荒漠綠洲區(qū)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)的對(duì)比分析

岳勝如，徐振鑫，楊明豪，彭海峰，孟福軍

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

南疆深入亞歐大陸腹地，該區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)非常敏感［1，2］。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，南疆三地州現(xiàn)有耕地已無法滿足人口快速增長(zhǎng)的需要，綠洲周邊荒漠被大量墾荒，而耕地面積的增加使得水資源緊張，綠洲生態(tài)環(huán)境顯著惡化，主要表現(xiàn)為沙漠化、土壤貧瘠化、草地退化、水土流失、荒漠綠洲區(qū)交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)功能退化［3-5］，水資源短缺已成為制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。土壤相對(duì)濕度是評(píng)價(jià)荒漠綠洲區(qū)干旱狀況的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確、快速獲取土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域水資源調(diào)配、灌溉定額的確定、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)具有重要意義［6］。

遙感技術(shù)具有客觀、快速、動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)的主要手段，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展了大量的研究［7-12］。近年來，各國學(xué)者在植被指數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一些簡(jiǎn)單可行的干旱指數(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用性評(píng)價(jià)。Shahabfar 等［13，14］基于 MODIS 數(shù)據(jù)，對(duì)伊朗和亞洲中部及西南部旱情狀況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，對(duì)亞洲中部及西南部水文進(jìn)行重新劃分，分析了PDI在旱情監(jiān)測(cè)中的可行性。Zormand 等［15］分析比較了PDI、MPDI 的優(yōu)劣勢(shì)，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。程宇等［16］以懷來試驗(yàn)場(chǎng)玉米為研究對(duì)象，熱慣量模型為基礎(chǔ)，引入歸一化植被指數(shù)（NDVI），探討了不同植被覆蓋下土壤含水量反演模型的可行性。刁萬英等［17］采用光譜儀法、積分球法和圖像法，在實(shí)測(cè)表層含水量的基礎(chǔ)上，分析比較了3 種方法在不同土質(zhì)下的適用性，結(jié)果表明，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以提高土壤相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)精度。王鶯等［18］利用甘肅省河?xùn)|地區(qū)氣象站觀測(cè)的不同土壤深度相對(duì)濕度資料，對(duì)比分析了7 種典型干旱指數(shù)對(duì)研究區(qū)的適用性，結(jié)果表明不同的干旱指數(shù)在不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的適用性。劉英等［19］基于MODIS 數(shù)據(jù)集，構(gòu)建 NIR-Red 特征空間 ，對(duì)比 PDI、MPDI、SMMI、MSMMI 在關(guān)中平原的適用性，結(jié)果表明4 種干旱指數(shù)均與0～10 cm 土壤相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，干旱指數(shù)SMMI 略優(yōu)于其他 3 種指數(shù)。李海霞等［20］以新疆為研究區(qū)，分析比較了NDVI-Ts 和EVI-Ts 在新疆不同地區(qū)的適用性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EVI-Ts 更適合于監(jiān)測(cè)5月、6 月農(nóng)業(yè)旱情情況，陸地地表溫度較植被指數(shù)更能反映旱情狀況。

新疆人工綠洲面積只占全疆面積的3.8%，但全疆大部分人口聚集于此［21］，快速準(zhǔn)確地獲取綠洲及周邊區(qū)域的干旱現(xiàn)狀，對(duì)有限水資源的合理分配，促進(jìn)綠洲農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的健康持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。針對(duì)荒漠綠洲區(qū)土地利用特點(diǎn)，在開展干旱遙感監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)該充分考慮大氣-植被-土壤的相互作用，多種指數(shù)配合使用，確定適合荒漠綠洲區(qū)的干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)是十分必要的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木盆地北部，塔克拉瑪干沙漠邊緣（阿拉爾市十四團(tuán)），屬于塔里木河谷平原，是古絲綢之路的重要通道。整體地勢(shì)平坦，平均海拔1 000 m 左右，常年日照充足，年均降雨量47 mm，氣候干燥，晝夜溫差大。主要土地利用類型為耕地（主要種植棉花、棗樹）、荒漠等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

Landsat 8 OLI/TIRS 影像數(shù)據(jù)取自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS），過境日期為 2019 年 7 月 21 日，利用遙感數(shù)據(jù)處理軟件ENVI 對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正、輻射定標(biāo)、裁剪等預(yù)處理。同步采集野外土壤0～10、0～20、0～30 cm 相對(duì)濕度數(shù)據(jù)（每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，取平均值作為該點(diǎn)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)），使用手持GPS 記錄采樣點(diǎn)坐標(biāo)信息。

