基于不同TVDI指數(shù)的福建省2018年農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)差異分析

陳哲璐，黃萬里,2,3，葉士琳,2，祁新華,2

(1.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 福建 福州 350007; 2.福建師范大學(xué)地理研究所, 福建 福州 350007;3.福建省陸地災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估工程技術(shù)研究中心, 福建 福州 350007)

農(nóng)業(yè)干旱是以植物生長(zhǎng)狀況和土壤含水量為特征反映植物生長(zhǎng)過程中受水分脅迫的程度，反映的是一個(gè)時(shí)段內(nèi)土壤水分減少造成作物產(chǎn)量下降的情況[1]。農(nóng)業(yè)干旱會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失嚴(yán)重，威脅社會(huì)糧食安全[2]。福建省屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降水季節(jié)分配不均，年際變化明顯，季節(jié)性、區(qū)域性干旱頻繁發(fā)生，降水嚴(yán)重不足時(shí)還會(huì)出現(xiàn)更嚴(yán)重的季節(jié)連旱[3]，探討福建省旱情監(jiān)測(cè)方法對(duì)預(yù)防旱災(zāi)、保障生態(tài)安全等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

相對(duì)于傳統(tǒng)地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，遙感技術(shù)具有客觀、及時(shí)、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)連續(xù)等特點(diǎn)[4]，尤其在干旱隨時(shí)空的演化過程監(jiān)測(cè)方面具有更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。目前，常用的干旱遙感監(jiān)測(cè)方法有熱慣量法[5-7]、微波遙感法[5,7-8]、植被指數(shù)法[7,9-10]、地表溫度法[7]、植被指數(shù)與地表溫度結(jié)合的特征空間法[7,11-12]等。熱慣量法對(duì)數(shù)據(jù)資料的要求較為嚴(yán)格，植被指數(shù)法滯后性較為明顯[13]，地表溫度法則較難克服植被覆蓋度及土壤背景溫度的不良影響[7]，而將植被指數(shù)(Vegetation Index，VI) 和地表溫度(Surface Temperature，Ts)相結(jié)合的特征空間法得到了學(xué)者們的廣泛使用。Moran等[14]認(rèn)為較高土壤背景溫度會(huì)影響到干旱信息，因此將植被指數(shù)與地表溫度相結(jié)合更為合理。劉英等[15]建立雙拋物線型的Ts/NDVI特征空間，指出利用Ts/NDVI特征空間法監(jiān)測(cè)陜西省旱情可行，但容易受土地覆蓋、植被、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量等因素的不良影響。楊曦等[16]分別討論了由地表溫度與增強(qiáng)型植被指數(shù)(Enhanced Vegetation Index，EVI)、歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)構(gòu)建的Ts/EVI和Ts/NDVI特征空間，指出在華北平原TVDIE(Temperature Vegetation Dryness Index of EVI)比TVDIN(Temperature Vegetation Dryness Index of NDVI) 能更好地表征土壤濕度狀況。楊茹等[17]構(gòu)建了Ts/NDVI 和Ts/EVI特征空間，并分別對(duì)淮河上游地區(qū)進(jìn)行土壤含水量的反演，結(jié)果表明TVDIE精度低于TVDIN。孫振蓉等[18]分別分析了Ts/EVI和Ts/NDVI特征空間并基于兩者的TVDI干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與錫林郭勒盟實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)TVDIN能更好地反映研究區(qū)實(shí)際情況。王正東等[19]運(yùn)用TVDI原理，利用S-G(Savitzky-Golay)加權(quán)濾波對(duì)NDVI、EVI、Ts進(jìn)行數(shù)據(jù)重建，從特征空間的離散性可以看出，Ts/EVI特征空間范圍比Ts/NDVI更集中，相關(guān)性更高，而Ts/EVI在干濕邊擬合時(shí)趨勢(shì)更加穩(wěn)定。

