歸一化水體指數(shù)用于河南省干旱監(jiān)測(cè)適用性分析

谷佳賀，薛華柱，董國濤，程結(jié)海

(1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國土信息學(xué)院，河南 焦作 454003；2.黑河水資源與生態(tài)保護(hù)研究中心，甘肅 蘭州 730030)

干旱是一種發(fā)展緩慢的自然災(zāi)害，是我國乃至世界上許多國家主要的自然災(zāi)害之一，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及居民生活造成嚴(yán)重的影響[1]。在全球變暖的背景下，干旱有加劇態(tài)勢(shì)，因此干旱監(jiān)測(cè)也成為全球關(guān)注的重點(diǎn)問題[2-3]。衛(wèi)星遙感具有覆蓋范圍廣、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)[4]，是近些年來較有效的技術(shù)手段之一[5]，可用于監(jiān)測(cè)大范圍的土壤濕度和植被生長狀況[6]。MODIS(moderate-resolution imaging spectroradiometer)數(shù)據(jù)具有高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、適中空間分辨率的特點(diǎn)[7]，近年來在旱情監(jiān)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

國內(nèi)外學(xué)者利用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建了不同的指數(shù)對(duì)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，彭擎等[9]采用MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)和地表溫度(LST)數(shù)據(jù)分析了新疆2000—2015年生長季3個(gè)階段NDVI與LST的時(shí)空變化特征及相關(guān)關(guān)系；Seo-Yeon Park等[10]利用MODIS地表溫度(LST)、植被健康指數(shù)(VHI)、蒸散發(fā)以及降水?dāng)?shù)據(jù)應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)并評(píng)估了其適用性，確定了不同時(shí)間尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)與干旱指數(shù)之間的相關(guān)性，可間接應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或水文干旱監(jiān)測(cè)；劉英等[11]以MODIS NDVI和LST數(shù)據(jù)構(gòu)建了溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)模型并分析了2000—2016年間陜西省旱情時(shí)空分布特征和規(guī)律。Zhang等[12]根據(jù)我國2000—2014年的MOD13A3 NDVI和MOD16A2 ET/PET數(shù)據(jù)集，計(jì)算了干旱嚴(yán)重程度指數(shù)(DSI)并將其用于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)，為DSI在中國乃至世界其他地區(qū)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)；劉一哲等[13]采用模糊數(shù)學(xué)法建立了基于MODIS TVDI的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藏北地區(qū)春夏旱情的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)并分析旱情的時(shí)空變化特征。Khan等[14]利用MODIS NDVI與LST數(shù)據(jù)計(jì)算得到植被溫度條件指數(shù)(VTCI)并采用地理空間近實(shí)時(shí)耦合(NRTC)方法對(duì)巴基斯坦Punjab平原干旱進(jìn)行了研究。楊波等[15]利用MODIS增強(qiáng)植被狀態(tài)指數(shù)(EVCI)和溫度狀態(tài)指數(shù)(TCI)建立了干旱狀態(tài)指數(shù)(DCI)，將該指數(shù)應(yīng)用于湖南省農(nóng)作物的旱情監(jiān)測(cè)并得到了旱情等級(jí)的空間分布圖。

NDVI在進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)時(shí)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但NDVI在監(jiān)測(cè)干旱時(shí)不能及時(shí)反映土壤水分含量，只有當(dāng)水分脅迫十分嚴(yán)重進(jìn)而阻礙了作物生長時(shí)才會(huì)引起NDVI值的顯著變化，這表明NDVI對(duì)重旱有較好的反映[16]，因此NDVI對(duì)土壤水分的反映以及應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)具有一定的滯后性[17-18]。有研究表明，在高緯度、高海拔地區(qū)，尤其是作物生長的前期和后期，基于NDVI-LST特征空間的TVDI模型可能并不適用[19]。歸一化水體指數(shù)(NDWI)一般用于識(shí)別水體目標(biāo)，NDWI對(duì)植被冠層含水率比NDVI更為敏感，在短期干旱監(jiān)測(cè)中，NDWI能及時(shí)地反映旱情的時(shí)空變化[20]。

