基于植被供水指數(shù)的錫林浩特市干旱監(jiān)測分析*

楊 莎

(內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，呼和浩特010022)

通常來說，干旱就是該地區(qū)土壤含水量少，滿足不了人的正常生存和社會經(jīng)濟發(fā)展的氣候現(xiàn)象。這種長期異常干燥的氣候現(xiàn)象，涉及范圍廣，持續(xù)時間長，會造成農(nóng)業(yè)、生態(tài)和水文的嚴重失衡，并對環(huán)境、社會和經(jīng)濟造成不良影響[1]。據(jù)計算，每年因干旱造成的全球經(jīng)濟損失高達80億美元，它嚴重影響了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，并且威脅著人類賴以生活的自然環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，自1949年后我國每年平均旱情受災面積約2022萬hm2，占全國各種氣候災害總面積的59.3%[2]。為了促使農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,保證國民糧食安全和減少經(jīng)濟損失，我們應及時制定防災措施，盡快提出減災對策。通過對之前發(fā)生的旱災產(chǎn)生的原因和導致的結(jié)果以及自身特點的分析，制定相應的對策來預防干旱，以減少干旱產(chǎn)生的負面影響。傳統(tǒng)的方法是利用氣象站的點數(shù)據(jù)來監(jiān)測干旱，數(shù)據(jù)比較準確，但也存在氣象站點設置數(shù)量不足、站點空間分布不均和數(shù)據(jù)采集周期長等問題。而遙感干旱監(jiān)測，通過其具有多波段且可以真實準確反應目標地物的特征，對旱情變化監(jiān)測和評估具有快速、宏觀的優(yōu)勢。干旱監(jiān)測的方法大致可分為基于植被供水指數(shù)、基于地表溫度以及融合兩種方法的干旱指數(shù)[3]，其中植被供水指數(shù)法適用于高植被覆蓋情況下的土壤水分監(jiān)測，該方法資料獲取容易，對植被覆蓋度和土壤水分條件變化大的情況監(jiān)測效果明顯，能夠迅速地為決策者提供科學依據(jù)并有效指導抗旱救災工作。MODIS傳感器有著高時相性和高靈敏度的特點，使其對溫度的靈敏度達到0.01，因此在生產(chǎn)實踐中監(jiān)測效果較好[4]。為此，基于植被供水指數(shù)，利用遙感技術(shù)對呼和浩特市2009～2017年的干旱情況進行了監(jiān)測分析。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟錫林浩特市，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部地區(qū)，地理位置為43°02′～ 44°52′N、115°13′～ 117°06′E，東鄰西烏珠穆沁旗，西靠阿巴嘎旗，北部同東烏珠穆沁旗為鄰，南部與正藍旗和克什克騰旗相接。該市南北長208km，東西長143km，總面積15758km2。大陸性半干旱氣候，夏季高溫、多雨且集中，冬季低溫、干燥，降水分布不均勻，1月平均氣溫-18.8℃，7月平均氣溫21.2℃，年平均氣溫2.6℃。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

MODIS衛(wèi)星是一種傳感器，其位于Terra和Aqua衛(wèi)星上最終以圖像的形式反映全球信息。其地面分辨率分別為250m、500m和1000m，最高空間分辨率為250m。MODIS具有36個波段，由于其數(shù)據(jù)的多樣性，可以全面、準確地反映出不同地物的特征。本研究的數(shù)據(jù)來源于NASA官網(wǎng)，根據(jù)所需研究區(qū)的位置和時間等要素下載。下載完成后在ARCGIS中進行投影轉(zhuǎn)換和圖像裁剪。NASA官網(wǎng)(https://www.nasa.gov)提供了Terra衛(wèi)星平臺的NDVI產(chǎn)品(MODIS13Q1)和陸地地表溫度產(chǎn)品(MOD11A2)，本研究選用了2009～2017年7～9月的MODIS三期遙感影像數(shù)據(jù)，該NDVI產(chǎn)品是16d合成的、空間分辨率為1000m、時間分辨率為24h、大小為1200行×1200列、投影方式為Sinusoidal投影的歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品，MOD11A2是由8d合成的、空間分辨率為1000m、時間分辨率為24h、大小為1200行×1200列、投影方式為Sinusoidal投影的地表溫度產(chǎn)品。從NASA官網(wǎng)(https://www.nasa.gov)上下載MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)，根據(jù)所研究區(qū)特點進行鑲嵌和裁剪，得到歸一化植被指數(shù)和陸地的地表溫度，運用植被供水指數(shù)獲得旱情分布情況，最后總結(jié)三期對該研究區(qū)域的研究，依次進行對比和干旱分析。