綜上，學(xué)者對(duì)TVDI干旱監(jiān)測(cè)研究取得了豐碩成果，為政府及農(nóng)業(yè)部門防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。然而，迄今為止學(xué)術(shù)界較多利用TVDIN或TVDIE對(duì)研究區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)分析，較少對(duì)2個(gè)指數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析；現(xiàn)有成果多以典型干旱區(qū)作為研究對(duì)象，較少對(duì)東部沿海地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)。隨著全球氣候變化的加劇與城市化進(jìn)程的加快，東部地區(qū)干旱情況變得更為復(fù)雜，而福建省每年都受不同程度的洪澇、干旱和病蟲害等自然災(zāi)害影響，其中干旱是福建各種氣象災(zāi)害中受災(zāi)面積最大的災(zāi)種[20]，嚴(yán)重影響了福建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。鑒于此，本文以福建省為例，基于MODIS的MOD13A2植被指數(shù)(NDVI與EVI)和MOD11A2地表溫度產(chǎn)品，對(duì)比了2種植被指數(shù)(NDVI，EVI)與地表溫度(Ts)構(gòu)建的特征空間及兩種TVDI的差異，并運(yùn)用土壤濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)2種TVDI指數(shù)進(jìn)行干旱等級(jí)區(qū)間劃分及驗(yàn)證，彌補(bǔ)大多文獻(xiàn)等間距劃分干旱等級(jí)區(qū)間的缺陷，為福建省及相似地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)研究提供借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于中國(guó)東南沿海，地理范圍為23°33′～28°19′N，115°50′～120°43′E，陸域面積為12.4萬km2。境內(nèi)地少多山，地勢(shì)東南低、西北高。福建地處中、南亞熱帶，年均溫約17～21.3℃，年降雨量從東南向西北遞增，約為1 100-2 000 mm，氣候類型為海洋性季風(fēng)氣候，受季風(fēng)影響顯著，氣溫、降水量等均有較大波動(dòng)，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生[21]。張開榮[22]統(tǒng)計(jì)分析了1900—2007年間福建省發(fā)生旱災(zāi)次數(shù)及所占比例，發(fā)現(xiàn)全省平均1～2年發(fā)生一次輕度干旱，中度干旱發(fā)生頻率為20.4%，嚴(yán)重干旱平均每10年發(fā)生一次，特大干旱發(fā)生的頻率為5.6%。福建省干旱類型多為單季和多種季節(jié)復(fù)合型，夏季是干旱多發(fā)的季節(jié)。事實(shí)上，幾乎每年福建省都會(huì)發(fā)生輕度干旱，間歇性發(fā)生嚴(yán)重干旱，造成較大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。2018年福建發(fā)生春夏連旱，旱情導(dǎo)致水庫(kù)水位下降及農(nóng)田受旱，糧食作物受災(zāi)程度較為嚴(yán)重[23]。因此，對(duì)福建省進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及生態(tài)安全的認(rèn)識(shí)等都有重要的作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

本文所用MODIS 8天合成的地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)與16天合成的植被指數(shù)產(chǎn)品(MOD13A2)來源于美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA)數(shù)據(jù)中心，空間分辨率均為1km，時(shí)間范圍為2018年1月至12月。預(yù)處理的過程主要包括：利用ENVI、MRT(MODIS Reproject Tool)等軟件分別提取MOD11A2的地表溫度、質(zhì)量控制波段(QC)及MOD13A2的NDVI、EVI、質(zhì)量控制波段(QA)并對(duì)原始數(shù)據(jù)做格式轉(zhuǎn)換，設(shè)定投影坐標(biāo)系，裁剪等處理，依據(jù)MODIS產(chǎn)品質(zhì)量控制文件說明，用Python編程實(shí)現(xiàn)福建省Ts、NDVI、EVI的質(zhì)量信息提取及質(zhì)量控制工作，對(duì)處理后的地表溫度及植被指數(shù)影像進(jìn)行了掩模，提取質(zhì)量可信像元并排除無效值。由于地表溫度為8天合成數(shù)據(jù)，2個(gè)數(shù)據(jù)需統(tǒng)一至相同的時(shí)間尺度，所以將相鄰2個(gè)8天合成的MOD11A2數(shù)據(jù)依次平均合成為16天數(shù)據(jù)，并使用IDW插值對(duì)受云及陰影影響而造成的Ts缺失值進(jìn)行插補(bǔ)，最后設(shè)置其有效范圍。數(shù)據(jù)中DOY代表年積日及之后16天的時(shí)間段，如DOY001代表2018年1月1日-16日這一時(shí)段，每16天為一個(gè)時(shí)段，共得到全年23個(gè)時(shí)段相關(guān)數(shù)據(jù)。土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)。本文選用福建省32個(gè)土壤濕度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)0～10 cm土層的觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)，對(duì)每日的數(shù)據(jù)按平均值合成得到每16天的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，個(gè)別站點(diǎn)個(gè)別時(shí)段土壤濕度數(shù)值存在缺測(cè)情況，有效的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)共550條。起止時(shí)間為2018年1月上旬-12月下旬。

