán)境中轉(zhuǎn)換機(jī)理研究的有效工具[2]。大面積的遙感地表輻射和溫度觀測，可直接提供土壤-植被-大氣系統(tǒng)的界面能量信息；多光譜、多角度的遙感資料可反演下墊面的特征參數(shù)；多時(shí)相的遙感觀測信息可反映土壤和植被的水分狀況。衛(wèi)星遙感為旱情監(jiān)測、評估與分析提供了新視角，其形式由光學(xué)遙感發(fā)展到微波遙感，被動遙感到主動遙感，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域性、大面積的旱情監(jiān)測及應(yīng)用。

但由于受到衛(wèi)星過境時(shí)刻、重訪周期、幅寬、降雨、云層等因素的影響，衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)在空間或時(shí)間維度上不夠連續(xù)，全國或較大區(qū)域上相應(yīng)的旱情估算與監(jiān)測在時(shí)間和空間上也不夠連續(xù)。此外，衛(wèi)星遙感反映的是已經(jīng)發(fā)生的旱情信息，不能對區(qū)域的旱情提供有效的預(yù)警信息。陸面水文模型系統(tǒng)描述了地表的能量收支和水分收支平衡，系統(tǒng)地刻畫了土壤-植被-大氣連續(xù)體的生物、物理、化學(xué)過程，是進(jìn)行區(qū)域尺度水熱平衡模擬的有效工具。衛(wèi)星遙感的觀測信息能提供陸面水文模型所需的關(guān)鍵信息，通過氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動陸面水文模擬則可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度土壤水分、地表蒸散的連續(xù)模擬，可有效彌補(bǔ)遙感水分反演方法時(shí)空連續(xù)性的不足。

二、旱情監(jiān)測技術(shù)方案

1.基于遙感指數(shù)的旱情監(jiān)測方法

（1）植被狀態(tài)指數(shù)法

植被在可見光波段和近紅外波段的強(qiáng)吸收與強(qiáng)反射光譜特征是植被指數(shù)法用于作物長勢監(jiān)測和土壤水分狀況評估的基礎(chǔ)。當(dāng)作物受到水分脅迫時(shí)，其生長受到限制，導(dǎo)致作物對可見光波段的反射率增高，而紅外波段的反射率卻降低，因此通過可見光及近紅外兩個(gè)波段的線性或非線性組合成的植被指數(shù)可以評估作物的受旱狀況。歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）是一種常用的植被指數(shù)，也是描述區(qū)域旱情的重要指標(biāo)?；跉w一化植被指數(shù)，Kogan提出了植被狀態(tài)指數(shù)（ VCI），可用于大范圍旱情的監(jiān)測應(yīng)用[3]。為實(shí)現(xiàn)全國大范圍的旱情監(jiān)測應(yīng)用，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心收集整理了覆蓋中國國土范圍的NOAA AVHRR歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)和MODIS植被指數(shù)數(shù)據(jù)，對植被指數(shù)進(jìn)行濾波、插補(bǔ)處理，形成一套完整的植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行植被狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算。

（2）溫度狀態(tài)指數(shù)法

地表溫度能夠反映作物及下墊面的水分狀況，衛(wèi)星遙感反演的地表溫度數(shù)據(jù)可以用于區(qū)域尺度的旱情監(jiān)測。溫度狀態(tài)指數(shù)（TCI）由Kogan在VCI的基礎(chǔ)上提出，其中的溫度數(shù)據(jù)使用的是亮度溫度[3-4]。為實(shí)現(xiàn)全國范圍的旱情監(jiān)測，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心收集整理了2000年至今的MODIS地表溫度數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行TCI的計(jì)算。

2.基于遙感的區(qū)域土壤水分反演及旱情監(jiān)測方法

土壤含水量與植被狀態(tài)和地表溫度三者之間具有復(fù)雜的相關(guān)性，研究表明基于植被指數(shù)（NDVI）和地表溫度（LST）的多元回歸可以很好地反演土壤含水量。首先建立地表參數(shù)NDVI和LST與土壤含水量（RSM）的多元回歸方程，利用地面實(shí)測土壤墑情數(shù)據(jù)與遙感反演的NDVI和LST進(jìn)行模型參數(shù)率定，進(jìn)而計(jì)算每個(gè)像元的土壤含水量?？紤]到土壤類型的影響，在反演過程中按照土壤類型的不同，分類進(jìn)行多元回歸擬合，構(gòu)建溫度植被指數(shù)多項(xiàng)式模型用于土壤含水量的反演。在土壤含水量反演的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家氣象干旱標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)區(qū)域旱情的監(jiān)測及應(yīng)用。

