基于TVDI指數(shù)的四平市梨樹縣夏玉米生育期干旱監(jiān)測

韓凱旭 康乾坤 賀金鑫

摘要 利用2017年夏玉米主要生育期（5—8月）的Landsat-8遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度（LST）和植被指數(shù)（NDVI）的反演;利用LST-NDVI構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)模型（TVDI），作為表征干旱的監(jiān)測指標(biāo)，并依據(jù)2017年夏玉米實測樣點的數(shù)據(jù)對模型精度予以驗證。結(jié)果表明，四平市梨樹縣干旱總體分布趨勢從東南到西北呈現(xiàn)出濕潤-正常-輕旱-中旱-重旱的變換規(guī)律，體現(xiàn)了四平市梨樹縣旱情隨地形、氣候變化的規(guī)律性。四平市梨樹縣干旱主要集中在西北，吉林省的干旱分布規(guī)律亦是從東南濕潤過渡到西北重旱，這種變化規(guī)律與吉林全省濕潤氣候過渡到半干旱氣候的分布規(guī)律相吻合。由此可見，TVDI模型指數(shù)與土壤濕度具有明顯的相關(guān)性，可以應(yīng)用于農(nóng)作物的旱災(zāi)檢測。

關(guān)鍵詞 夏玉米;生育期;干旱監(jiān)測;植被干旱指數(shù);地表溫度;梨樹縣

Abstract This paper used the Landsat8 remote sensing image data of the main growth period （May-August） of summer maize in 2017 to retrieve the surface temperature （LST） and vegetation index （NDVI）. Using LSTNDVI， a temperature vegetation drought index model （TVDI） was constructed to represent the drought monitoring index. And the accuracy of the model was verified according to the data of summer maize in 2017. The results showed that the general distribution trend of drought in Lishu County of Siping City was from the southeast to the northwest， showing the transformation rule from humid to normal light drought to medium drought to heavy drought， which reflected the regularity of drought changing with topography and climate in Lishu County of Siping City. The drought in Lishu County of Siping City was mainly concentrated in the northwest， and the distribution law of drought in Jilin Province was also from the southeast humid to the northwest heavy drought， which was consistent with the distribution law of the humid climate to the semiarid climate in Jilin Province. It can be seen that the TVDI model index has a significant correlation with soil moisture， which can be applied to crop drought detection.

Key words Summer maize;Growth period;Drought monitoring;Vegetation drought index;Surface temperature;Lishu County

我國經(jīng)濟(jì)近些年來蓬勃發(fā)展，在世界經(jīng)濟(jì)中的地位及重要性日益凸顯，但總體而言我國目前仍屬于發(fā)展中國家的范疇，農(nóng)業(yè)仍是我國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中重要的一個環(huán)節(jié)，所占的比重和所產(chǎn)生的影響不言而喻[1]。農(nóng)業(yè)發(fā)展的優(yōu)劣直接影響著大多數(shù)人的基本生活，制約著國家第一產(chǎn)業(yè)的自給自足，在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)災(zāi)害則是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，它的產(chǎn)生直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)發(fā)展。我國橫跨熱帶、亞熱帶、溫帶，農(nóng)業(yè)用地類型豐富，近51.9%耕地處于年降水量不足800 mm的地區(qū)，干旱災(zāi)害是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，在各類自然災(zāi)害造成的總損失中干旱占35%以上，居于首位[2]。

吉林省地處東部季風(fēng)區(qū)，降水時空分布不均，水資源空間分布組合錯位，致使供需不平衡加劇，干旱災(zāi)害不斷發(fā)生，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活和生態(tài)環(huán)境等造成重大損失。加強(qiáng)干旱災(zāi)害的監(jiān)測與評估，為政府制定合理的防旱、抗旱決策提供科學(xué)依據(jù)迫在眉睫。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測方法不僅費時費力，而且在空間規(guī)模以及采樣周期等方面都存在一定的局限性[3]。