圖1 福建省土壤濕度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of soil moisture monitoring stations in Fujian Province

1.3 研究方法

1.3.1 溫度植被干旱指數(shù)

溫度植被干旱指數(shù)是通過植被指數(shù)和地表溫度數(shù)據(jù)構(gòu)成的特征空間反映土壤濕度的一種方法。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者[24-27]分析了多種時(shí)間分辨率與空間分辨率的植被指數(shù)與地表溫度間的聯(lián)系。如Sandholt等[27]明確提出了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)的基本概念，其提出時(shí)是以歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地表溫度(Ts)計(jì)算TVDI，其定義為：

(1)

式中：TS為地表溫度；依據(jù)干邊方程計(jì)算，TSmax為最高地表溫度，依據(jù)濕邊方程計(jì)算，TSmin為最低地表溫度。干濕邊方程可分別表示為式(2)和式(3)：

TSmax=a1+b1VI.

(2)

TSmin=a2+b2VI.

(3)

式中：a1，b1表示干邊任意給定的VI所對(duì)應(yīng)的地表溫度最大值的擬合方程系數(shù)，a2，b2表示濕邊任意給定VI所對(duì)應(yīng)的地表溫度最小值的擬合方程系數(shù)。其中，TVDI取值范圍為0～1，TVDI=1，表示受到完全水分脅迫影響；TVDI=0，表示水分充足。此后相關(guān)學(xué)者基于TVDI進(jìn)行了大量研究，如杜靈通等[28]利用MODIS 地表溫度和歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)建TVDI，定量研究寧夏3個(gè)不同生態(tài)功能區(qū)2000—2010年生態(tài)干旱特征及其驅(qū)動(dòng)因素；鄢雪英等[29]基于EVI、Ts、TVDI等6個(gè)指標(biāo)，通過精度評(píng)價(jià)分析構(gòu)建最佳指標(biāo)組合并劃分荒漠化等級(jí)，探討土庫(kù)曼斯坦2001—2012年荒漠化動(dòng)態(tài)變化狀況。本文基于不同植被指數(shù)NDVI和EVI，分別結(jié)合地表溫度計(jì)算2種TVDI，并將其用于干旱監(jiān)測(cè)與對(duì)比分析中。兩種TVDI分別稱為TVDIN與TVDIE。

1.3.2 TVDI干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)的分級(jí)方法

借助TVDI法的干旱監(jiān)測(cè)研究[19,30-31]大多直接把TVDI值[0,1]等間距劃分為5級(jí)，以此作為干旱等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，但各個(gè)地區(qū)的氣候、地表覆蓋狀況、干濕程度、海陸位置及其他因素不同，此種劃定等級(jí)與實(shí)際的干旱等級(jí)存在一定的偏差。因此，本文參照《農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)》(GB/T32136-2015)[32]中土壤相對(duì)濕度的農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量，提取土壤濕度站點(diǎn)所在像元的TVDI值，并將其一一對(duì)應(yīng)于相應(yīng)干旱等級(jí)中[33]，并利用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)等級(jí)的TVDI值；與此同時(shí)，采用單側(cè)置信區(qū)間法，選用置信度為0.95的置信區(qū)間確定TVDI干旱等級(jí)分級(jí)區(qū)間，彌補(bǔ)將TVDI值等間距劃分作為干旱等級(jí)區(qū)間的缺陷。

2 結(jié)果分析

2.1 NDVI與EVI的差異性

為對(duì)比福建省2018年各時(shí)段NDVI與EVI對(duì)地面植被的差異，利用預(yù)處理后的NDVI與EVI數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出研究區(qū)2018年23個(gè)時(shí)段的NDVI與EVI值，定量統(tǒng)計(jì)兩個(gè)植被指數(shù)下的遙感像元。根據(jù)2018年福建省農(nóng)業(yè)氣象旬報(bào)中每期的氣溫、降水及干旱的嚴(yán)重程度等信息，結(jié)合福建省植被生長(zhǎng)的季節(jié)特征，如冬季為植被非生長(zhǎng)季，植被指數(shù)呈下降趨勢(shì)，春夏季為植被的生長(zhǎng)季，植被指數(shù)應(yīng)為上升趨勢(shì)等，選擇4個(gè)時(shí)段加以闡述，圖2為NDVI與EVI多時(shí)段頻率分布圖。