河南省是我國的農(nóng)業(yè)大省，糧食年產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的10%左右，是我國糧食重要生產(chǎn)地區(qū)[21]。近年來，在全球變暖的背景下，該地區(qū)的干旱災(zāi)害日益嚴(yán)重，對(duì)糧食生產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅，干旱問題研究亟待加強(qiáng)[22]。準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)干旱的發(fā)生時(shí)間、發(fā)展程度和影響范圍,對(duì)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、維持區(qū)域和諧穩(wěn)定具有重要意義。2014年河南省大部分地區(qū)遭受百年不遇的大旱，因此本文選取2014年MODIS觀測(cè)數(shù)據(jù)從時(shí)間和空間尺度上分別分析NDWI與實(shí)測(cè)土壤相對(duì)濕度之間的相關(guān)性，根據(jù)相關(guān)系數(shù)來評(píng)價(jià)NDWI用于河南省干旱監(jiān)測(cè)的適用性。

1 研究區(qū)概況

河南省位于我國中東部、黃河下游，地處北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′之間，總面積達(dá)16.7萬km2。河南省地勢(shì)西高東低，由平原、盆地、山地、丘陵等構(gòu)成，具有獨(dú)特的地理位置和復(fù)雜的地貌特征。大部分地區(qū)氣候處于暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬于大陸性季風(fēng)氣候。在北亞熱帶向暖溫帶氣候過渡、自東向西由平原向丘陵山地氣候過渡過程中，受季風(fēng)型氣候的影響，降雨分布不均勻[23]，具有四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣和旱澇災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。全省由北向南平均氣溫為12.1～15.7℃，年均降水量532.5～1 380.6 mm，降雨以6—8月份為主[24]。河南省主要土地利用類型以耕地為主。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理 本文使用的MODIS數(shù)據(jù)來源于美國國家航天局NASA網(wǎng)站LAADS DAAC數(shù)據(jù)中心(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，時(shí)間為2014年，編號(hào)為H27V05。MOD09A1、MYD09A1反射率產(chǎn)品提供了波段1-7的500 m分辨率8 d合成的反射率數(shù)據(jù)，MOD13A1、MYD13A1數(shù)據(jù)為16 d合成的500 m空間分辨率植被指數(shù)產(chǎn)品。其中，MOD為Terra衛(wèi)星產(chǎn)品，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間約為地方時(shí)上午10∶30，MYD為Aqua衛(wèi)星產(chǎn)品，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間約為地方時(shí)13∶30。由于同一天Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星過境時(shí)間不一樣，可在MOD產(chǎn)品出現(xiàn)缺失值時(shí)利用MYD產(chǎn)品對(duì)其進(jìn)行填補(bǔ)生成較為連續(xù)的數(shù)據(jù)集。以上MODIS數(shù)據(jù)利用MRT處理工具對(duì)其進(jìn)行波段提取、投影及格式轉(zhuǎn)換。

Landsat8 OLI數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(https://earthexplorer.usgs.gov/)，其可見光波段數(shù)據(jù)分辨率為30 m。本研究選取2013—2015年植被生長季(6—9月)，條代號(hào)為(122-126，35-38)共12景數(shù)據(jù)，生成河南省30 m分辨率的NDVI分布圖，用于分析觀測(cè)站點(diǎn)周圍地表的異質(zhì)性。

2.1.2 測(cè)站土壤水分?jǐn)?shù)據(jù) 土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)來源于河南省氣象局，監(jiān)測(cè)深度為10、20、30、40 cm和50 cm，共有162個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)。選取2014年每天的實(shí)測(cè)土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，剔除缺測(cè)土壤層的數(shù)據(jù)點(diǎn)和有明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)剩余148個(gè)站點(diǎn)(圖1)，根據(jù)MODIS產(chǎn)品時(shí)間尺度將其以8 d進(jìn)行平均，用于驗(yàn)證NDWI的干旱監(jiān)測(cè)精度。

圖1 河南省氣象站分布圖

2.2 植被指數(shù)計(jì)算及預(yù)處理

2.2.1 歸一化水體指數(shù) 歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)是基于近紅外波段與綠波段建立的歸一化比值指數(shù)[25]，在利用遙感影像提取水體方面應(yīng)用十分廣泛。計(jì)算公式如下：

(1)

式中，ρNIR、ρSWIR分別為近紅外波段、短波紅外波段的反射率。本研究利用MODIS第2波段和第5波段數(shù)據(jù)計(jì)算NDWI。

2.2.2 增強(qiáng)型植被指數(shù) 增強(qiáng)型植被指數(shù)(enhanced vegetation index,EVI)是目前應(yīng)用比較廣泛的植被指數(shù)，它利用背景調(diào)節(jié)參數(shù)L和大氣修正參數(shù)C1、C2同時(shí)減少背景和大氣的作用，對(duì)氣溶膠等殘留做了進(jìn)一步改正，并具有消除土壤背景和大氣影響的優(yōu)勢(shì)。其計(jì)算公式如下：