3.基于遙感和陸面水文模型的旱情監(jiān)測方法

基于衛(wèi)星遙感的旱情監(jiān)測方法為區(qū)域旱情監(jiān)測、評估與分析提供了新視角，但由于受到衛(wèi)星過境時(shí)刻、重訪周期、幅寬、雨、云等因素的影響，衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)在空間或時(shí)間維度上不夠連續(xù)，全國或較大區(qū)域上相應(yīng)的旱情估算與監(jiān)測在時(shí)間和空間上也不夠連續(xù)。陸面水文模型系統(tǒng)描述了地表的能量收支和水分收支平衡，系統(tǒng)刻畫了土壤-植被-大氣連續(xù)體的生物、物理、化學(xué)過程，是進(jìn)行區(qū)域尺度水熱平衡模擬的有效工具。一方面，衛(wèi)星遙感的觀測信息可提供陸面水文模型所需的關(guān)鍵地表狀態(tài)信息；另一方面，通過氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動陸面水文模擬可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域尺度土壤水分、地表蒸散的連續(xù)模擬，可有效彌補(bǔ)遙感水分反演方法時(shí)空連續(xù)性的不足。

對此，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心在收集整理中國區(qū)域近60年氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成了近60年的中國區(qū)域陸面水文模擬?；趯?shí)時(shí)氣象驅(qū)動數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)逐日標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、降水百分率等氣象干旱指數(shù)的計(jì)算。通過實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)的整理和規(guī)范化，開發(fā)了一套陸面水文模擬系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)逐日的陸面水文狀態(tài)的模擬?；跉v史的陸面水文模擬數(shù)據(jù)集和實(shí)時(shí)模擬的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了30天滾動的土壤水分距平和土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)等旱情指標(biāo)的計(jì)算，并開發(fā)了基于衛(wèi)星遙感和陸面水文模型的旱情監(jiān)測與預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，模型可進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算及旱情監(jiān)測。

三、旱情監(jiān)測應(yīng)用案例

1.內(nèi)蒙古旱情監(jiān)測

2016年夏季，受降水偏少、溫度偏高影響，內(nèi)蒙古中東部等地區(qū)旱情持續(xù)發(fā)展，錫林郭勒大草原和呼倫貝爾大草原亦出現(xiàn)干旱成災(zāi)現(xiàn)象。據(jù)內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局消息，2016年夏季的干旱是內(nèi)蒙古草原自1953年以來形成的最嚴(yán)重旱情[5]。對此，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心基于衛(wèi)星遙感資料開展內(nèi)蒙古地區(qū)的旱情動態(tài)監(jiān)測。圖1為基于TCI的內(nèi)蒙古自治區(qū)旱情遙感動態(tài)監(jiān)測示例。2016年7月5日監(jiān)測結(jié)果顯示內(nèi)蒙古東北部等地旱情初現(xiàn)，主要發(fā)生在錫林浩特以東地區(qū)。7月10日監(jiān)測結(jié)果顯示內(nèi)蒙古東部地區(qū)旱情加重，旱情面積擴(kuò)大明顯，錫林浩特東部地區(qū)、呼倫貝爾等地旱情嚴(yán)重。7月10日，受旱面積進(jìn)一步擴(kuò)大。7月20-30日，TCI監(jiān)測結(jié)果顯示旱情略有緩解，這與7月20日內(nèi)蒙古局部地區(qū)有小雨，降雨導(dǎo)致地表溫度降低一致。8月5-20日,中東部地區(qū)旱情持續(xù)加重。圖2為同期VCI監(jiān)測結(jié)果，VCI基于遙感植被指數(shù)資料是TCI監(jiān)測結(jié)果的有效補(bǔ)充，能反映旱情的持續(xù)發(fā)展過程，7月20-30日監(jiān)測結(jié)果顯示內(nèi)蒙古東北部等地旱情持續(xù)。對2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)的旱情監(jiān)測表明，基于衛(wèi)星遙感的旱情監(jiān)測方法能夠從時(shí)空分布的角度反映內(nèi)蒙古自治區(qū)旱情的動態(tài)過程。