圖2 多時(shí)段NDVI與EVI頻率分布情況Fig.2 Frequency distribution of NDVI and EVI in multi period

對(duì)比圖2中4條NDVI分布頻率曲線，4個(gè)時(shí)段的頻率分布曲線形狀大致相同，NDVI值的頻率達(dá)到最大值后下降速度較快，特別是6月下旬(DOY177)和11月下旬(DOY337)的曲線，說明大部分植被類型的NDVI達(dá)到一定數(shù)值后難以再提高，即趨向飽和；從1月上旬(DOY001)到11月下旬(DOY337)，研究區(qū)總體的NDVI呈現(xiàn)先減少再增加又減少的趨勢(shì)，與實(shí)際植被生長(zhǎng)過程先增后減的趨勢(shì)有所偏差。比較4條EVI分布頻率曲線，除了6月下旬(DOY177)這段時(shí)期，其他3個(gè)時(shí)期曲線形狀基本相似，在最大頻率處的EVI值兩側(cè)的形狀基本對(duì)稱，6月下旬(DOY177)大部分的植被分布在EVI峰值右側(cè)，這個(gè)時(shí)期是研究區(qū)整個(gè)年度大部分植被生長(zhǎng)最旺盛時(shí)期；從1月上旬(DOY001)到11月下旬(DOY337)，研究區(qū)總體的EVI呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，與研究區(qū)實(shí)際植被生長(zhǎng)過程先增后減的趨勢(shì)相一致。可見，隨著時(shí)間變化，植被生長(zhǎng)狀況在變化，EVI和NDVI在不同植被覆蓋區(qū)的分布頻率也有所不同，但EVI能更好地克服NDVI在高植被區(qū)易飽和的問題。

本次實(shí)驗(yàn)污水經(jīng)過提升計(jì)量后進(jìn)入到厭氧池，在厭氧池內(nèi)進(jìn)水與缺氧池回流的高濃度脫氮污泥進(jìn)行混合,進(jìn)水有機(jī)物很快消耗厭氧池內(nèi)的溶解氧，混合完全的混合液在無分子態(tài)氧和化合態(tài)氧的情況下進(jìn)入?yún)捬醭?，聚磷菌吸收利用原污水中的VFA及經(jīng)厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的VFA轉(zhuǎn)化為PHB貯存在體內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行磷的釋放，然后混合液進(jìn)入主曝氣池進(jìn)行磷的吸收和有機(jī)物的進(jìn)一步降解，曝氣池混合液進(jìn)入其中一個(gè)序批池中，進(jìn)行缺氧、好氧循環(huán)反應(yīng),另一序批池作為沉淀區(qū)出水排放。圖1為系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖。

2.2 Ts/NDVI與Ts/EVI特征空間參數(shù)

以全年23個(gè)時(shí)段中受干旱影響較重的春夏季6個(gè)典型時(shí)期為例(DOY097為2018年4月7日-22日；DOY129為5月9日-24日；DOY161為6月10日-25日；DOY177為6月26日-7月11日；DOY193為7月12日-27日；DOY209為7月28日-8月12日)，建立Ts/NDVI和Ts/EVI的特征空間散點(diǎn)圖與干濕邊方程，并計(jì)算基于EVI、NDVI的溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)。

