基于MODIS的華北地區(qū)2008～2017年干旱遙感監(jiān)測(cè)研究

王曉賢，賈 滿

(1.徐州市國(guó)測(cè)測(cè)繪信息服務(wù)有限公司，江蘇 徐州221006；2.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710100)

0 引 言

旱災(zāi)是世界上造成經(jīng)濟(jì)損失最多的自然災(zāi)害，相對(duì)于洪水、颶風(fēng)等災(zāi)害，干旱災(zāi)害的孕發(fā)過程要緩慢得多，通常需要幾個(gè)月甚至數(shù)個(gè)季節(jié)，容易被人忽視，一旦成災(zāi)，其波及范圍較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，影響人口較多，影響區(qū)域也很大[1]。

由于干旱發(fā)生的周期性和區(qū)域性的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)大范圍面上的干旱監(jiān)測(cè)，遙感技術(shù)是可行的技術(shù)途徑之一[2]。目前國(guó)內(nèi)遙感干旱監(jiān)測(cè)以 NOAA/AVHRR、Landsat/TM、TERRA/AQUA星載的MODIS等傳感器獲得的影像為主要數(shù)據(jù)源[3-6]。

華北地區(qū)屬于半濕潤(rùn)地區(qū)，該地區(qū)具有下墊面復(fù)雜多樣、地表植被稀疏和對(duì)氣候變化的響應(yīng)敏感等特點(diǎn)，是受全球氣候變化影響最顯著的地區(qū)之一[7]，因此本文選取華北地區(qū)，基于MOIDS數(shù)據(jù)特征建立干旱監(jiān)測(cè)模型，比較MODIS指數(shù)對(duì)旱情監(jiān)測(cè)響應(yīng)的敏感性，尋求反映干旱脅迫時(shí)序演變和空間分異的最佳遙感干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)方法，以準(zhǔn)確反映大區(qū)域的干旱時(shí)空分布特征，為干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本研究的我國(guó)華北地區(qū)位于96°～126°E，30°～53°N之間的地帶，包含北京市、天津市、河北省、山西省和內(nèi)蒙古自治區(qū)共計(jì)5個(gè)省級(jí)行政單位(圖1)。

圖1 研究區(qū)域

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括：遙感數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和地面輔助數(shù)據(jù)。

(1)遙感資料采用美國(guó)NASA的2008～2017年8天合成MODIS反射率產(chǎn)品(MOD09A1，500 m)、地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2，1 km)，來源于美國(guó)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)平臺(tái)。

(2)氣象數(shù)據(jù)采用中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(2008～2017年日降水?dāng)?shù)據(jù))，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。

(3)地面輔助數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)行政邊界圖、植被土地覆蓋類型圖(MCD12Q1，500 m)等。

2 MODIS監(jiān)測(cè)模型

利用MODIS地表反射率產(chǎn)品(MOD09A1，500 m)，選取對(duì)植被和土壤水分敏感的紅外(RED)，近紅外(NIR)、短波紅外(SWIR)波段計(jì)算了2008～2017年每8天的指數(shù)AVI、AWI、VCI；利用MOD11A2 溫度產(chǎn)品經(jīng)過MRT投影轉(zhuǎn)換，按照白天地表溫度LST×0.02計(jì)算式得到溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)，通過NDVI、VCI、TCI求得植被健康指數(shù)(VHI)、植被供水指數(shù)(VSWI)[9]。

表1 MODIS干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)

3 華北地區(qū)區(qū)域干旱響應(yīng)

(1)時(shí)間向量

本研究采用變化向量分析的變化檢測(cè)方法對(duì)遙感指數(shù)法進(jìn)行比較，體現(xiàn)出干旱發(fā)生過程及面積分布。本文所用的AVI、AWI、VCI、TCI、VHI數(shù)據(jù)以月為間隔，選擇干旱頻繁的6～8月份為監(jiān)測(cè)時(shí)段，定義一個(gè)3維的矢量空間，將每一時(shí)相分別對(duì)應(yīng)于一維空間，各個(gè)遙感干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)序列可以對(duì)應(yīng)于一個(gè)3維的時(shí)間矢量[11]：