圖1 基于TCI的2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)旱情遙感動態(tài)監(jiān)測示例

圖2 基于VCI的2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)旱情遙感動態(tài)監(jiān)測示例

2.黑龍江旱情監(jiān)測

黑龍江省是我國耕地面積、糧食總產(chǎn)“雙第一”的農(nóng)業(yè)大省，糧食安全保障的重要基地。近年來，春旱發(fā)生頻次增加，春旱范圍不斷擴(kuò)大，干旱發(fā)生從西部松嫩平原擴(kuò)大到中東部地區(qū)，春旱持續(xù)時(shí)間加長，甚至由春旱發(fā)展到春、夏連旱。旱災(zāi)的發(fā)生嚴(yán)重影響了大田作物的生長發(fā)育，使作物生長緩慢，發(fā)育進(jìn)程受到影響，成為影響黑龍江省糧食產(chǎn)量的重要因素之一。針對旱情狀況，基于遙感的區(qū)域土壤水分反演及旱情監(jiān)測方法，采用2015-2018年MODIS數(shù)據(jù)與同期地面實(shí)測土壤含水量資料，對黑龍江省旱情進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測，見圖3。監(jiān)測結(jié)果表明， 2015年旱情較輕，耕地受旱面積為634萬畝，2016年旱情最重，耕地受旱面積達(dá)2623萬畝，其次為2017年，耕地受旱面積為1267萬畝，2018年耕地受旱面積為952萬畝。黑龍江省以春旱為主，旱情一般發(fā)生在5、6月份，隨著夏季雨季的到來，旱情逐漸緩解。

圖3 黑龍江省2015-2018年旱情遙感監(jiān)測圖

3.全國旱情監(jiān)測

基于開發(fā)的陸面水文模擬系統(tǒng)和旱情監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)逐日的全國旱情動態(tài)監(jiān)測。2018年5月份以來持續(xù)開展全國旱情監(jiān)測應(yīng)用。2019年入春以來，河南省和云南省降水持續(xù)偏少，干旱持續(xù)加重。圖4為基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和土壤水分距平百分率的全國旱情監(jiān)測圖，監(jiān)測圖顯示云南省和河南省大部分地區(qū)為表現(xiàn)中等及以上氣象干旱，土壤水分距平百分率反映云南和河南等地存在大范圍的土壤缺墑現(xiàn)象，旱情形勢嚴(yán)峻。這一監(jiān)測結(jié)果與地方新聞報(bào)道的情況較為相符，此外，云南、河南省的旱情監(jiān)測結(jié)果與同期的國家氣候中心的氣象干旱綜合監(jiān)測圖一致。

圖4 基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和土壤水分距平百分率的全國旱情監(jiān)測圖

四、總結(jié)和展望

為應(yīng)對我國頻發(fā)的干旱災(zāi)害，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感大范圍監(jiān)測的優(yōu)勢，構(gòu)建了旱情監(jiān)測的指數(shù)模型方法、基于遙感的區(qū)域土壤水分反演方法和基于遙感和陸面水文模型的旱情監(jiān)測方法，并在2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒和呼倫貝爾旱災(zāi)、黑龍江省土壤水分反演及旱情監(jiān)測、2019年河南和云南旱情監(jiān)測中進(jìn)行了成功的實(shí)踐應(yīng)用，為區(qū)域和全國的旱情監(jiān)測提供了重要的技術(shù)參考。

隨著氣候變化和人類活動的影響，區(qū)域旱情的高精度監(jiān)測和應(yīng)用需要進(jìn)一步挖掘衛(wèi)星遙感和物理模型方法的潛力。當(dāng)前，全球和區(qū)域水循環(huán)研究和水資源管理涉及到水文氣象的要素，包括輻射、溫度、降水、蒸散、土壤水分以及流域儲水量的變化等，都可通過遙感反演獲得，這些信息將為區(qū)域旱情的監(jiān)測和應(yīng)用注入新的活力。此外，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)衛(wèi)星遙感和物理模型方法的結(jié)合，融合和擴(kuò)展衛(wèi)星遙感所獲得的地面觀測信息，提供更為準(zhǔn)確的陸面水文狀態(tài)的模擬，為區(qū)域的旱情監(jiān)測提供支撐。