2000—2014年伊犁哈薩克自治州干旱動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究
——基于MODIS-TVDI指數(shù)

劉 鵬

（新疆維吾爾自治區(qū)林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830001）

1 研究概況

1.1 研究背景

干旱災(zāi)害從古到今都是人們面臨的主要自然災(zāi)害之一，其特點(diǎn)是出現(xiàn)頻率多、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣等，其形成原因主要是區(qū)域水資源收支與供需不平衡。干旱災(zāi)害嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、人類生活等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。干旱災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失在逐漸增加，對糧食生產(chǎn)安全更是帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。此外，隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人口的快速增，自然資源的需求也日益增加，人們不得不加速各類自然資源的開發(fā)，在開發(fā)過程中的不合理利用以及浪費(fèi)現(xiàn)象普遍，使得各種資源迅速減少，特別是水資源日益匱乏，這也直接或間接地使得干旱區(qū)域不斷擴(kuò)大、干旱程度持續(xù)加重。在全球氣候變暖的大背景下，降雨量逐年減少，蒸發(fā)量卻在不斷增加，這也加速了全球干旱化，使得干旱面積越來越大。現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)水平尚未達(dá)到徹底防止干旱災(zāi)害發(fā)生的水平，而一種準(zhǔn)確有效的干旱監(jiān)測方法對于及時(shí)采取有效的預(yù)防措施具有重要意義［1-3］。因此，需要充分利用現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)對干旱進(jìn)行不間斷的監(jiān)測，減少干旱所帶來的危害。

1.2 研究意義

傳統(tǒng)的干旱監(jiān)測方法是利用氣象站點(diǎn)或基于地面觀測的方法，其準(zhǔn)確性、代表性與完整性都存在局限，并且數(shù)據(jù)的及時(shí)性得不到保證?，F(xiàn)如今，遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得其為快速獲取陸地表面分布式信息提供了有效的技術(shù)手段，遙感方法監(jiān)測和地面實(shí)測數(shù)據(jù)的結(jié)合已成為目前干旱監(jiān)測研究的主要方向之一［4］?；跉庀?、水文、環(huán)境因子的監(jiān)測方法計(jì)算復(fù)雜，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差。而利用MODIS合成產(chǎn)品為遙感技術(shù)的大范圍應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

干旱是一種頻發(fā)的氣候事件，基于不同的地理氣候區(qū)域，干旱發(fā)生的條件、發(fā)展過程、表現(xiàn)形式和對當(dāng)?shù)卦斐傻挠绊懚紩?huì)不同。新疆伊犁的氣候特征具有典型的干旱性，屬寒溫帶半干旱大陸性氣候。農(nóng)業(yè)占伊犁工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的62.64%，所占比例較大。本文基于MODIS合成產(chǎn)品構(gòu)成LST-NDVI分辨率為1 km特性空間獲取植被干旱指數(shù)進(jìn)行干旱監(jiān)測，分析了2000—2014年LSTNDVI特性空間的時(shí)序變化特征，從而對伊犁植被生長干旱情況的時(shí)空分布特征進(jìn)行研究。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者早在20世紀(jì)60年代末就開始了利用遙感監(jiān)測的方法進(jìn)行干旱研究。例如，Watsom［5］最早提出了利用地表溫度日較差推算熱慣量的簡單模式；Carlson T N等［6］較早開展了利用NOAA/AVHRR遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行大面積作物旱情監(jiān)測，并運(yùn)用到估算土壤有效水分和熱慣量研究中。我國學(xué)者對于干旱監(jiān)測方法的研究雖然比國外學(xué)者要晚，但通過我國專家學(xué)者的共同努力，在借鑒國外學(xué)者的研究方法的基礎(chǔ)上取得了許多可喜的成就，也總結(jié)出了適合我國的一套研究方法，其成果不僅完善了我國研究的缺陷，而且豐富了國外遙感監(jiān)測研究方法。例如，陳乾［7］在進(jìn)紅外波段利用NOAA衛(wèi)星獲得NDVI數(shù)據(jù)對甘肅省進(jìn)行長期干旱監(jiān)測，柳欽火等［8］基于地表溫度和植被指數(shù)將我國分為六大區(qū)進(jìn)行全國農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測，杜靈通［9］基于多元空間信息構(gòu)建了干旱監(jiān)測模型。