(1)

式中，P(i,Y)為像元i對(duì)應(yīng)于Y年的矢量；Y(t)為像元i在時(shí)間t1到t3的指數(shù)值；3為時(shí)間維數(shù)。

(2)變化向量

根據(jù)以上對(duì)時(shí)間矢量的定義可以看出：任意2年間水分的任何變化都會(huì)表現(xiàn)在這3維空間中，這種變化可用變化矢量描述如下式：

ΔP(i)=P(i,YR)-P(i,YD)=

(2)

時(shí)間變化向量ΔP(i)是像元i從干旱年到參考年的變化，包含了每一維的變化信息。

(3)變化方向

變化方向由參考年和干旱年相減后的變化向量的符號(hào)來表示，即

s=±{P(i,YR)-P(i,YD)}

(3)

變化方向代表干旱的狀態(tài)，指的是在植被生長(zhǎng)過程中干旱正處于發(fā)生的開始或者結(jié)束狀態(tài)。每種方向?qū)嶋H代表了干旱發(fā)生的過程，按照以上變化方向的定義[12]，詳細(xì)編碼如表2所示。

表2 變化向量對(duì)應(yīng)的干旱類型編碼

按照以上方法，6～8月份AVI、AWI、VCI、TCI、VHI的干旱空間分布進(jìn)行比較如圖2。

圖2是變化向量分析法監(jiān)測(cè)的干旱年2009年相對(duì)正常年份2016年干旱結(jié)果分布圖。從圖中可以看出不同的指數(shù)監(jiān)測(cè)的干旱分布存在著差異，其中AVI和AWI指數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果較為相似，AVI和AWI監(jiān)測(cè)的干旱主要發(fā)生在中間和最后階段，干旱發(fā)生嚴(yán)重的為內(nèi)蒙古北部、東北部、中部及山西北部地區(qū)。中間和最后發(fā)生干旱的主要內(nèi)蒙古東北部、河北、河南等地，只最后時(shí)段發(fā)生干旱的為內(nèi)蒙古中部及河南等地。

圖2 華北遙感干旱指數(shù)空間分布比較

VCI監(jiān)測(cè)的干旱主要發(fā)生時(shí)段和AVI、AWI監(jiān)測(cè)一致，主要干旱發(fā)生在中間和最后時(shí)段，監(jiān)測(cè)干旱面積較比AVI和AWI的監(jiān)測(cè)面積小，VCI監(jiān)測(cè)全時(shí)段干旱主要發(fā)生在內(nèi)蒙古中部、河北北部、山西西部等。

VHI監(jiān)測(cè)的結(jié)果與VCI較為相似，相比VCI監(jiān)測(cè)到的全時(shí)段發(fā)生干旱的面積減小，只發(fā)生的中間和最后時(shí)段的面積增大，主要分布在內(nèi)蒙古地區(qū)。

TCI監(jiān)測(cè)的干旱面積在5個(gè)指數(shù)中最大，監(jiān)測(cè)的內(nèi)蒙古中部及河南等地干旱發(fā)生時(shí)段為開始和最后時(shí)段，TCI監(jiān)測(cè)的結(jié)果和其他指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果存在著較大的差異。

基于上述時(shí)間和空間上對(duì)MODIS構(gòu)建的AVI、AWI、VCI、TCI、VHI 5個(gè)干旱指數(shù)的比較分析中，5個(gè)指數(shù)都能從一定程度上反映出干旱的發(fā)生，但綜合考慮時(shí)間和空間干旱發(fā)生情況，AVI和AWI的監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)較好。為了更好地比較AVI與AWI在華北地區(qū)對(duì)干旱的響應(yīng)程度，對(duì)華北地區(qū)120個(gè)氣象站點(diǎn)分別提取2009年(干旱年)、2011年(濕潤(rùn)年)、2016年(正常年)4～10月的AVI與AWI值取均值，分別繪制AVI與AWI在干旱年、濕潤(rùn)年和正常年的曲線變化圖(圖3)。從圖中可以看出，AVI和AWI在干旱年和濕潤(rùn)年的4～10月份曲線變化趨勢(shì)一致，AVI曲線正常年和濕潤(rùn)年曲線差異較小，而AWI干旱年與濕潤(rùn)年和正常年的差異較大，說明AWI相比AVI干旱發(fā)生時(shí)段更為敏感。