二者擬合參數(shù)如圖3所示，a1、a2是地表溫度軸(Y軸)上干濕邊的截距。它的生態(tài)意義是在水分不足(a1)和充足時(shí)(a2)裸土像元的地表溫度值[34]。從圖3可以看到由于4～8月研究區(qū)溫度較高，Ts/NDVI和Ts/EVI特征空間的干濕邊截距較大，干邊截距>310 K，濕邊截距>290 K。干濕邊擬合方程的斜率為b1、b2，蒸散[35]，冠層傳導(dǎo)度[36]以及土壤濕度[37]等因素會(huì)導(dǎo)致干濕邊斜率發(fā)生變化。受上述因素影響，干濕邊斜率變化無明顯規(guī)律，基本符合前人的研究結(jié)果[38]。從時(shí)相的特征空間來看，研究結(jié)果與理論模型存在一定差異，但Ts /EVI特征空間與Ts/NDVI相比更符合標(biāo)準(zhǔn)特征空間的三角形形狀。此外，Ts/EVI特征空間散點(diǎn)圖更集中，Ts/NDVI散點(diǎn)圖較分散，主要表現(xiàn)在：植被覆蓋度較高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的NDVI值較大(0.8～0.9)，EVI值較小(0.6～0.7)，NDVI較EVI更易飽和。從擬合效果看，2個(gè)特征空間的干邊擬合效果較好，濕邊擬合效果稍差，但Ts/EVI 特征空間干濕邊擬合的決定系數(shù)多數(shù)時(shí)期高于Ts/NDVI，即Ts/EVI干濕邊擬合效果更好。

圖3 Ts/NDVI和Ts/EVI的特征空間與干濕邊方程Fig.3 Characteristic space and dry wet boundary equation of multi temporal Ts/NDVI and Ts/EVI

2.3 TVDIN、TVDIE與土壤濕度的相關(guān)性

提取單站點(diǎn)2018年有效的18個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的2種TVDI值并與0～10 cm深度土層的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析。例如邵武站點(diǎn)(圖4)，TVDIN與0～10 cm土壤濕度數(shù)據(jù)線性擬合的決定系數(shù)(R2)為0.272 4，而TVDIE為0.286 6 。根據(jù)2018年福建省氣候公報(bào)，將6個(gè)典型時(shí)段(DOY DOY097；DOY129；DOY161；DOY177；DOY193；DOY209)所有站點(diǎn)的兩種TVDI值分別與0～10 cm深度土層的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析(圖5)，TVDIN線性擬合的決定系數(shù)(R2)為0.372 7，而TVDIE為0.439 8。表明福建省TVDIE的干旱監(jiān)測(cè)精度總體上高于TVDIN，但圖4，圖5中均存在個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)較離散，二者決定系數(shù)(R2)較低的情況，其原因可能是TVDI和土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)在時(shí)空尺度上沒有完全匹配。

圖4 單站點(diǎn)TVDIN與TVDIE土壤濕度擬和結(jié)果Fig.4 Fitting results of soil moisture between TVDINand TVDIEat a single site

圖5 全部站點(diǎn)典型時(shí)段TVDIN與TVDIE土壤濕度擬和結(jié)果Fig.5 The results of TVDINand TVDIEsoil moisture simulation for typical periods at all sites

2.4 干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4.1 TVDI干旱等級(jí)

基于前述TVDI干旱等級(jí)區(qū)間劃分方法，界定出TVDI無旱、輕旱、中旱與重旱4個(gè)等級(jí)的閾值區(qū)間。由于研究區(qū)時(shí)空范圍內(nèi)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)極少滿足重旱和特旱等級(jí)條件，因此將中旱上限值作為重旱下限值，取重旱上限值為1，不再劃分這兩個(gè)級(jí)別的干旱等級(jí)區(qū)間。TVDIE與TVDIN量化指標(biāo)綜合分析結(jié)果及干旱等級(jí)區(qū)間見表1、表2?？梢钥吹?，TVDIE與TVDIN的干旱等級(jí)區(qū)間相差不大；TVDIE無旱等級(jí)劃分結(jié)果與TVDIN基本一致，但TVDIE的樣本均值更接近置信度上限值且各干旱等級(jí)區(qū)間的樣本標(biāo)準(zhǔn)差及允許誤差均小于TVDIN。即TVDIE干旱等級(jí)區(qū)間劃分效果優(yōu)于TVDIN。

表1 TVDIN量化指標(biāo)的綜合分析及干旱劃分區(qū)間Table1 Comprehensive analysis of TVDINquantitative indexes and drought division section

表2 TVDIE量化指標(biāo)的綜合分析及干旱劃分區(qū)間Table2 Comprehensive analysis of TVDIEquantitative indexes and drought division section