新疆是我國干旱頻發(fā)的地區(qū)，特殊的地理位置及氣候條件使得水資源分布極不均勻，造成干旱災(zāi)害常年發(fā)生。近年來，許多學(xué)者對該地區(qū)的干旱情況開展了研究，如姚春生等［10］利用溫度植被干旱指數(shù)方法完成了新疆土壤濕度的反演；劉星含［11］基于MODIS合成產(chǎn)品構(gòu)成LSTNDVI特性空間對新疆進(jìn)行干旱監(jiān)測；包安明等［12］利用MODIS數(shù)據(jù)對塔里木河下游植被生長狀況進(jìn)行了監(jiān)測。本文使用MODIS-TVDI方法，構(gòu)建2000—2014年每年3—8月LST-NDVI特性空間對伊犁干旱動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行分析。對新疆干旱災(zāi)害的研究在某些程度上為預(yù)防、監(jiān)測干旱提供了有效的科學(xué)手段。

1.4 研究區(qū)概況

伊犁位于新疆西部、伊犁河谷上游，干旱災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。伊犁素有“塞外江南”和新疆糧倉之美稱，區(qū)內(nèi)天山起伏，河川縱橫，氣候適宜，土地廣袤，牧草優(yōu)良，資源豐厚，風(fēng)景優(yōu)美，交通便利，具有廣闊發(fā)展前景。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 MODIS數(shù)據(jù)

20世紀(jì)80年代，美國國家航宇局（NASA）為實(shí)現(xiàn)對地球進(jìn)行觀測發(fā)起了一項(xiàng)綜合性項(xiàng)目——地球觀測系統(tǒng)（EOS），并于1999年12月18日發(fā)射了第一顆極地軌道遙感衛(wèi)星Terra（EOS-AM1），相繼發(fā)射第二顆衛(wèi)星Aqua，兩顆衛(wèi)星通過單系列極軌空間平臺對太陽輻射、大氣、陸地、海洋進(jìn)行全面監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)對人類生存環(huán)境長期觀測和研究的戰(zhàn)略目標(biāo)。中分辨率光譜儀（MODIS）相對與其他傳感器具有明顯的優(yōu)勢，優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：①輻射分辨率可達(dá)12 bit，溫度分辨率可達(dá)0.03℃，發(fā)現(xiàn)及時(shí)且監(jiān)測干旱情況更為準(zhǔn)確；②MODIS傳感器每天至少可以對我國大部分區(qū)域進(jìn)行一次采集數(shù)據(jù)，可以快速監(jiān)測干旱的發(fā)生情況，保證了數(shù)據(jù)源的一致性；③MODIS數(shù)據(jù)相對于以前應(yīng)用最廣泛的NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)具有更大的優(yōu)勢，MODIS數(shù)據(jù)在可見光的近紅外波段的范圍較窄，不容易受到外界的干擾，消除了紅外紅外波段水汽吸收后，紅外波段中葉綠體的吸收能力變得更為靈敏。

本文采用的遙感數(shù)據(jù)源正是MODIS溫度產(chǎn)品（LST）數(shù)據(jù)，使用的MODIS數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載MODIS中國區(qū)合成產(chǎn)品的地表溫度月合成產(chǎn)品及NDVI月合成產(chǎn)品，通過LST-NDVI構(gòu)成特性空間，影像數(shù)據(jù)包括2000—2014年每年3—8月的地表白天平均溫度及NDVI值，分別以5月、7月作為春、夏季的代表。

2.2 數(shù)據(jù)處理

MODIS數(shù)據(jù)的預(yù)處理是遙感應(yīng)用最基礎(chǔ)的一個(gè)步驟，預(yù)處理步驟包括投影、輻射矯正、圖形鑲嵌等步驟，從而構(gòu)成植被指數(shù)地表溫度特性空間。本文所用的數(shù)據(jù)為MODIS3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行過幾何矯正和輻射矯正，所以只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形鑲嵌，即利用ENVI5.3進(jìn)行數(shù)據(jù)的裁剪工作，然后計(jì)算地表溫度的范圍值，因?yàn)樵贓NVI中使用的地表溫度數(shù)據(jù)必須為開爾文溫度，最后通過NDVI及地表溫度進(jìn)行TVDI值的計(jì)算，得出LST-NDVI特性空間。