20世紀(jì)60年代，各國學(xué)者開始研究利用遙感估算土壤水分含量的新方法，遙感技術(shù)具有高效、宏觀、時效等優(yōu)點，可以對土壤水分、地表溫度、葉面積指數(shù)及植被指數(shù)等進(jìn)行大面積的估算[4]。利用遙感技術(shù)檢測土壤水分的方法主要包括植被指數(shù)法、特征空間法、熱慣量法、地表溫度法、微波遙感法等[5]。其中，熱慣量法對數(shù)據(jù)資料的要求較為苛刻;植被指數(shù)法可檢測植被生長狀態(tài)、植被蓋度，但受自然條件影響較大，具有明顯的滯后性。將植被指數(shù)（NDVI）和地表溫度（LST）相結(jié)合的方法是目前廣泛使用的方法。溫度植被旱情指數(shù)（TVDI）是Sandholt等[5]提出的一種基于NDVI-LST 特征空間的土壤水分監(jiān)測方法，相較于單獨使用 NDVI 或LST能夠提供更加精確、全面的旱情相關(guān)信息。我國相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者使用TVDI指數(shù)進(jìn)行了全國級、地區(qū)級、省級、市級等不同空間尺度上的土壤水分反演、旱情監(jiān)測、作物產(chǎn)量估計等相關(guān)研究。TVDI具有監(jiān)測具體干旱程度的特點，利用這一特點，可及時做好相應(yīng)的防治工作，減少農(nóng)業(yè)旱災(zāi)帶來的破壞，提高糧食產(chǎn)量，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)的輔助決策信息產(chǎn)生積極的影響。

因此，筆者利用Landsat-8遙感數(shù)據(jù)得到四平市梨樹縣的TVDI指數(shù)分布，通過對比實測樣點，分析得到2017年夏玉米生育期的干旱情況，對梨樹縣的干旱情況予以監(jiān)測。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

梨樹縣位于吉林省四平市西南（123°45′～124°53′E，43°02′～43°46′N），東與公主嶺市以東遼河為界，南與遼寧省的西豐縣、開原縣和吉林省額梨樹接壤，西與遼寧省昌圖縣毗鄰，北與公主嶺市、雙遼市以東遼河為界。區(qū)域面積4 209 km2，研究區(qū)位置見圖1。 地勢東南高、西北低。南部低山多丘陵，北部為東遼河沖積平原。全年降水量低于800 mm，長期處于干旱-半干旱的狀況。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

該研究所采用Landsat-8衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為地基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，由地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供（數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址：http：//www.gscloud.cn/），空間分辨率為30 m。實測驗證點數(shù)據(jù)為2017年夏玉米生長季實地采樣點信息。

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括對遙感影像的輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正、影像圖幅拼接、問題條帶處理等步驟。

1.3 研究方法

1.3.1 TVDI檢測干旱空間的原理。

歸一化植被指數(shù)（NDVI）與植被含水量有著密切的關(guān)系，干旱地區(qū)降水量較少，含水量低，NDVI值也較低。但由于不同地區(qū)、不同植被類型、不同氣候條件以及澇災(zāi)蟲災(zāi)等各種因素的影響，植被含水量的變化受多種因素所致，僅依靠NDVI指數(shù)很難表達(dá)出受干旱的影響程度;地表溫度（LST）的變化是大氣-土壤-植被系統(tǒng)物質(zhì)交換和能量循環(huán)的結(jié)果，從而一定程度上可以反映地表土壤含水量變化。由于系統(tǒng)能量變化，植被在受干旱氣候的影響下，葉片呼吸系統(tǒng)（氣孔）被迫關(guān)閉，以此保護(hù)植物體內(nèi)的水分，因此就會導(dǎo)致植物表面溫度升高，且其反應(yīng)比NDVI指數(shù)更敏感。但由于植被類型不同，且覆蓋面積的大小不同，從而影響植被的表層溫度，因此同一種溫度變化不能表現(xiàn)出含水量變化的情況。Moran等[6]提出土壤背景溫度高的區(qū)域受LST的干旱影響較大，因此，將NDVI與LST結(jié)合可以避免以上需考慮的多種缺點，可實現(xiàn)性較大。

由此提出溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）的概念。TVDI是一個反映土壤干旱情況的指數(shù)。NDVI-LST的特征空間主要被用來估算蒸散[7]和土壤濕度[8]。NDVI-LST特征空間呈現(xiàn)三角形[9-10]或梯形[10-11]的空間分布特征。Goward等[10]利用AVHRR數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn) LST與NDVI之間存在很好的關(guān)系并隨土壤濕度變化。Nemani等[12]研究發(fā)現(xiàn) LST與NDVI的斜率與作物水分指數(shù)、土壤水分呈負(fù)相關(guān)，LST/NDVI 在干旱發(fā)生時會增大。LST與NDVI 的斜率與土壤水分的負(fù)相關(guān)關(guān)系是特征空間中的重要統(tǒng)計特征。Sandholt等[5]認(rèn)為 NDVI-LST 的特征空間中有一系列土壤濕度等值線。