為驗(yàn)證TVDIN與TVDIE干旱等級(jí)劃分區(qū)間的精度，各隨機(jī)抽取30個(gè)0～10 cm土層的土壤相對(duì)濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，經(jīng)計(jì)算，TVDIE干旱等級(jí)劃分區(qū)間的準(zhǔn)確率達(dá)72%，TVDIN的準(zhǔn)確率68%，TVDIE等級(jí)劃分區(qū)間的精度略高于TVDIN。但在輕旱、中旱及重旱3個(gè)干旱等級(jí)區(qū)間內(nèi)，二者與土壤相對(duì)濕度劃分的干旱區(qū)間均存在不一致的情況，尤其是重旱，所劃分的區(qū)間存在一定誤差，計(jì)算出的TVDI值與土壤濕度站點(diǎn)數(shù)據(jù)在空間尺度上不一致是導(dǎo)致誤差發(fā)生的主要原因。此外，一些站點(diǎn)土壤相對(duì)濕度值偏高，所對(duì)應(yīng)的TVDI值也較高，出現(xiàn)了相反的干旱情況，這可能是由于MODIS數(shù)據(jù)受云層影響，例如當(dāng)云層厚重時(shí)，計(jì)算得到的植被指數(shù)較低，導(dǎo)致TVDI值偏高，通過遙感數(shù)據(jù)反演的旱情與實(shí)際情況存在一些偏差。

2.4.2 TVDIN、TVDIE干旱監(jiān)測(cè)差異性分析

據(jù)2018年福建省氣候公報(bào)[23]，當(dāng)年福建省發(fā)生春夏連旱(3月下旬～8月下旬)。因此本文選取該段時(shí)期反演研究區(qū)DOY097至DOY209中6個(gè)時(shí)段的TVDIE、TVDIN，分析福建省干旱空間分布規(guī)律。如圖6，7所示，可以看到TVDIE、TVDIN的干旱趨勢(shì)基本一致，福建省旱區(qū)總體集中在東南部、西北部及局部?jī)?nèi)陸地區(qū)。由于福建北部及西北部多雨，植被條件良好，森林茂密，流域自然動(dòng)態(tài)蓄水調(diào)控能力強(qiáng)，水量蒸發(fā)少，即便該地區(qū)一段時(shí)間無降水，旱情也普遍較輕。反之，福建南部、東南部植被條件較差，沙質(zhì)土壤豐富，自然動(dòng)態(tài)蓄水調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)。一旦沒有降水，極易發(fā)生干旱。對(duì)照福建省氣象局發(fā)布的農(nóng)業(yè)氣象旬報(bào)等資料，證明反演結(jié)果基本符合實(shí)際情況。以4月上旬(DOY097)為例，對(duì)兩個(gè)指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)該時(shí)段氣象資料顯示福建氣溫大部偏高，除福鼎部分區(qū)域外其余地區(qū)降水較少，在干旱監(jiān)測(cè)圖中如上所提及的地區(qū)TVDIN存在些許圖斑為輕旱、中旱及重旱，而在TVDIE中則為無旱及少部中旱，更符合實(shí)際情況。

圖6 2018年福建省春夏季多時(shí)段TVDIN干旱監(jiān)測(cè)圖Fig.6 Multi period TVDINdrought monitoring map in spring and summer in Fujian Province in 2018

圖7 2018年福建省春夏季多時(shí)段TVDIE干旱監(jiān)測(cè)圖Fig.7 Multi period TVDIEdrought monitoring map in spring and summer in Fujian Province in 2018

綜上所述，TVDI干旱指數(shù)能較好反映福建旱情發(fā)展與分布的過程，TVDIE的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況更為吻合?？傮w而言，福建省2018年旱情大致從南部沿海地帶逐步蔓延到中北部，由東南向西北漸漸延展，但由于植被覆蓋程度不同，干旱的緩解至解除呈相反的過程。此外，福建南部地區(qū)干旱狀況比中北部嚴(yán)重得多，比如永定、南靖、長(zhǎng)泰、詔安等地。尤其在福建東南沿海地帶，如廈門、晉江、東山、平潭島、石獅、惠安和漳浦等地發(fā)生旱情的機(jī)率較高。本文結(jié)論也與使用歷史連續(xù)數(shù)據(jù)的學(xué)者們?cè)诟＝ㄊ∵M(jìn)行干旱研究[3,39-41]的結(jié)論基本一致，即總體上福建旱情以春夏旱為主，各類干旱以小旱為主, 中旱次之；春旱在中南部沿海地區(qū)高發(fā); 夏季小、中旱以中南部沿海地區(qū)多發(fā)，基本符合本文的研究結(jié)論。

