海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行研究

李海亮+方紀(jì)華+田光輝+羅紅霞

摘要：基于MODIS數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，以海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)綜合模型為工具開展海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)研究，完成了基于WebGIS的海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。通過(guò)WebGIS系統(tǒng)及時(shí)發(fā)布旱情信息，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)終端網(wǎng)頁(yè)瀏覽器可以對(duì)海南島實(shí)時(shí)的干旱情況進(jìn)行交互式的查詢和檢索，實(shí)現(xiàn)了海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。并應(yīng)用海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了干旱監(jiān)測(cè)、旱情區(qū)域分析等業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范。該研究結(jié)果可為區(qū)域農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：MODIS；農(nóng)業(yè)干旱；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；業(yè)務(wù)化運(yùn)行；海南島

中圖分類號(hào)： S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）18-0211-03

收稿日期：2016-06-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2014GA800006）；海南省重大科技項(xiàng)目（編號(hào)：ZDZX2013018）。

作者簡(jiǎn)介：李海亮（1977—），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，副研究員，主要從事熱帶農(nóng)業(yè)遙感與數(shù)字研究。Email：fondgis@163.com。 農(nóng)業(yè)干旱是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)面臨著較大的困難。遙感技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)提供了新的機(jī)遇，但遙感監(jiān)測(cè)的信息是時(shí)間點(diǎn)上作物反映出來(lái)的特征，未考慮作物生長(zhǎng)機(jī)理及生長(zhǎng)環(huán)境影響的時(shí)間效應(yīng)。因此，更合理的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)方法應(yīng)該基于遙感信息和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，把作物生長(zhǎng)機(jī)理與環(huán)境信息結(jié)合起來(lái)，加強(qiáng)作物形態(tài)指標(biāo)與土壤濕度指標(biāo)的結(jié)合?，F(xiàn)有研究已經(jīng)提出了許多農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測(cè)方法，這些方法大多數(shù)能夠?qū)r(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)[1-4]。而建立監(jiān)測(cè)旱情的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，可將旱情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或評(píng)估的結(jié)果，迅速、及時(shí)、有效地上報(bào)有關(guān)單位和部門，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)；從而達(dá)到及時(shí)采取各種防范措施，將旱情造成的損失降至最低點(diǎn)的目的。因此，基于遙感信息與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)及業(yè)務(wù)化運(yùn)行將是農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向[5-7]。在分析海南島干旱發(fā)生規(guī)律的基礎(chǔ)上建立一套相對(duì)精準(zhǔn)、計(jì)算簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)容易獲取、重復(fù)周期短、適合長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，快速高效地進(jìn)行農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，為科學(xué)抗旱救災(zāi)、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)事活動(dòng)提供決策依據(jù)，對(duì)海南省農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究利用海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)綜合模型開展農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)WebGIS系統(tǒng)，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)終端的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器可以對(duì)海南島實(shí)時(shí)干旱情況進(jìn)行交互式的查詢和檢索，探索農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的旬報(bào)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

海南島是我國(guó)僅次于臺(tái)灣島的第二大島，總面積約3.39萬(wàn)km2，地處18°10′～20°10′N、108°37′～111°03′E之間，位于熱帶北緣。海南島夏無(wú)酷熱，冬無(wú)嚴(yán)寒，氣溫年較差小，全年氣溫高，年平均氣溫22～26 ℃，終年無(wú)霜雪。全島中部山區(qū)氣溫較低，西南部較高。年平均降水量為1 639 mm，降水時(shí)空差異大，東濕西干。海南島屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，干雨季分明。受臺(tái)風(fēng)及降雨時(shí)空分布不均的影響，全島旱澇災(zāi)害頻繁，旱患尤為突出。海南島干旱對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活影響都很大，不僅限制了熱帶資源的充分利用，而且影響熱帶作物的生產(chǎn)活動(dòng)和產(chǎn)量。建國(guó)以來(lái)海南島出現(xiàn)較為嚴(yán)重的旱災(zāi)共40多次，幾乎每年達(dá)1次。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù) 利用海南省氣象科學(xué)研究所EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)存檔的日MODIS原始數(shù)據(jù)（上午星Terra），通過(guò)解包歸整、定位定標(biāo)、1B（HDF）數(shù)據(jù)的生成、投影變換、幾何采樣和重采樣等預(yù)處理工作，以最大值合成法（MVC）逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的歸一化植被指數(shù)（NDVI），空間分辨率為1 km。而地表溫度（LST）數(shù)據(jù)則來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）提供的L3級(jí)別的MODIS/Terra全球數(shù)據(jù)產(chǎn)品。首先對(duì)空間分辨率為1 km、時(shí)間分辨率為1 d的MOD11A1數(shù)據(jù)運(yùn)用MRT軟件進(jìn)行拼接、投影轉(zhuǎn)換。剔除質(zhì)量較差像元，然后以均值法逐日合成得到2004年10上旬至2005年1月下旬各旬的LST數(shù)據(jù)。利用海南島邊界圖完成NDVI數(shù)據(jù)、LST數(shù)據(jù)的裁剪和拼接工作，同時(shí)剔除NDVI、LST數(shù)據(jù)的無(wú)效值。