2.2 植被供水指數(shù)

2.2.1歸一化植被指數(shù)

運用歸一化植被指數(shù)進行干旱監(jiān)測是目前所使用的最普遍的辦法。據(jù)研究表明，歸一化植被指數(shù)可以比較準確的反映出土壤中水分的狀況。而土壤中水分因子又與植物的生長狀態(tài)有密切的關(guān)系，植被的生長狀態(tài)可以間接的反映出該土壤所生長的作物的干旱情況。植被的光譜曲線的不同是由其體內(nèi)葉綠素的含量所決定的。NDVI就是根據(jù)其反應出的光譜曲線來反映植被生長和發(fā)育情況的指數(shù)。因此歸一化指數(shù)與植被覆蓋度存在密切的關(guān)系，根據(jù)NDVI值可以清晰的反映出植被的生長情況。鑒于植被依次在近紅外波段和紅外波段具有的高反射率和低反射率的光譜特征，因此植被指數(shù)值可以較明顯地反映地物特征。NDVI值越高，表示該地區(qū)植被的覆蓋度越高，植被生長狀況越好[5]。

2.2.2陸地表面溫度

地表溫度主要包括兩種類型：裸地區(qū)域下的裸地溫度和有植被覆蓋度的植被冠層溫度。陸地的表面溫度是衡量干旱的一個十分重要的因素。當某地遭遇干旱時，對于裸地來說土壤的含水量減小，土壤的溫度會迅速增加，因此陸地的地表溫度也會增加；對于有植物覆蓋的區(qū)域來說，當遭遇土壤中的水分流失或干旱時，植被生長所需的水分供給遠遠不足，植被的葉子會關(guān)閉氣孔，以此來減少植被生長時體內(nèi)的熱量散失，導致植被冠面的溫度升高，由此地表溫度也隨之升高；相反，當該地區(qū)土壤中的水分充足，足夠滿足植被生長所需要的水分時，植被的葉片會正常的打開氣孔進行蒸騰作用，植被可以正常進行熱量的散失，所以植被冠面溫度將有所降低，因此所反映的地表溫度也會降低。對于裸地溫度，它是地表無植被直接測得的溫度。對于有植被覆蓋的地區(qū)來說，它所測得溫度就是植被的冠面溫度，當土壤出現(xiàn)干旱的情況則表現(xiàn)為植被的冠面溫度的提高[6]。

2.2.3植被供水指數(shù)

植被供水指數(shù)法表達了當植被生長時所需水分供給正常時，植被指數(shù)與植被冠層溫度存在一定的聯(lián)系。當作物受旱或者供水不足時，冠層通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰量，植被指數(shù)數(shù)據(jù)就會降低，而作物冠層溫度由于氣孔的關(guān)閉而升高[7]。此方法一般適合于植被生長狀態(tài)較好的區(qū)域。

植被供水指數(shù)定義為：VSWI=NDVI/ LST

式中：NDVI表示歸一化植被指數(shù)；LST表示陸地地表面溫度；VSWI的數(shù)值表示植被受旱程度的大小。

一般地，當植被生長缺少水分時，冠層的溫度就會升高，即LST值高，植被的生長受到影響，反映植被生長的植被指數(shù)就會降低，即NDVI值低，所以VSWI值小。當下墊面是濕潤土壤時，植被指數(shù)較高，即NDVI升高，溫度相對較低，即LST降低，所以VSWI值越大。VSWI受NDVI的影響大，通過NDVI、LST兩者相互運算得到的VSWI值越小，表示土壤含水量越低，即該區(qū)域干旱程度嚴重；相反，運算得到的VSWI值越大，表示土壤含水量越高，干旱程度不明顯[8～10]。

3 基于GIS的動態(tài)分析結(jié)果

3.1 旱情等級反演與空間分析

根據(jù)前人研究結(jié)果[10]，以內(nèi)蒙古旱情統(tǒng)計數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合錫林浩特市當?shù)氐臍夂蚯闆r，大致將干旱分為3個等級(表1)，分別為基本不旱、中旱和重旱，即植被供水指數(shù)0.02～0.03為基本不旱，0.01～0.02為中旱，0～0.01為重旱，VSWI的數(shù)值越小，氣候的干旱程度就越重；VSWI的數(shù)值越大，氣候的干旱程度就越輕，濕潤程度就越明顯。