圖3 華北地區(qū)AVI與AWI指數(shù)對(duì)干旱響應(yīng)

基于上述分析得知AWI對(duì)于干旱的敏感性好于AVI，因此，本文采用AWI指數(shù)監(jiān)測(cè)從時(shí)間和空間上對(duì)華北2008～2017年的干旱進(jìn)行分析。

4 華北地區(qū)旱情監(jiān)測(cè)

4.1 華北地區(qū)2008～2017年干旱時(shí)間分析

對(duì)華北地區(qū)120個(gè)氣象站點(diǎn)(圖4中華北地區(qū)范圍內(nèi)的黑點(diǎn))提取2008～2017年每年4～10月份的AWI值取均值，得到月均值A(chǔ)WI (圖5)。

圖4 華北地區(qū)范圍內(nèi)的站點(diǎn)分布圖

圖5 華北地區(qū)2008～2017年月均值A(chǔ)WI值變化曲線(4 ～10月)

從上圖可以看出：華北地區(qū)2008～2017年干旱較為嚴(yán)重的年份為2008、2009年和2017年，近兩年以2017年干旱較為嚴(yán)重，其中2008年和2009年的干旱時(shí)段相似，干旱較嚴(yán)重時(shí)段出現(xiàn)在6月和7月，從8月份開始旱情有所緩解。而2017年干旱時(shí)段出現(xiàn)在7月、8月，從6月干旱開始，8月份旱情達(dá)到最嚴(yán)重，9月份旱情緩解。這與基于SPI分析的干旱年和干旱月份大致相同。

4.2 華北地區(qū)2008～2017年干旱空間分析

4.2.1 2008～2017年干旱月際變化分析

對(duì)華北地區(qū)2008～2017年4～10月求平均AWI，得到4～10月份(植被生長(zhǎng)期)AWI干旱分布圖(圖6)。

圖6 華北地區(qū)4～10月平均AWI干旱分布圖

從圖中可以看出從4月份到9月份干旱發(fā)生的程度分布范圍都在不斷變化，大致上較濕潤(rùn)和正常地區(qū)發(fā)生在內(nèi)蒙古西部地區(qū)，發(fā)生干旱較嚴(yán)重的地區(qū)為內(nèi)蒙古中部、河北北部、山西東部、河南南部和山東的北部地區(qū)。從干旱發(fā)生的整體時(shí)間上來說，4～5月份干旱較輕，只有河北部分地區(qū)輕微干旱，河南和山東地區(qū)出現(xiàn)干旱。在6月份內(nèi)蒙古中部、河北北部、山西東部干旱嚴(yán)重，7月份相比6月份干旱程度有所下降，干旱面積在擴(kuò)大，內(nèi)蒙古的中西部地區(qū)從不旱到輕微干旱狀態(tài)，8月份干旱程度較嚴(yán)重，干旱面積較大，幾乎整個(gè)華北地區(qū)都出現(xiàn)干旱，大部分地區(qū)旱情嚴(yán)重，9～10月份干旱程度和面積都在減小，旱情有所緩解。

