水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與展望

黃詩峰 ，辛景峰 ，楊永民

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3. 水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100038）

水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)與展望

黃詩峰1,2,3，辛景峰1,2,3，楊永民1,2,3

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3. 水利部遙感技術(shù)應(yīng)用中心，北京 100038）

遙感技術(shù)以其快速、經(jīng)濟(jì)和大空間范圍獲取的特點(diǎn)，已成為旱情監(jiān)測的重要手段。介紹國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)情況，包括旱情遙感監(jiān)測模型、業(yè)務(wù)流程及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全國旱情監(jiān)測逐周生產(chǎn)、區(qū)域旱情 1～3 d 應(yīng)急快速監(jiān)測及逐月區(qū)域水體監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)。試運(yùn)行表明全國旱情監(jiān)測與國外同類產(chǎn)品結(jié)果一致或優(yōu)于同類產(chǎn)品；區(qū)域旱情監(jiān)測平均精度達(dá)到 80% 以上。最后，對旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)未來發(fā)展進(jìn)行展望。

旱情；遙感監(jiān)測；模型；系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

干旱是對人類社會(huì)影響最嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害之一，它具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時(shí)間長、波及范圍廣的特點(diǎn)。我國地處東亞，季風(fēng)氣候明顯，年際間季風(fēng)的不穩(wěn)定性造成了我國干旱的頻繁發(fā)生，使干旱成為對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害[1]。

傳統(tǒng)的旱情監(jiān)測方法是基于土壤墑情站的點(diǎn)監(jiān)測方式，只能獲得少量的點(diǎn)上數(shù)據(jù)，再加上人力、物力、財(cái)力等因素的制約，難以迅速而及時(shí)地獲得大面積的土壤水分和作物信息，使得大范圍的旱情監(jiān)測和評估缺乏有效的時(shí)效性和代表性，而遙感旱情監(jiān)測方法則是面上的監(jiān)測，具有監(jiān)測范圍廣、空間分辨率高、信息采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用性好等特性，可有效彌補(bǔ)地面觀測系統(tǒng)成本高、空間覆蓋率低和觀測滯后的缺點(diǎn)，為各級減災(zāi)部門及時(shí)高效提供決策支持服務(wù)。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，干旱遙感監(jiān)測模型實(shí)用化程度越來越高，遙感技術(shù)已成為旱情監(jiān)測重要支撐手段[2]。

水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)是基于衛(wèi)星遙感圖像和地面觀測數(shù)據(jù)的全國和區(qū)域旱情監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)，是國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程的重要組成部分，負(fù)責(zé)為抗旱管理系統(tǒng)提供不同尺度、頻次和類型的旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品，使其滿足日常業(yè)務(wù)運(yùn)行、應(yīng)急快速監(jiān)測與評估的需要，實(shí)現(xiàn)旱情實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估，為國家防汛抗旱總指揮部和水利部抗旱調(diào)度指揮決策提供科學(xué)支撐。

1 旱情遙感監(jiān)測模型

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展、遙感機(jī)理研究的深入，研究人員針對干旱發(fā)生時(shí)的主要地表特征參量，從土壤濕度、植被蒸散、長勢和冠層含水量、抗旱水源等方面，開展了大量的研究和應(yīng)用[3]。目前，應(yīng)用較為廣泛的旱情遙感監(jiān)測評估方法，主要有 5 類：基于降水遙感反演的旱情監(jiān)測、基于植被溫度指數(shù)的旱情遙感監(jiān)測、基于土壤水分遙感反演的旱情監(jiān)測、基于蒸散發(fā)遙感反演的旱情監(jiān)測及基于水體面積變化的旱情遙感監(jiān)測[4]。

不同模型有不同的適用范圍，針對抗旱減災(zāi)業(yè)務(wù)的要求及衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)源實(shí)時(shí)獲取可行性，水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)全國旱情監(jiān)測選用遙感監(jiān)測指數(shù)模型，區(qū)域旱情監(jiān)測選用基于光學(xué)遙感的土壤水分反演模型。另外考慮到抗旱水源，構(gòu)建了基于水體面積變化的旱情遙感監(jiān)測模型。

1.1 全國旱情遙感監(jiān)測模型

對于全國旱情遙感監(jiān)測來說，主要是基于中低分辨率遙感影像，實(shí)現(xiàn)全國范圍 500～1 000 m 尺度每旬常規(guī)旱情遙感監(jiān)測，為宏觀掌握全國旱情總體情況提供信息支撐。全國旱情遙感監(jiān)測選擇植被溫度指數(shù)模型。