根據(jù)干旱等級，得到錫林浩特市2009年、2013年和2017年的干旱分布情況，具體詳見圖2、圖3和圖4。

表1 植被供水指數(shù)(VSWI)干旱等級標準

圖2 2009 年干旱分布圖

圖3 2013年干旱分布圖

圖4 2017年干旱分布圖

3.2 旱情動態(tài)分析

2009年錫林浩特市的西部和中部處于重旱。位于錫林浩特市西部的阿爾善寶拉格鎮(zhèn)、伊利勒特蘇木和達布希勒圖蘇木，位于中部的錫林浩特市以及巴音錫勒鎮(zhèn)的中南部，位于北部的朝克烏拉蘇木和毛敦牧場的部分地區(qū)干旱程度最嚴重；位于錫林浩特市東部的巴音錫勒鎮(zhèn)東部部分地區(qū)和南部的貝里克牧場部分北部地區(qū)基本不旱；其余地區(qū)為中旱。整體來說，錫林浩特市地區(qū)重旱分布較多，基本不旱分布較少，全區(qū)較干旱。

2013年錫林浩特市的西部和中部依舊處于重旱。相比2009年的干旱情況，重旱分布集中在中西部和北部，如地處錫林浩特市西部的阿爾善寶拉格鎮(zhèn)、伊利勒特蘇木以及達布希勒圖蘇木，地處中部的錫林浩特和巴彥寶拉格蘇木，位于北部的朝克烏拉蘇木和毛敦牧場等地區(qū)干旱程度最嚴重；東部部分地區(qū)基本不旱；其余為中旱。整體來說，干旱區(qū)域分布較多且集中，基本不旱分布較少。與2009年相比，重旱區(qū)域有所增加，中旱區(qū)域有所減少，基本不旱區(qū)域沒有明顯變化。

2017年重旱區(qū)域主要分布于錫林浩特市北部的阿爾善寶拉格鎮(zhèn)、朝克烏拉蘇木的北部、巴彥寶拉格蘇木的部分地區(qū)和中西部的伊利勒特蘇木、達布希勒圖蘇木、貝力克牧場的北部、錫林浩特的大部分地區(qū)和巴音錫勒鎮(zhèn)的西部。與2009年和2013年相比，重旱區(qū)域有所減少，中旱區(qū)域有所增加，基本不旱區(qū)域有明顯增加?？傮w來看，干旱情況仍然嚴重，但整體有所好轉(zhuǎn)。

4 討論

以錫林浩特市2009年、2013年和2017年的MODIS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)為基礎，使用植被供水法，通過計算獲得了植被指數(shù)和地表溫度，得到2009年、2013年和2017年的干旱情況，并且對干旱情況進行了等級劃分與分析。由于干旱是一種由多種因素引起的非常復雜的自然現(xiàn)象，它不僅與植被和地表溫度有關(guān)，也與下墊面差異有關(guān)，而下墊面的差異不僅會造成地表溫度的不同，也會造成植被指數(shù)的不同，所以本研究所得出的數(shù)據(jù)精度還有待提高。其原因是(1)植被指數(shù)在干旱初期很難被監(jiān)測出來，因此植被指數(shù)的滯后性也會影響最終結(jié)果的準確性；(2)所選用的兩個產(chǎn)品數(shù)據(jù)的空間分辨率不同，修改空間分辨率會導致數(shù)據(jù)具有一定的誤差性；(3)植被供水指數(shù)法適用于植被覆蓋度較高的地區(qū)，但研究區(qū)部分植被覆蓋度較低，因此運用此算法得出的部分地區(qū)的結(jié)果可能無法完全反映研究區(qū)的真實情況。

5 結(jié)論

5.1在空間上研究區(qū)2009年干旱主要分布在錫林浩特市的西北部，東南部干旱程度較輕；2013年干旱主要集中分布在錫林浩特市的中西部和北部，東部干旱程度較輕；2017年干旱主要分布在錫林浩特市的北部和中西部地區(qū)，東部干旱程度較輕且零星分布在各個旗縣。

5.2在時間上研究區(qū)2013年干旱分布區(qū)域比2009年有所增加，顯示出干旱程度加重；2017年干旱情況比前兩年有明顯好轉(zhuǎn)，重旱區(qū)域明顯減少，基本不旱區(qū)域有所增加。

5.3錫林浩特市2009年、2013年和2017年的植被指數(shù)呈逐年增加的趨勢，地表溫度呈逐年降低的趨勢；研究區(qū)大部分為干旱程度嚴重，但隨著時間推移重旱明顯減少且干旱程度有所好轉(zhuǎn)。