1.3 植被指數(shù)

1.3.1 歸一化水分指數(shù) 歸一化水分指數(shù)（NDWI）是 1996 年 Gao［22］提出的，該指數(shù)利用近紅外和短波紅外波段來反演植被水分含量，而植被水分含量與土壤濕度有密切的關(guān)系，在干旱監(jiān)測(cè)中該方法已得到了應(yīng)用［23］。

式中，Rnir為近紅外波段反射率；Rswir為短波紅外波段反射率。

1.3.2 植被供水指數(shù) 土壤濕度低植被生長(zhǎng)將受到水分脅迫，NDVI值會(huì)降低，另外由于水分不足，葉片氣孔關(guān)閉，植被蒸騰作用降低，冠層溫度升高。利用NDVI 和 下 墊 面 溫 度（Ts）［24］建 立 植 被 供 水 指 數(shù)（VSWI）可以反映植被生長(zhǎng)季干旱狀況［8］。

式中，VSWI大，則植被蒸騰作用強(qiáng)，土壤濕度大；反之，土壤濕度低。

1.3.3 溫度植被干旱指數(shù) 溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）是由Ts和NDVI計(jì)算得到。

式中，Tsmin=c+d×NDVI，Tsmin為某一 NDVI 相對(duì)應(yīng)的下墊面溫度最小值，對(duì)應(yīng)為濕邊，c、d是濕邊方程的系數(shù)；Tsmax=a+b×NDVI，Tsmax為某一 NDVI 相對(duì)應(yīng)的下墊面溫度最大值，對(duì)應(yīng)為干邊，a、b是干邊方程的系數(shù)。

1.3.4 改進(jìn)型能量指數(shù) 土壤濕度越低，其釋放的長(zhǎng)波輻射越強(qiáng)，則下墊面溫度越高；反之，則下墊面溫度越低。這個(gè)過程可以用能量指數(shù)來表達(dá)［25］。

式中，ρ2為 EOS 衛(wèi)星的第 2 通道反射率；T31為 31通道亮溫?？梢杂肨s代替T31，進(jìn)而獲得改進(jìn)型能量指數(shù)MEI［26］。

1.4 相關(guān)性分析

采用相關(guān)性分析方法，分析各干旱指數(shù)在研究區(qū)的適用性。

式中，n為樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，xi為采樣點(diǎn)各土層相對(duì)濕度，yi為某像元干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)為采樣點(diǎn)各土層相對(duì)濕度平均值為各像元干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)平均值。相關(guān)性分析借助Origin 和SPSS 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用現(xiàn)狀

利用 Landsat 8 NDVI 數(shù)據(jù)，結(jié)合 NDVI 取值、圖像紋理信息，對(duì)研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行分類，NDVI 取值-1.0～0 為水域，0～0.2 為荒地，0.2～1.0 為耕地，分類結(jié)果如圖1 所示。研究區(qū)耕地沿塔里木河兩岸線狀分布，為典型的干旱區(qū)線狀綠洲。研究區(qū)不同土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

圖1 研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀

表1 研究區(qū)土地利用面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖1和表1可知，研究區(qū)水域面積為2.009 km2，占總面積的1.4%，主要為塔里木河干流以及零星分布的池塘。耕地面積61.477 km2，平均NDVI 值為0.60，占總面積的44.2%，沿塔里木河兩岸分布，主要種植棉花和棗樹（包含一部分林帶等）。荒漠分布在研究區(qū)邊緣，平均NDVI 值為0.13，占總面積的54.4%?？芍芯繀^(qū)不同土地利用類型，其NDVI 值差異明顯。

2.2 土壤相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)特征

研究區(qū)設(shè)置采樣點(diǎn)共計(jì)67 個(gè)（每個(gè)采樣點(diǎn)含3個(gè)重復(fù)），其中棉田10 個(gè)，棗地 18 個(gè)，荒漠 39 個(gè)，不同土層相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)特征如表2 所示。土壤濕度極小值棗地＞棉田＞荒漠，極大值棗地＞棉田和荒漠，均值棗地＞棉田和荒漠。棗地土壤相對(duì)濕度最高，棉田和荒漠平均相對(duì)濕度沒有顯著差異，但荒漠土壤相對(duì)濕度的極大值與極小值差異顯著。