三角形的特征空間如圖2所示，A 和B分別表示干燥裸土和濕潤裸土。隨著地表植被覆蓋度的增加，地表溫度開始下降。C 點表示植被完全覆蓋，土壤水分充足，這時的蒸散阻力最小，所以AC表示土壤水分的有效性很低，地表蒸散小，被認(rèn)為是 NDVI-LST 特征空間的熱邊界（干邊）;BC表示土壤水分充足，不是植被生長的限制因素，地表蒸散等于潛在蒸散，被認(rèn)為是 NDVI - LST 特征空間的冷邊界（濕邊）。

1.3.2 TVDI 監(jiān)測干旱的途徑。

以TVDI指數(shù)的等級來表征干旱程度，國內(nèi)常見的TVDI分級是將TVDI分為5級，等間距分級標(biāo)準(zhǔn)最為常用，密度分割法也應(yīng)用較廣[5]。從前人工作中可看出TVDI的分級標(biāo)準(zhǔn)較為混亂[6，13]，在不同區(qū)域、不同時間內(nèi)TVDI的分級標(biāo)準(zhǔn)有很大差異，對同一研究區(qū)用不同的TVDI分級標(biāo)準(zhǔn)評價的旱情差別較大，難以確定合理的TVDI干旱等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 LST-NDVI特征空間

根據(jù)各時相的地表溫度和歸一化植被指數(shù)得到LST-NDVI特征空間分布（圖3）。LST的最大值和最小值均與NDVI呈現(xiàn)線性關(guān)系。該研究以2017年5—8月特征空間為例，玉米的生長周期大約在100 d，一般在種植1 d后胚芽就會長出來，如果出芽，30 d以后開始進(jìn)入拔節(jié)期，60 d以后玉米開始進(jìn)入生殖器官發(fā)育期，之后的30 d是果實的發(fā)育期和成熟期。所以選擇5—8月為植物生長周期連續(xù)4個月植物的生長周期（苗期階段、穗期階段、花粒階段）具有代表性。從圖3中可知，當(dāng) NDVI大于某一數(shù)值時，隨著NDVI值的增大，陸地地表溫度的最小值不斷增大，而陸地地表溫度的最大值不斷減小;最大與最小陸地地表 溫度隨著NDVI的增加，逐漸接近，NDVI-LST 特征空間呈現(xiàn)三角形或梯形的空間分布特征。

2.2 干-濕邊提取

由LST-NDVI特征空間原理可知，計算TVDI關(guān)鍵是干-濕邊的擬合，最常見的方法是：對于一組NDVI和LST遙感影像，取一定的步長（如0.01或0.02），從合理的NDVI范圍內(nèi)求取每一NDVI對應(yīng)的陸地表面溫度的最高值、最低值，用最小二乘法擬合地表溫度的最高值、最低值分別得到干、濕邊方程。由圖4得出，LST-NDVI特征空間的干、濕邊對應(yīng)的斜率：

由方程得出，LST-NDVI特征空間的干邊對應(yīng)的斜率均小于0，隨著NDVI的增大，地表溫度最大值在減小;而濕邊的斜率均大于0，說明植被生長在沒有水分脅迫下，NDVI增大，地表溫度最小值呈上升趨勢。

2.3 驗證評價

該研究以實測采樣點方式驗證，以便更好地驗證試驗結(jié)果。

實測的采樣點為 2017 年四平市梨樹縣采樣點（圖5），采樣點的受災(zāi)程度和受災(zāi)面積作為評定旱情等級的標(biāo)準(zhǔn)。所有的采樣點均是實地調(diào)查，并且詳細(xì)記錄每個地塊的數(shù)據(jù)，為評定旱情等級的標(biāo)準(zhǔn)。采樣點數(shù)據(jù)以表格的形式記錄，對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的處理，提取受災(zāi)信息，根據(jù)表格提供的經(jīng)緯度信息以及受災(zāi)程度等信息，提取矢量點。受災(zāi)信息作為矢量屬性值。