植被和溫度狀況是干旱的重要表征，當(dāng)出現(xiàn)旱情時(shí)，植被指數(shù)值會(huì)降低，而冠層溫度則會(huì)因作物氣孔關(guān)閉而升高。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，監(jiān)測植被指數(shù)，反演冠層溫度，并與多年歷史同期進(jìn)行比較，進(jìn)而評估干旱的嚴(yán)重程度。監(jiān)測指標(biāo)包括：植被狀態(tài)指數(shù)（VCI）、距平植被指數(shù)（DVI）、溫度狀態(tài)指數(shù)（TCI）、植被健康指數(shù)（VHI）[5]、歸一化植被指數(shù)（NDVI）、歸一化水指數(shù)（NDWI）。

1.2 區(qū)域旱情遙感監(jiān)測模型

土壤水分是陸地水文循環(huán)中的重要狀態(tài)變量，也是區(qū)域旱情監(jiān)測最為重要的指標(biāo)。土壤水分遙感反演按測量手段的不同可分為光學(xué)遙感、被動(dòng)微波、主動(dòng)微波[6]?？紤]到微波遙感數(shù)據(jù)大范圍、高頻次獲取還有一定難度，在水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)中，選用的基于光學(xué)遙感的土壤水分反演模型，具體是基于表觀熱慣量（ATI）、供水植被指數(shù)（VSWI）、溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）、溫度植被多項(xiàng)式（TVPM）等模型，利用衛(wèi)星圖像計(jì)算干旱指數(shù)，然后，通過干旱指數(shù)與土壤含水量的關(guān)系得到土壤含水量，再以土壤含水量為指標(biāo)，確定干旱等級，得到旱情等級圖。

1.3 基于水體面積變化的旱情遙感監(jiān)測模型

地表水體（包括濕地）對于防汛抗旱，以及水資源、生態(tài)和環(huán)境的保護(hù)都起著極其重要的作用。基于水體面積變化監(jiān)測，可為區(qū)域旱情監(jiān)測提供重要信息。水體提取方法依據(jù)遙感數(shù)據(jù)類型分為光學(xué)和雷達(dá)影像水體提取?；诠鈱W(xué)影像的水體信息和識(shí)別方法包括：閾值法、差值法、比值法、光譜特征變異法、光譜主成分分析法等。利用雷達(dá)遙感技術(shù)獲取水體因其不受白天黑夜和云霧的限制，已廣泛應(yīng)用于洪水災(zāi)害監(jiān)測中，也可應(yīng)用于多云多雨地區(qū)旱情監(jiān)測中。

系統(tǒng)建設(shè)中，選擇 GF-1 衛(wèi)星 16 m 多光譜寬幅影像作為主要數(shù)據(jù)源，采用面向?qū)ο蠓指罴夹g(shù)，基于水體指數(shù)模型，提取水體面積，并利用監(jiān)測時(shí)段水體面積和同期水體面積多年平均值之差占同期水體面積多年平均值的百分比計(jì)算水體面積距平，評估旱情嚴(yán)重程度。

2 旱情遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)流程

水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖 1 所示。

1）遙感數(shù)據(jù)接收、預(yù)處理與管理。實(shí)時(shí)遙感影像數(shù)據(jù)的獲取是旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)能否業(yè)務(wù)化運(yùn)行的關(guān)鍵。在系統(tǒng)建設(shè)中，利用氣象衛(wèi)星衛(wèi)星廣播系統(tǒng)（CMA-CAST）實(shí)時(shí)接收 EOS MODIS 影像，利用與中國資源衛(wèi)星中心遙感影像光纖接入系統(tǒng)近實(shí)時(shí)獲取 GF-1 衛(wèi)星影像。

接收原始遙感影像，還需要進(jìn)行輻射校正、大氣校正、幾何糾正、裁剪、拼接、批處理等預(yù)處理，獲得具有物理意義的地表反射率、輻射值等影像圖像；然后根據(jù)旱情遙感監(jiān)測模型的需要，生成地表參數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

為了便于使用，所有遙感影像及預(yù)處理產(chǎn)品必須建立元數(shù)據(jù)，并基于數(shù)據(jù)庫有效管理。

2）旱情遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)。旱情遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)產(chǎn)品包括全國旱情、區(qū)域旱情及水體遙感等監(jiān)測產(chǎn)品。采用前述旱情遙感監(jiān)測模型，基于遙感影像及地面觀測資料，開展旱情監(jiān)測和分析，并按照旱情等級標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)定地理框架、地圖整飾規(guī)范等制作旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品。

3）旱情監(jiān)測產(chǎn)品的發(fā)布。旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)后，需進(jìn)行入庫管理，供各級防汛抗旱部門查詢、檢索、統(tǒng)計(jì)與綜合分析。