1.2.2 氣象數(shù)據(jù) 收集海南省18個(gè)氣象臺(tái)站，2004年7月上旬至2005年1月下旬各旬降水量，以及各旬多年平均降水量。將通過(guò)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到的綜合降水指數(shù)（CPI）采用薄板樣條函數(shù)[8]（TPS）插值的方法進(jìn)行全區(qū)域的精確模擬。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)模型 為探索提高農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)模型的精度，以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究小組提出的農(nóng)業(yè)旱情遙感評(píng)估模型[7-9]為基礎(chǔ)，在遙感指數(shù)和氣象指數(shù)權(quán)重指定建模的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)測(cè)土壤含水量反演建模的方式。以標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)（VSWIS）和綜合降水指數(shù)（CPI）作為變量，通過(guò)與同步實(shí)測(cè)土壤含水量的數(shù)據(jù)融合構(gòu)建了適合海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的綜合模型[10]，本研究以該模型為工具進(jìn)行海南島的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，其計(jì)算公式為：

式中：DI為綜合旱情指數(shù)，取0～1，其中DI=0表示嚴(yán)重干旱，DI=1表示非常濕潤(rùn)；VSWI為標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)，由MODIS-NDVI和MODIS-LST數(shù)據(jù)計(jì)算得到；CPI為綜合降水指數(shù)，由旬降水量、旬多年平均降水量及各旬權(quán)重計(jì)算得到；0.036 198為常數(shù)項(xiàng)。

經(jīng)檢驗(yàn)，該模型的均方根誤差（RMSE）為4.65%，相對(duì)均方根誤差（RMSEr）為19.28%，模型具有較高的精度。

1.3.2 農(nóng)業(yè)干旱等級(jí)劃分 以海南島農(nóng)業(yè)干旱調(diào)研為基礎(chǔ)，參考?xì)庀蟾珊档燃?jí)劃分方法、已有研究的綜合干旱等級(jí)劃分方法[10]，建立海南島農(nóng)業(yè)干旱分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。將農(nóng)業(yè)干旱程度分為濕潤(rùn)、正常、輕旱、中旱、重旱5個(gè)級(jí)別（表1）。endprint

1.3.3 農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 為使整個(gè)系統(tǒng)具有較高的運(yùn)行效率、較強(qiáng)的靈活性、可擴(kuò)展性及可伸縮性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在多層模型架構(gòu)之上，整個(gè)系統(tǒng)體系分為表示層、開發(fā)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層（圖1）。系統(tǒng)開發(fā)采用Windows 2003 Server，IIS 5.0服務(wù)器平臺(tái)，客戶端為IE 5.0以上瀏覽器，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 2.0，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server9.2.DotNet ADF開發(fā)包，開發(fā)語(yǔ)言采用Visual C#.NET。地圖應(yīng)用服務(wù)器基于Internet/Intranet的地圖應(yīng)用服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，HTTP傳輸協(xié)議。

系統(tǒng)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持下，實(shí)現(xiàn)Web瀏覽器上的GIS圖形與數(shù)據(jù)的可視化操作，工作人員可以查詢到海南島內(nèi)不同時(shí)段的基礎(chǔ)地理信息、旱情信息和歷史資料信息?？梢赃M(jìn)行選定區(qū)域特定面積內(nèi)的各種旱情指數(shù)的計(jì)算，以圖文報(bào)表形式反映整個(gè)旱情的發(fā)展演變過(guò)程。系統(tǒng)主要功能有：旱情專題查詢、旱情周期監(jiān)測(cè)、旱情預(yù)警發(fā)布和專題統(tǒng)計(jì)查詢等。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio.NET 2005，.NET FrameWork 1.1，ArcGIS Server 9.3以及ArcGIS Server.NET ADF開發(fā)包，開發(fā)語(yǔ)言采用Visual C#.NET。地圖應(yīng)用服務(wù)器基于Internet/Intranet的地圖應(yīng)用服務(wù)器，采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP，HTTP傳輸協(xié)議。系統(tǒng)主界面見圖2。

