基于遙感技術(shù)的平頂山市農(nóng)業(yè)干旱時空演變研究

王 磊 王勝道

（平頂山學(xué)院，河南 平頂山 467000）

農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)系著人們的生產(chǎn)生活。如何發(fā)展好農(nóng)業(yè)，是當(dāng)今社會積極探索的重要內(nèi)容之一。因此，如何預(yù)防農(nóng)業(yè)災(zāi)害便成了社會發(fā)展的重要議題之一。自21世紀(jì)，我國各產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，自然災(zāi)害發(fā)生頻率也在逐步升高。在這些災(zāi)害中，約70%屬于氣象災(zāi)害，而氣象災(zāi)害中超過50%是干旱災(zāi)害，我國每年因干旱而產(chǎn)生的損失可達(dá)數(shù)千億元。此外，糧食安全是關(guān)系到千家萬戶的民生大事，因此對農(nóng)業(yè)干旱的研究具有極大的意義。

平頂山市地處河南省中部，農(nóng)業(yè)發(fā)展在平頂山市具有舉足輕重的地位。但由于近些年來平頂山市農(nóng)業(yè)干旱現(xiàn)象不斷發(fā)生，給當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了嚴(yán)重影響。平頂山市地處豫中地區(qū)，處于伏牛山地區(qū)向黃海平原的過渡區(qū)，農(nóng)業(yè)干旱問題尤為突出。

1 研究方法

對農(nóng)業(yè)干旱的傳統(tǒng)研究方法主要是利用氣象站點收集土壤墑情數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，然后得出結(jié)論。在小面積范圍內(nèi)，這種方法是值得推薦的，但研究范圍擴(kuò)大至一個地級市甚至更大的范圍，該方法的局限性就顯而易見。一是站點位置分散，有時不能涵蓋研究范圍，且站點數(shù)量有限，無法做到大規(guī)模觀測。二是需耗費大量的時間、人力、物力及財力對站點數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)下可利用衛(wèi)星圖像結(jié)合相關(guān)氣象數(shù)據(jù)及信息在短時間內(nèi)對大面積地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步分析農(nóng)業(yè)干旱的時間與空間分布規(guī)律，為農(nóng)業(yè)干旱防御提供依據(jù)。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行地面數(shù)據(jù)與信息的采集，同時結(jié)合國家氣象網(wǎng)站及平頂山市地方統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲得氣象數(shù)據(jù)，對利用遙感技術(shù)所采集的地面數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證及補(bǔ)充，最終得出農(nóng)業(yè)干旱在該區(qū)域的時空演變情況，并總結(jié)出結(jié)論與規(guī)律。根據(jù)溫度植被干旱指數(shù)（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）模型概念，得出植被覆蓋度與溫度之間的線性關(guān)系，利用地表溫度反演圖像、試驗日期的彩色衛(wèi)星圖像、氣象歷史數(shù)據(jù)及實地考察證明植被豐富區(qū)氣溫絕大多數(shù)低于當(dāng)日試驗區(qū)裸露及城市部分，并通過統(tǒng)計計算，證明試驗的科學(xué)性與準(zhǔn)確性［1］。

使用TVDI模型并利用遙感技術(shù)在不耗費大量人力與物力的情況下，對2015—2018年平頂山市農(nóng)業(yè)干旱情況進(jìn)行了研究，并得出了結(jié)論，為之后該地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測提供了依據(jù)。利用遙感衛(wèi)星圖像，可做到在短時間內(nèi)對一個地區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，并可連續(xù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測，從而總結(jié)出平頂山市農(nóng)業(yè)干旱發(fā)生規(guī)律，為農(nóng)民生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有效指導(dǎo)，進(jìn)而減少干旱帶來的損失［2］。

2 試驗數(shù)據(jù)來源

遙感圖像選用的是Landsat8的OLI和TIRS圖像，圖像行列號分別為124-36和124-37，圖像從地理空間數(shù)據(jù)云獲?。╤ttp://www.gscloud.cn/）［3］。選取的圖像總天數(shù)為9 d，共跨越2015年4月至2018年1月，且根據(jù)歷史氣象資料，所選取的9 d中無一天處于陰雨天及選取圖像日期前后兩三天無明顯降水，以保證所選日期的代表性（代表研究區(qū)域的四季）。氣象數(shù)據(jù)來源于歷史氣象數(shù)據(jù)，具體從國家氣象網(wǎng)站獲取。