3 結(jié)果與分析

3.1 LST與月平均氣溫相關(guān)性分析

本文采用的數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云下載的MODIS合成產(chǎn)品（LST）數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)與氣象站氣溫?cái)?shù)據(jù)可能存在一定的誤差，所以分析LST與氣象站月平均氣溫的相關(guān)性十分必要，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、結(jié)論的可信性?，F(xiàn)將2004年和2010年4月與7月伊犁10個(gè)氣象站所在范圍的平均LST值作為氣象站LST值與氣象站平均氣溫作做相關(guān)性分析，結(jié)果如圖1所示。

3.2 LST-NDVI特征分析

研究表明，當(dāng)大氣與地理?xiàng)l件不變時(shí)，土壤濕度等因素對地表溫度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽輻射，所以在某段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)研究區(qū)植被覆蓋類型沒有太大變化時(shí)，可以利用連續(xù)年份在同一時(shí)間段的遙感數(shù)據(jù)合成該時(shí)間段內(nèi)的LST-NDVI特性空間，方法如下：①提取每年3—8月的NDVI數(shù)據(jù)及LST數(shù)據(jù)進(jìn)行TVDI計(jì)算，在計(jì)算TVDI前首先對LST數(shù)據(jù)中一些無效數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍值預(yù)處理，因?yàn)橛行┑胤綍?huì)由云層等因素導(dǎo)致無法得出該地區(qū)的溫度值；②選擇NDVI數(shù)據(jù)值范圍，范圍值為0.0～1.0，并選擇輸出路徑計(jì)算出TVDI值，擬合出每個(gè)月的干濕邊方程。

從每年的LST-NDVI特性空間可以看出，NDVI和LST干邊呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，利用其關(guān)系擬合出干邊方程即“熱邊界”，利用最小合成方法選擇出相同NDVI值時(shí)所對應(yīng)的溫度最小值，合成該時(shí)間段內(nèi)的“冷邊界”。

基于以上原理和方法，對數(shù)據(jù)處理后構(gòu)建了研究區(qū)的LST-NDVI特性空間及干濕邊方程。時(shí)間序列為2000—2014年每年3—8月地表溫度-植被指數(shù)特性空間的構(gòu)建，在使用的NDVI影像圖中，水體植被指數(shù)小于0，所以僅考慮歸一化植被指數(shù)大于0的單元。

圖1 LST與月平均氣溫相關(guān)性分析結(jié)果

3.3 TVDI等級劃分與分析

溫度植被干旱指數(shù)（TVDI）的范圍值為0～1，根據(jù)不同地區(qū)的TVDI值可以劃分出不同的干旱等級，TVDI值反映的是地區(qū)干旱程度。張順謙等［13］依據(jù)土壤濕度的旱情級別分類標(biāo)準(zhǔn)，通過線性擬合和反演的方法，得到一個(gè)適合新疆的干旱等級分類標(biāo)準(zhǔn)，本文使用的分級標(biāo)準(zhǔn)正是依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)，即（0.00＜TVDI＜0.67）為無旱，（0.67＜TVDI＜0.74）為輕旱，（0.74＜TVDI＜0.80）為中旱，（0.80＜TVDV＜0.86）為重旱，（0.86＜TVDI＜1.00）為特旱。

根據(jù)2000—2014年每年4月和7月的TVDI等級分布圖可以看出，研究區(qū)15年間春季與夏季干旱區(qū)動(dòng)態(tài)分布趨勢基本一致，無明顯變化，干旱區(qū)分布在盆地十分明顯，沿著盆地周圍逐漸減小，山脈和綠洲周邊較為濕潤，干旱情況較為輕微。而單從季節(jié)來看，因?yàn)橐晾缣厥獾臍夂驐l件，在4月降雨量較為稀疏，造成干旱情況較為嚴(yán)重，干旱面積明顯比夏季大。而夏季，伊犁迎來雨季，降水量迅速增大，植被覆蓋面積也隨之增加，使得干旱程度也明顯減小，干旱面積大大減小。但從整體上看，2000—2014年伊犁的干旱情況基本沒有變化，甚至有些地區(qū)出現(xiàn)過極端干旱，如2013年伊犁大部分地區(qū)出現(xiàn)重旱甚至特旱情況。