2.1.1 旱情專題查詢 通過(guò)WebGIS頁(yè)面的操作，可以在地圖列表窗口中選擇旱情專題圖瀏覽察看頁(yè)面，該頁(yè)面為用戶提供樹形目錄，用戶可以選擇性地察看各時(shí)段、各區(qū)域的旱情分級(jí)和旱情指數(shù)。旱情指數(shù)包括綜合旱情指數(shù)（DI）、標(biāo)準(zhǔn)化植被供水指數(shù)（VSWIs）、綜合降水指數(shù)（CPI）。在地圖列表窗口中選好需要察看旱情的時(shí)段，在地圖中點(diǎn)擊查詢?nèi)我馕恢玫暮登樾畔?，查詢結(jié)果即顯示在“查詢結(jié)果”欄中。

2.1.2 旱情周期監(jiān)測(cè) 以農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)綜合指數(shù)為旱情監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)更新周期作為系統(tǒng)監(jiān)測(cè)周期。將更新數(shù)據(jù)做預(yù)處理，并通過(guò)模型演算使旱情數(shù)據(jù)空間可視化表達(dá)，最后將其上傳至服務(wù)器，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)布更新數(shù)據(jù)，及時(shí)展示旱情關(guān)鍵要素的空間分布格局及變化情況。

2.1.3 旱情預(yù)警發(fā)布 系統(tǒng)通過(guò)模型計(jì)算出的農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)綜合指數(shù)，對(duì)比系統(tǒng)定義好的旱情災(zāi)害指標(biāo)，將旱情進(jìn)行分級(jí)預(yù)警，并將預(yù)警信息及時(shí)發(fā)布，詳細(xì)顯示旱情發(fā)生區(qū)域、旱情災(zāi)害等級(jí)、未來(lái)氣候情況等重要災(zāi)害信息，為抗災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)支持。

2.1.4 專題統(tǒng)計(jì)查詢 為了滿足用戶對(duì)氣候、旱情發(fā)展等信息的需要，在系統(tǒng)中設(shè)置了區(qū)域統(tǒng)計(jì)、農(nóng)業(yè)旱情統(tǒng)計(jì)、旱情專題圖、農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)報(bào)告、氣候公報(bào)、課題介紹等菜單欄，各菜單以下拉列表的方式鏈接相應(yīng)的文檔及圖片列表。點(diǎn)擊文檔名及圖片名即可打開對(duì)應(yīng)的文檔及圖片文件，查看相應(yīng)的資料信息。

2.2 海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行示范

2.2.1 旱情監(jiān)測(cè) 利用海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)海南島2004年10月上旬至2005年1月下旬的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，制作干旱專題圖及統(tǒng)計(jì)曲線圖（圖3）。從圖3可以看出，從時(shí)間演變來(lái)看，2004年10月上旬起旱情持續(xù)加重，至2004年12月上旬達(dá)到旱情高峰，2005年1月下旬海南島旱情依然嚴(yán)重；從空間演變來(lái)看，海南島西部旱情重于東部、北部旱情重于南部、四周旱情重于中部。

2.2.2 旱情區(qū)域分析 應(yīng)用海南省行政區(qū)域數(shù)據(jù)提取2004年10月至2005年1月海南島內(nèi)18個(gè)行政單元每旬的綜合旱情指數(shù)，并統(tǒng)計(jì)各干旱等級(jí)柵格數(shù)。旱情最嚴(yán)重段（2004年12月上旬）海南省各行政區(qū)域的旱情統(tǒng)計(jì)見表2。從表2可以看出，該時(shí)段旱情最嚴(yán)重的市縣為儋州市，其受災(zāi)（重旱、中旱及輕旱）面積為3 155 km2，約占陸地總面積的97%，多為重旱和中旱；旱情最輕的市縣為中部的五指山市，其受災(zāi)面積為986 km2，約占陸地總面積的85%，多為輕旱和中旱。

3 結(jié)論與討論

本研究基于MODIS數(shù)據(jù)、地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，以海南島農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)綜合模型為工具開展了海南島農(nóng)業(yè)干旱綜合監(jiān)測(cè)研究。通過(guò)需求分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)及系統(tǒng)開發(fā)，完成了基于WebGIS的海南省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，旱情監(jiān)測(cè)結(jié)果在不同時(shí)期具有可比性，可以根據(jù)不同級(jí)別的旱情分布進(jìn)行受災(zāi)范圍統(tǒng)計(jì)，評(píng)估旱災(zāi)損失，為農(nóng)業(yè)部門抗旱減災(zāi)工作提供更加直接可用的結(jié)果。同時(shí)，應(yīng)用數(shù)據(jù)批處理技術(shù)，在較短的時(shí)間內(nèi)就可完成每一旬的旱情監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)，得到旱情分析以及可能損失評(píng)估結(jié)果。并通過(guò)WebGIS系統(tǒng)及時(shí)發(fā)布旱情信息，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)終端網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現(xiàn)了海南省實(shí)時(shí)干旱情況的交互式查詢和檢索，并可據(jù)此形成干旱評(píng)估分析報(bào)告，為科學(xué)抗旱救災(zāi)、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)事活動(dòng)提供決策依據(jù)。

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