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

整個試驗是在ENVI5.3和ArcGIS10.2軟件的共同應(yīng)用下實現(xiàn)與完成的，之后利用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，并得出結(jié)論。

截至目前，對TVDI的劃分有多種方法，筆者采用吳黎［4］的農(nóng)業(yè)干旱劃分方法。該方法獲得的TVDI劃分值與實際地表樣本干旱值吻合度可達(dá)83%，為相對比較可靠及先進(jìn)的方法。在此劃分方法中，TVDI被分為5個等級：TVDI值小于0.46時，所在地區(qū)為無旱；TVDI值為0.46～0.57時，所在地區(qū)為輕旱；TVDI值為0.57～0.76時，所在地區(qū)為中旱；TVDI值為0.76～0.86時，所在地區(qū)為重旱；TVDI值大于0.86時，所在區(qū)域為特旱［5］。該方法驗證區(qū)域與平頂山市年降水量、蒸發(fā)量及其他數(shù)據(jù)相似，因此該方法適用于平頂山市農(nóng)業(yè)干旱劃分。

3.2 試驗驗證

根據(jù)TVDI模型概念，可得出植被覆蓋度與溫度之間有線性關(guān)系，因此根據(jù)之前制作的地表溫度反演圖像、試驗日期的彩色衛(wèi)星圖像、氣象歷史數(shù)據(jù)及部分實地考察證明植被豐富區(qū)氣溫絕大多數(shù)低于當(dāng)日試驗區(qū)裸露及城市部分，并通過統(tǒng)計計算，以證明試驗的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。

通過對比所選取不同季節(jié)6日地表溫度圖像和TVDI指數(shù)圖像可得出結(jié)論，即大部分地區(qū)地溫與TVDI值成正相關(guān)，再結(jié)合歷史土地用地資料查詢，并選取部分研究區(qū)域中不同種類用地進(jìn)行實地考察，最終得出試驗數(shù)據(jù)及結(jié)論真實可靠（見圖1）。

圖1 2015年4月23日平頂山市不同時間地表溫度與TVDI值

4 2015—2018年平頂山市干旱空間變化特征

平頂山市不同年份不同季節(jié)TVDI值空間分布如圖2至圖5所示。

圖2 2015年平頂山市TVDI值空間分布

圖5 2018年1月5日平頂山市TVDI值空間分布

春季平頂山市干旱多發(fā)生于北部，南部濕潤度整體大于北部，大致可從西北到東南做一條30°的平分線，在此線以北，農(nóng)業(yè)干旱情況整體嚴(yán)重于南部，春季干旱較為嚴(yán)重的縣區(qū)集中分布于汝州市、寶豐縣、郟縣及葉縣北部地區(qū)。其中，汝州市北部因山脈阻擋，加之裸地較多，因此易形成干旱。

圖3 2016年平頂山市TVDI值空間分布

圖4 2017年平頂山市TVDI值空間分布

夏季平頂山市干旱中心由北部轉(zhuǎn)移至中部，其中心位置為石龍地區(qū)。

秋季平頂山市大部分地區(qū)遭受了不同程度的農(nóng)業(yè)干旱，主要集中區(qū)域由夏季的中西部轉(zhuǎn)移至東部，東部大部分地區(qū)為特旱災(zāi)區(qū)，西部為重旱災(zāi)區(qū)，只有極少數(shù)西南部和南部為無旱區(qū)。其原因主要是降水稀少，同時由于試驗選取日期為初秋時節(jié)，溫度依然較高，蒸發(fā)量較大，加之季風(fēng)已經(jīng)南下，因此產(chǎn)生了大面積干旱。