4.2.2 2008～2017年華北地區(qū)干旱年際變化分析

通過對(duì)2008～2017年出現(xiàn)干旱時(shí)期(5～9月)的AWI求均值，得到2008～2017年干旱分布圖(圖7)。

圖7 華北地區(qū)2008～2017年平均AWI干旱分布圖

從受旱面積和受旱程度來說，干旱發(fā)生較嚴(yán)重的年份為2008、2009年和2017年，2008年和2009年全區(qū)幾乎都發(fā)生了不同程度的干旱，干旱面積較大，干旱程度較嚴(yán)重。2017年為近兩年來干旱發(fā)生嚴(yán)重的一年，干旱主要發(fā)生內(nèi)蒙古的中東部和河北北部，以及河南和山東北部地區(qū)。這與華北地區(qū)2008～2017年因旱受災(zāi)、成災(zāi)面積統(tǒng)計(jì)表結(jié)果一致，說明AWI較準(zhǔn)確的反映了干旱年際變化。

5 結(jié) 語(yǔ)

5.1 結(jié) 論

本文參考SPI監(jiān)測(cè)干旱的時(shí)間和空間特征，選取2009年作為干旱年、2016年作為正常年從空間分布方面對(duì)干旱的響應(yīng)角度比較AVI、AWI、VCI、TCI、VHI這5種干旱指數(shù)指示干旱的能力，主要結(jié)論如下：

(1)在變化向量分析法確定的干旱面積分布中，5個(gè)指數(shù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果存在差異，TCI的監(jiān)測(cè)結(jié)果和其他指數(shù)在時(shí)段和分布結(jié)果存在著較大的差異，TCI監(jiān)測(cè)的面積最大，VCI監(jiān)測(cè)的面積最小，AVI和AWI的監(jiān)測(cè)結(jié)果相似，監(jiān)測(cè)的干旱時(shí)段和空間分布更為接近，并且AWI監(jiān)測(cè)的干旱年相比正常年變化更為敏感。

(2)通過AVI和AWI在干旱年和濕潤(rùn)年的4～10月份曲線變化分析，發(fā)現(xiàn)AVI曲線正常年和濕潤(rùn)年曲線差異較小，而AWI干旱年與濕潤(rùn)年和正常年的差異較大，表現(xiàn)出AWI相比AVI干旱發(fā)生時(shí)段更為敏感。

(3)針對(duì)2008～2017華北地區(qū)的干旱情況，采用AWI指數(shù)從時(shí)間和空間上對(duì)華北地區(qū)干旱特征進(jìn)行分析，得出結(jié)論：2008～2017年華北地區(qū)的旱情變化情況在時(shí)間尺度上，2～5月份旱情較輕，6～8月份旱情加重，9～10月份旱情有所緩解；在空間尺度上，內(nèi)蒙古西部地區(qū)旱情較輕，內(nèi)蒙古中北部、河北北部地區(qū)在6～8兩個(gè)月份旱情較重，河南和山東地區(qū)在4～5月份及7～8月份旱情較重，與相關(guān)氣象統(tǒng)計(jì)結(jié)果相符合。

5.2 問題與展望

本文以華北地區(qū)為研究區(qū)，比較MODIS干旱指數(shù)對(duì)旱情監(jiān)測(cè)響應(yīng)的敏感性，并對(duì)華北地區(qū)近十年的干旱進(jìn)行了時(shí)空特征分析，但還有一些問題有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和深入研究：

(1)距平植被指數(shù)AVI和距平水分指數(shù)AWI的計(jì)算，往往需要更長(zhǎng)時(shí)間NDVI數(shù)據(jù)，才具有較好的敏感性，本文采用MODIS的數(shù)據(jù)時(shí)間為2008～2017年，共10年的數(shù)據(jù)，干旱監(jiān)測(cè)存在復(fù)雜性，需要更長(zhǎng)時(shí)間的存檔數(shù)據(jù)，所以應(yīng)考慮更長(zhǎng)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)。

(2)本文從氣象降水的角度對(duì)AVI和AWI指數(shù)與氣象因子SPI相關(guān)性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了AWI相比于AVI對(duì)水分的敏感性優(yōu)勢(shì)，而遙感干旱指數(shù)與水分的相關(guān)性研究可能還受其他因子(如溫度、空氣濕度、土壤特征等)的控制，其相關(guān)變化還有待于進(jìn)一步的研究。