從空間上看，伊犁盆地干旱情況發(fā)生較為嚴(yán)重，而無旱區(qū)主要分布在盆地周圍及高山附近。夏季則由于高山融雪及豐富的降水，使得干旱程度減小、干旱面積減少。但整體上伊犁的春季干旱情況明顯高于夏季，盆地高于山地。

3.4 TVDI與地表溫度的相關(guān)性分析

為研究TVDI與氣溫的關(guān)系，采用研究區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)的月平均氣溫，并求得氣象站點(diǎn)所在范圍的TVDI平均值作為該站點(diǎn)的TVDI近似值。本文以2005年4月和7月的氣象數(shù)據(jù)為例，最后分析TVDI與氣溫的關(guān)系。2004年4月和7月月平均氣溫與TVDI相關(guān)性分析見圖2。

圖2 平均氣溫與TVDI相關(guān)性分析結(jié)果

由圖2可以得出，2004年4月和7月的平均溫度與所對應(yīng)的TVDI值呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著溫度的升高，TVDI值也呈現(xiàn)明顯升高的趨勢，4月和7月的相關(guān)系數(shù)分別為0.476、0.327，所以溫度與TVDI的相關(guān)性較高，溫度的變化關(guān)系到TVDI指數(shù)的變化，所以地表溫度對干旱的監(jiān)測和預(yù)測來說極為重要。

3.5 干旱面積所占比重

基于2000—2014年TVDI值計(jì)算得出研究區(qū)春夏季干旱面積比重以及和重、特旱面積比重的變化趨勢，結(jié)果表明2000—2014年伊犁干旱面積比重呈現(xiàn)波動(dòng)變化。春季和夏季存在著明顯的差異，春季干旱面積比重高于夏季干旱面積比重，春季干旱面積比重在2013年達(dá)到峰值，比重約為72%，在2007年達(dá)到低谷，比重為49%，干旱面積基本保持在60%左右。夏季干旱面積在2010年達(dá)到峰值，高達(dá)56%，2004年處于低谷，為17%，主要干旱地區(qū)位于中部大部分盆地，而盆地周圍與邊界山脈附近則較為輕微甚至無旱。春夏季重、特旱面積呈上升趨勢，可見干旱災(zāi)害的發(fā)生已越來越嚴(yán)重，主要特旱地區(qū)分布于中部縣區(qū)，包括霍城縣、察布查爾縣、尼勒克縣。

4 結(jié)論

伊犁雖有“塞外江南”之稱，水資源在新疆內(nèi)較為豐富，但干旱時(shí)有發(fā)生，干旱帶來的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)損失對當(dāng)?shù)厝嗣裆钤斐闪朔浅４蟮挠绊懀?4-16］。本文采用時(shí)間空間分辨率較高的MODIS數(shù)據(jù)，以地表植被-歸一化植被指數(shù)構(gòu)成特性空間為理論基礎(chǔ)，對伊犁進(jìn)行干旱監(jiān)測的研究。本文首先對2000—2014年每年3—8月的MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建特性空間，得到干濕邊方程，并計(jì)算TVDI值，最后以每年4月和7月分表代表春季與夏季得出干旱等級分布圖并進(jìn)行分析，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：①伊犁干旱頻發(fā)的地區(qū)主要集中在中部與西北伊犁盆地附近，而山脈與伊犁河谷附近則較少發(fā)生干旱情況或者干旱程度不是很大；②把計(jì)算得到的TVDI值分為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱，通過分析TVDI分布圖得到多年來伊犁干旱分布趨勢基本一致，春季干旱情況大于夏季干旱情況，盆地干旱嚴(yán)重，盆地外沿及山脈附近干旱多表現(xiàn)為無旱；③2000—2014年，干旱面積比重及重、特旱面積比重呈現(xiàn)月波動(dòng)變化特征，且趨勢基本一致，干旱程度有上升的趨勢，氣象干旱正在逐漸增強(qiáng)。