冬季平頂山市干旱中心由上一年秋季的東部轉(zhuǎn)移至30°平分線的下半部分。其產(chǎn)生原因主要可歸結(jié)為冬季時西南部山區(qū)大多數(shù)植被和農(nóng)作物干枯，屬于含水量較少的時節(jié)，因此該地區(qū)干旱程度較重，成為新的干旱中心，反而是之前夏季干旱較為嚴(yán)重的中北部地區(qū)干旱程度較其他地區(qū)而言較輕。但是，整體干旱趨勢較上一年秋季有所減輕，進(jìn)入春季后期隨著降水的增加，整體干旱程度進(jìn)一步減輕。

5 平頂山市干旱時間變化

平頂山市春季與冬季干旱情況相對較輕，夏秋兩季干旱情況相對較嚴(yán)重，干旱時間演變趨勢可歸結(jié)為春季到秋季呈干旱逐步加重趨勢，秋季至次年春季干旱情況有所好轉(zhuǎn)，呈逐漸減輕趨勢。

根據(jù)表1至表3的遙感圖像TVDI值及氣象資料可知，平頂山市不同干旱區(qū)的時間變化不同。其中，無旱區(qū)的變化特點是春季到夏季呈減少趨勢，夏季到秋季情況依然不樂觀，變動幅度較小，冬季情況有所好轉(zhuǎn)，無旱區(qū)面積增大。輕旱區(qū)的變化趨勢是2015年4月至2016年2月逐步減小，這4個季度大部分面積還是由中旱和特旱面積構(gòu)成；2016年夏季至秋季輕旱區(qū)面積在不斷減?。ń柚鷼v史氣象資料總結(jié)），到冬季有所上升；2017年春至2018年1月，除2018年春季面積有所擴(kuò)大，其他季節(jié)依然類似輕旱區(qū)上一年時間的變化規(guī)律，因此可歸納為輕旱區(qū)的面積從春季到秋季逐步減少，冬季則有所增加。2015年，中旱區(qū)秋季所占面積為4個季度中的最小值，其余3季度皆為所占面積最大值，除2015年秋季面積有所減小外，其他3季度面積整體變化情況不大；2016年，中旱區(qū)在該地區(qū)依然占據(jù)主導(dǎo)位置，除了2016年夏季和秋季面積有所減小外（結(jié)合氣象資料），其余大部分時間中旱區(qū)為當(dāng)?shù)孛娣e最大的區(qū)域；2017年中旱區(qū)面積從春季到秋季呈小范圍減小趨勢，但整體所占面積依然為5個干旱劃分區(qū)中最大。重旱區(qū)和特旱區(qū)整體變化趨勢為春季至秋季逐步增強(qiáng)，冬季有所好轉(zhuǎn)。

表1 2015年平頂山市TVDI值

表3 2017—2018年平頂山市TVDI值

平頂山市春季與冬季干旱情況相對較輕，夏秋兩季干旱情況相對較嚴(yán)重。平頂山市干旱時間演變趨勢可歸結(jié)為春季至秋季呈干旱逐步加重趨勢，秋季至次年春季干旱情況有所好轉(zhuǎn)，呈逐漸減輕趨勢。

表2 2016年平頂山市TVDI值

6 結(jié)論

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析，可歸納出2015年春季至2018年春季平頂山市農(nóng)業(yè)干旱問題嚴(yán)重，因此需做好防御工作。平頂山市主要農(nóng)作物有水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、油菜、馬鈴薯和花生等，其中水稻需要的灌溉水資源較多，因此做好水庫蓄水工作十分重要。2015年春季至2018年春季平頂山市秋旱十分嚴(yán)重，易造成農(nóng)作物生長需水不足，產(chǎn)量降低，因此需加強(qiáng)利用高新科技及其他方法彌補(bǔ)水資源不足的問題。如今跨流域調(diào)水已在此地實現(xiàn)，但在灌溉技術(shù)方面還需繼續(xù)更新，要大規(guī)模采用滴灌模式，減少水資源浪費。平頂山市整體干旱演變情況可歸納為春季至秋季逐漸嚴(yán)重，冬季至次年春季有所緩解。因此，有關(guān)部門要制訂相關(guān)計劃，有針對性地預(yù)防干旱，同時結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c有目的、有計劃地種植農(nóng)作物。