3 旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)包括 5 個(gè)子系統(tǒng)，除旱情產(chǎn)品管理與發(fā)布子系統(tǒng)采用 B/S 模式外，其他4 個(gè)子系統(tǒng)均采用 C/S 模式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)子系統(tǒng)由多個(gè)功能模塊組成，如圖 2 所示。

1）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)涉及的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括遙感影像數(shù)據(jù)、背景數(shù)據(jù)、旱情遙感監(jiān)測分級產(chǎn)品和元數(shù)據(jù)等。

圖 1 水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2）全國旱情遙感監(jiān)測子系統(tǒng)。利用 MODIS 中分辨率遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理基礎(chǔ)上，調(diào)用全國旱情遙感監(jiān)測模型、旱情等級劃分等功能模塊，實(shí)現(xiàn)全國范圍 500～1 000 m 尺度每旬常規(guī)旱情遙感監(jiān)測，并基于監(jiān)測結(jié)果生成柵格圖、圖、表、報(bào)告等格式旱情監(jiān)測專題產(chǎn)品，為宏觀掌握全國旱情總體情況提供信息支撐。

3）區(qū)域旱情遙感監(jiān)測子系統(tǒng)。以中高分辨率遙感數(shù)據(jù)為主，以低分辨率遙感數(shù)據(jù)為輔，結(jié)合氣象和水文的地面觀測數(shù)據(jù)、遙感解譯土地利用、作物種植結(jié)構(gòu)等，調(diào)用典型區(qū)域旱情遙感監(jiān)測模型，得到干旱監(jiān)測指數(shù)、土壤墑情和干旱等級圖，套合作物類型圖，統(tǒng)計(jì)分析受旱作物面積等，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)受旱區(qū)的農(nóng)業(yè)旱情遙感監(jiān)測，為更全面、細(xì)致地掌握區(qū)域旱情總體情況提供信息支撐。

4）水體面積旱情遙感監(jiān)測子系統(tǒng)。獲取研究區(qū)覆蓋干旱發(fā)生過程的多期影像，同時(shí)對應(yīng)選取歷史同期的多期影像，經(jīng)過幾何校正、投影轉(zhuǎn)換、波段融合、影像鑲嵌與裁切、圖像增強(qiáng)等遙感圖像預(yù)處理后進(jìn)入水體提取模塊，在計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取水體的基礎(chǔ)上對提取結(jié)果進(jìn)行后處理，得到多期區(qū)域水體分布圖，分別統(tǒng)計(jì)水體總面積和多年平均值，在此基礎(chǔ)上計(jì)算區(qū)域水面積距平參數(shù)。

5）旱情產(chǎn)品管理與發(fā)布子系統(tǒng)。采用 B/S 模式實(shí)現(xiàn)，部署在服務(wù)器端，用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)管理員在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品的發(fā)布管理操作，用戶在瀏覽器端注冊后則通過訪問系統(tǒng)獲取權(quán)限范圍內(nèi)的旱情監(jiān)測產(chǎn)品查詢、旱情統(tǒng)計(jì)分析、可視化展示等功能。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)已完成開發(fā)，2016 年投入試運(yùn)行。基于水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)，2016 年開展全國旱情監(jiān)測 20 多次，對東北三省、華北四省及內(nèi)蒙古自治區(qū)等旱情進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測 50 余次，對于鄱陽湖、洞庭湖等 14 個(gè)典型水體進(jìn)行逐月連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，相關(guān)應(yīng)用成果為為抗旱減災(zāi)提供了科技支撐。

圖 2 軟件功能組成圖

1）全國旱情監(jiān)測?；谘邪l(fā)的旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)對 2016 年全國旱情進(jìn)行了逐旬監(jiān)測，圖 3 為 5 月中旬全國旱情遙感分布圖，從圖中可以看出，全國絕大部地區(qū)處于正常情況，受干旱影響的省份主要為內(nèi)蒙古自治區(qū)和吉林省，與國家氣候中心的旱情監(jiān)測產(chǎn)品在空間上有很好的一致性。與美國 NOAA STAR 產(chǎn)品對比，由于 NOAA STAR 的產(chǎn)品沒有進(jìn)行除云處理，且衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)未進(jìn)行大氣校正，水利部旱情遙感監(jiān)測結(jié)果更為合理。