3 結(jié)論與展望

本文對(duì)比分析了2種植被指數(shù)(NDVI，EVI)與地表溫度(Ts)構(gòu)建的特征空間參數(shù)及兩種TVDI。在站點(diǎn)尺度上，依據(jù)站點(diǎn)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)分別對(duì)TVDIE、TVDIN進(jìn)行相關(guān)性分析、TVDI干旱等級(jí)區(qū)間的劃分及驗(yàn)證；在研究區(qū)尺度上，分析對(duì)比了2018年研究區(qū)典型干旱時(shí)期TVDIE和TVDIN的空間分布特征并結(jié)合實(shí)際情況展開驗(yàn)證。盡管本文的分析對(duì)比只用2018年的資料，但得出的結(jié)論與使用多年連續(xù)歷史數(shù)據(jù)的學(xué)者們?cè)诒緟^(qū)域進(jìn)行干旱研究結(jié)論基本一致，可以一定程度上說明2種指數(shù)的有效性。事實(shí)上，相當(dāng)多的學(xué)者們也僅用一年甚至某個(gè)單一時(shí)段的數(shù)據(jù)構(gòu)建TVDI，并將其應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)研究，得到的結(jié)論也基本符合研究區(qū)的實(shí)際旱情[42-43]。當(dāng)然，我們將在后續(xù)的相關(guān)研究中增加時(shí)間長(zhǎng)度并擴(kuò)展研究區(qū)域，進(jìn)一步論證結(jié)果的可靠性。

總體而言，本文研究結(jié)果表明：

(1)Ts/EVI和Ts/NDVI特征空間散點(diǎn)圖與理論模型存在一定差異，但Ts/EVI散點(diǎn)圖更集中且能更好呈現(xiàn)出三角形(梯形)形狀。

(2)Ts/EVI干濕邊擬合效果優(yōu)于Ts/NDVI，由Ts /EVI特征空間擬合的干濕邊更易相交，結(jié)合地表溫度，更能反映研究區(qū)的旱情變化。

(3)TVDIE、TVDIN與土壤相對(duì)濕度均為負(fù)相關(guān)關(guān)系；TVDIE與土壤濕度的相關(guān)性優(yōu)于TVDIN。

(4)由Ts /NDVI和Ts /EVI特征空間反演的TVDIE及TVDIN，其趨勢(shì)是相似的，但TVDIE干旱等級(jí)劃分效果優(yōu)于TVDIN。

綜上分析，TVDIE指數(shù)與干旱發(fā)生的實(shí)際情況較為一致，更適用于監(jiān)測(cè)福建省旱情，該監(jiān)測(cè)方法對(duì)與福建省相似自然地理?xiàng)l件的地區(qū)也具有一定的適用性，但本文仍存在不足之處：

(1)土壤濕度是反映干旱情況最直接的觀測(cè)，但相對(duì)別的要素，其資料質(zhì)量不高，特別是深層的土壤濕度經(jīng)常存在缺測(cè)情況，未來可以采用其他數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

(2)MODIS影像中存在的一些噪聲會(huì)影響植被指數(shù)-地表溫度特征空間中干濕邊的擬合精度。

(3)計(jì)算TVDI指數(shù)時(shí)未能夠綜合考慮福建省的復(fù)雜地形，地表覆蓋情況，土壤類型等因素，而這些因子都會(huì)影響TVDI的結(jié)果。

(4)雖然以氣象站點(diǎn)采集到的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的，但參與TVDI建模計(jì)算的地表溫度和植被指數(shù)是按固定天數(shù)(16天)合成的數(shù)據(jù)，本文假設(shè)兩者時(shí)間尺度一致，但實(shí)際可能會(huì)存在些許誤差；計(jì)算得到的TVDI空間分辨率為1km，而土壤相對(duì)濕度為點(diǎn)數(shù)據(jù)，兩者在空間尺度上并不完全匹配，這些可能都是導(dǎo)致TVDI與土壤相對(duì)濕度相關(guān)性較低、干旱等級(jí)劃分區(qū)間存在一定誤差的原因。