表2 土壤相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)特征

變異系數(shù)是衡量觀測(cè)值變異程度的統(tǒng)計(jì)量。通?？梢哉J(rèn)為＞100%為強(qiáng)變異，10%～100%為中等變異，≤10%為弱變異［27］。不同土地利用類型下土壤相對(duì)濕度變異系數(shù)棉田＞荒漠＞棗地；不同土層變異系數(shù) 0～10 cm＞0～20 cm＞0～30 cm，且均呈中等變異性。

2.3 干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)適用性分析

將各采樣點(diǎn)不同土層土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與對(duì)應(yīng)像元 4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)（NDWI、VSWI、TVDI、MEI）數(shù)值做相關(guān)性分析（表3）。

表3 4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與土壤相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)

不同土地利用類型下，4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與不同土層深度土壤相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大小大多表現(xiàn)為 0～10 cm＞0～20 cm＞0～30 cm，即干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)對(duì)0～10 cm 土層土壤相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)效果更佳。4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與棉田各土層土壤相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)均未通過0.05 水平上的顯著性檢驗(yàn)，且與NDWI、VSWI、TVDI、MEI呈負(fù)相關(guān)，這與前人研究結(jié)果不同［18，28-30］?？赡艿脑蛴忻尢锊蓸狱c(diǎn)較少，代表性不足；干旱是一種漸進(jìn)和累積的過程，過程緩慢且不易察覺，當(dāng)土壤相對(duì)濕度降低，植被生長(zhǎng)受水分脅迫時(shí)，短時(shí)間內(nèi)植被長(zhǎng)勢(shì)不會(huì)顯著變化，而當(dāng)前植被長(zhǎng)勢(shì)是前期一段時(shí)間各種因素綜合影響的結(jié)果；與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)是自然和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，特別是在荒漠綠洲，人類活動(dòng)基本決定了植被生長(zhǎng)，導(dǎo)致農(nóng)作區(qū)干旱監(jiān)測(cè)面臨較大的困難［31］。棉田干旱監(jiān)測(cè)需進(jìn)一步研究，在將來的工作中，應(yīng)增加土壤相對(duì)濕度觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量和擴(kuò)大空間分布范圍，使其更具代表性；采樣時(shí)間節(jié)點(diǎn)應(yīng)避開灌水前后，土壤水分狀態(tài)應(yīng)相對(duì)平衡，且對(duì)植被生長(zhǎng)的影響得以展現(xiàn)；同時(shí)還應(yīng)考慮植被生長(zhǎng)階段、土壤、大氣等因素。

4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與棗地各土層土壤相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)均未通過0.05 水平上的顯著性檢驗(yàn)，且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較小，在研究區(qū)4 種干旱指數(shù)對(duì)棗地干旱監(jiān)測(cè)適用性較差。原因可能是采樣點(diǎn)較少，代表性不足；由各土層土壤相對(duì)濕度均值相差很小可知，采樣棗地可能在灌水后不久，水分對(duì)棗樹的長(zhǎng)勢(shì)影響并未顯現(xiàn)；棗樹為多年生鼠李科棗屬果樹，從定植到樹冠初步形成，短的在3～5 年，長(zhǎng)的7～10年，應(yīng)考慮其樹齡和品種；棗樹根系較深，深層土壤相對(duì)濕度對(duì)長(zhǎng)勢(shì)影響更加密切，需做進(jìn)一步研究。

研究區(qū)荒漠植被覆蓋均一，受人類活動(dòng)較少，采樣點(diǎn)地勢(shì)平坦，減少地形對(duì)相對(duì)濕度觀測(cè)值影響，研究結(jié)果表現(xiàn)出比較強(qiáng)的規(guī)律性，這與前人研究結(jié)果基本一致［18，28-30］?；哪畢^(qū)不同土層深度土壤相對(duì)濕度與4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值為0～10 cm＞0～20 cm＞0～30 cm。相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值NDWI＞MEI＞TVDI＞VSWI，且均通過0.05 水平上的顯著性檢驗(yàn)，說明4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)均可以反映荒漠土壤相對(duì)濕度的空間變化特征。