圖 3 全國旱情遙感監(jiān)測分布圖（2016 年 5 月 17—23 日）

2）區(qū)域旱情監(jiān)測。區(qū)域旱情監(jiān)測主要是針對已經(jīng)出現(xiàn)旱情的地區(qū)進(jìn)行。2016 年，基于水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)對內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧、吉林、河北、山東等省開展了多次區(qū)域旱情監(jiān)測。圖 4 為 7 月上旬東北地區(qū)旱情遙感監(jiān)測圖，從圖中可以看出遼寧省相對吉林省和黑龍江省，旱情要嚴(yán)重得多。通過與地面實(shí)測墑情對比，遙感監(jiān)測旱情等級精度總體達(dá)到了 80%。

圖 4 東北地區(qū)旱情遙感監(jiān)測分布圖（2016 年 7月 11 日）

5 結(jié)語

通過水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，研發(fā)了全國和區(qū)域旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)、基于水體變化的旱情監(jiān)測系統(tǒng)及旱情遙感監(jiān)測產(chǎn)品管理與發(fā)布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全國旱情監(jiān)測逐周生產(chǎn)、區(qū)域旱情 1～3 d 應(yīng)急快速監(jiān)測及逐月區(qū)域水體監(jiān)測產(chǎn)品的生產(chǎn)，對于防汛抗旱部門及時(shí)、客觀、準(zhǔn)確地獲取全國旱情信息，了解受旱區(qū)域、受旱面積及嚴(yán)重程度，發(fā)揮了重要作用。

按照國家防汛指揮系統(tǒng)二期工程總體設(shè)計(jì)，水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)將為各?。ㄊ?、區(qū)）旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)提供遙感影像服務(wù)及模型支撐。各?。ㄊ小^(qū)）將基于水利部旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)成果，針對當(dāng)?shù)馗珊堤卣鞫ㄖ坪登檫b感監(jiān)測系統(tǒng)，并利用地面實(shí)測資料進(jìn)行旱情模型的率定及驗(yàn)證。省級旱情遙感監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)將提高各省旱情監(jiān)測業(yè)務(wù)化水平，為抗旱減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐。

隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)據(jù)的不斷豐富，監(jiān)測模型的逐步完善，遙感監(jiān)測能力的持續(xù)增強(qiáng)，旱情遙感監(jiān)測的時(shí)效、精度、質(zhì)量和可靠性將極大提高，將促進(jìn)旱情遙感監(jiān)測應(yīng)用的快速發(fā)展。

[1] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室，水利部南京水文水資源研究所. 中國水旱災(zāi)害[M]. 中國水利水電出版社，1997:1-30.

[2] 李紀(jì)人，黃詩峰. “3S”技術(shù)水利應(yīng)用指南[M]. 北京：中國水利水電出版社，2003: 141-160.

[3] 王麗濤，王世新，周藝，等. 旱情遙感監(jiān)測研究進(jìn)展與應(yīng)用案例分析[J]. 遙感學(xué)報(bào)，2011，15 (6): 1315-1330.

[4] 黃詩峰，辛景峰，楊永民，等. 旱情遙感監(jiān)測理論方法與實(shí)踐[M]. 北京：中國水利水電出版社，2016: 1-18.

[5] 馮強(qiáng)，田國良，王昂生，等. 基于植被狀態(tài)指數(shù)的土壤濕度遙感方法研究[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13 (3): 81-88.

[6] 陳書林，劉元波，溫作民. 衛(wèi)星遙感反演土壤水分研究綜述[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27 (11): 1192-1203.

Construction and prospect of drought remote sensing monitoring system in Ministry of Water Resources

HUSNH Shifeng1,2,3, XIN Jinfeng1,2,3, YANG Yongmin1,2,3

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. Research Center of Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources,Beijing 100038, China;3. Remote Sensing Technology Application Center of the Ministry of Water Resources, Beijing 100038, China)

As a quick, economical and wide range monitoring method, remote sensing technology has become an important means of drought monitoring. The article introduces the construction of the drought monitoring system of the second phase project of the state flood control command, including the drought remote sensing monitoring model,operation flow and the design and development of the system. The monitoring system realizes the national routine drought monitoring every week and regional emergency drought monitoring every one to three days, and monthly regional water monitoring products. System trial operation shows that the accuracy of national drought monitoring products is consistent with foreign similar products, sometimes better, and average accuracy of regional drought monitoring products is above 80%. Finally, the future development of the drought monitoring system using remote sensing is prospected.

drought; remote sensing monitoring; model; system development

TP7；TV213

A

1674-9405(2017)05-0001-05

10.19364/j.1674-9405.2017.05.001

2017-08-23

中國水利水電科學(xué)研究院重點(diǎn)專項(xiàng)（JZ0145B032017）；國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目（Z-N1302-G1502）

黃詩峰（1972-），男，安徽潛山人，教授級高工，主要從事水旱災(zāi)害遙感監(jiān)測等工作。