由植被、土壤的光譜特征可知，植被冠層液態(tài)水對(duì)近紅外波段、短波紅外波段的吸收能力很弱，為植被冠層的高反射區(qū)，利用植被冠層在近紅外和短波紅外的光譜特征可以靈敏地反映植被冠層含水量，而冠層含水量與土壤相對(duì)濕度關(guān)系密切。由表2、表3 可知，NDWI 對(duì)不同植被覆蓋程度的荒漠土壤濕度信息表現(xiàn)出較強(qiáng)的層次感，正確反映了土壤相對(duì)濕度的差異［32］。干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)MEI 由近紅外波段反射率及下墊面溫度決定。在裸地區(qū)近紅外波段反射率很小，近紅外波段反射率隨著植被覆蓋增加而增加，土壤相對(duì)濕度是影響反射率的主要因素，通過陸地表面溫度不能直接反映土壤濕度，但在植被覆蓋相同的情況下，可以間接反映［33］，結(jié)合研究區(qū)分析結(jié)果（表3），MEI 在荒漠干旱監(jiān)測(cè)中是可行的。干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)VSWI 適用于植被覆蓋度高的區(qū)域，在研究區(qū)荒漠干旱監(jiān)測(cè)中效果低于NDWI和 MEI 2 種指數(shù)［34］。對(duì)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù) TVDI 進(jìn)行干濕邊擬合，干邊擬合方程R2為0.921，濕邊擬合方程R2為0.007。研究區(qū)荒地平均NDVI 值為0.13，而當(dāng)NDVI 低于0.15 時(shí)對(duì)植被覆蓋識(shí)別能力下降，可能是造成濕邊R2較低的原因之一，即TVDI 在干旱監(jiān)測(cè)中的精度受到影響。

2.4 荒地旱情空間分布特征

考慮到不同的干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)對(duì)耕地監(jiān)測(cè)效果不理想，有待進(jìn)一步研究，故只分析研究區(qū)荒漠旱情狀況。選擇與土壤相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值較大的NDWI 和MEI 為代表分析研究區(qū)旱情空間分布特征（圖 2）。由圖 2 可以看出，NDWI 和 MEI 干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)對(duì)研究區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。2019 年7 月下旬研究區(qū)干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)較高（不受旱情影響或影響較?。﹨^(qū)域主要分布在塔里木河沿岸及綠洲與荒漠、戈壁的過渡帶，植被覆蓋較好，受旱情影響較小，而遠(yuǎn)離塔里木河的荒漠、戈壁土壤相對(duì)濕度較低，旱情嚴(yán)重，這與前人研究成果基本一致［35］。

圖2 NDWI和MEI指數(shù)干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

以塔里木河流域人工綠洲為研究區(qū)，基于Landsat 8 數(shù)據(jù)采用4 種不同的干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)在不同土地利用類型下對(duì)其應(yīng)用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。從4 種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)與土壤相對(duì)濕度相關(guān)性來看，受采樣點(diǎn)選擇、植物生長(zhǎng)、人類活動(dòng)的共同影響，4 種指數(shù)在棉田、棗地的監(jiān)測(cè)效果不佳，需進(jìn)一步深入研究。在荒漠區(qū)域，4 種指數(shù)監(jiān)測(cè)0～10 cm 深土壤相對(duì)濕度效果優(yōu)于0～20 cm、0～30 cm。4 種指數(shù)與0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm 深土壤相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)均通過0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)，說明4 種指數(shù)在研究區(qū)荒漠區(qū)域干旱監(jiān)測(cè)是可行的。NDWI、MEI 的監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于VSWI 和TVDI?？臻g上，NDWI 和MEI 應(yīng)用分析結(jié)果基本一致。荒漠區(qū)域旱情分布特征受水資源分布和人類活動(dòng)影響顯著，土壤濕度較高區(qū)域主要分布在塔里木河兩岸、農(nóng)田周邊。

3.2 討論

農(nóng)業(yè)干旱是荒漠綠洲區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)重要影響因素之一，受自然條件和人類活動(dòng)的影響，成因復(fù)雜，要考慮氣候和地形條件、植被類型、植物對(duì)干旱的耐受性以及周邊環(huán)境對(duì)干旱的耦合影響［31］。另外地面采樣點(diǎn)與遙感影像空間分辨率不匹配，以點(diǎn)帶面則誤差難以避免。對(duì)于農(nóng)田而言，還需考慮當(dāng)?shù)氐墓喔戎贫?、灌溉定額、土壤類型等因素。針對(duì)荒漠綠洲區(qū)復(fù)雜狀況，集成多種干旱遙感監(jiān)測(cè)指數(shù)的精細(xì)化監(jiān)測(cè)模型將是未來的主流發(fā)展方向［36，37］。