(2)

式中，ρBLUE和ρRED分別為藍(lán)光和紅光波段反射率，L為土壤調(diào)節(jié)參數(shù)，C1和C2為擬合系數(shù)。MODIS EVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)反演過程中，L=1，C1=6，C2=7.5。EVI時(shí)間序列季節(jié)性明顯，能夠更好地反映高植被覆蓋區(qū)的季節(jié)性變化特征，并且很少有突降現(xiàn)象，時(shí)間序列曲線較平滑[26]。

2.3 研究方法

2.3.1 圖像信息熵 信息熵常被用來作為一個(gè)系統(tǒng)信息含量的量化指標(biāo)，從而可以進(jìn)一步用來作為系統(tǒng)方程優(yōu)化的目標(biāo)或者參數(shù)選擇的判據(jù)。其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，H(X)是求得的信息熵的值；P(x)表示x在計(jì)算范圍內(nèi)出現(xiàn)的概率。由信息熵的定義可知，一個(gè)系統(tǒng)越有序，信息熵就越低；反之，一個(gè)系統(tǒng)越混亂，信息熵就越高[27]。對(duì)于圖像而言，系統(tǒng)有序表示灰度值相同或相近，反之表示灰度值相差較大。對(duì)NDVI圖像灰度圖而言，若灰度值相同或相近，可表明地物相同或相似，灰度值不同則表明地物類型不同。

利用土壤水分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基于MODIS數(shù)據(jù)計(jì)算的NDWI用于農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)適用性進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)選擇像元范圍內(nèi)下墊面較為單一的站點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于建筑物與植被的反射率不同，通過30m分辨率NDVI影像很容易區(qū)分。本文利用NDVI圖像信息熵方法對(duì)氣象站點(diǎn)進(jìn)行篩選，以氣象站所在像元為中心計(jì)算33*33窗口內(nèi)圖像的信息熵值，根據(jù)熵值大小判斷站點(diǎn)周圍地表異質(zhì)性。

2.3.2 時(shí)間序列諧波分析法 時(shí)間序列諧波分析法(harmonic analysis of time series，HANTS)用于對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，它能夠充分利用遙感影像的時(shí)間性和空間性，將空間上的分布規(guī)律和時(shí)間上的變化規(guī)律聯(lián)系起來。本文利用ENVI提供的HANTS工具對(duì)EVI進(jìn)行了時(shí)間序列平滑，該方法通過最小二乘法的迭代擬合去除時(shí)序EVI值中受云污染影響較大的點(diǎn)，借助于傅立葉在時(shí)間域和頻率域的正反變換實(shí)現(xiàn)曲線的分解和重構(gòu)可生成較為平滑的EVI數(shù)據(jù)集。HANTS方法充分考慮了植被生長周期性和數(shù)據(jù)本身的雙重特點(diǎn)，可真實(shí)反映植被的周期性變化規(guī)律，平滑前后如圖2所示。

圖2 EVI平滑前后對(duì)比圖

2.3.3 相關(guān)性分析 本文通過計(jì)算氣象站點(diǎn)的土壤濕度數(shù)據(jù)和NDWI的相關(guān)系數(shù)，評(píng)價(jià)NDWI在河南省的干旱監(jiān)測(cè)能力。相關(guān)系數(shù)的取值范圍在[-1,1]之間，其絕對(duì)值越大表明相關(guān)程度越高，正(負(fù))號(hào)代表兩個(gè)變量之間呈正(負(fù))相關(guān)性。干旱指數(shù)與土壤濕度之間的相關(guān)程度，用于表征某種干旱指數(shù)是否能夠準(zhǔn)確反映土壤的干濕狀況[28]。

3 結(jié)果與分析

3.1 觀測(cè)站點(diǎn)異質(zhì)性評(píng)價(jià)

本文采用NDVI圖像信息熵方法分析了觀測(cè)站點(diǎn)1 km2范圍內(nèi)的地表異質(zhì)性，利用Google Earth查看氣象站周圍環(huán)境并與信息熵計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDVI圖像信息熵的大小與站點(diǎn)周圍的均勻程度具有較好的一致性，表1為輝縣等6個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的NDVI圖像信息熵，各站點(diǎn)對(duì)應(yīng)周邊如圖3所示。

圖3 不同站點(diǎn)周圍環(huán)境分布

表1 不同站點(diǎn)的信息熵值

3.2 NDWI與土壤水、植被覆蓋關(guān)系分析

在干旱發(fā)生時(shí)，大氣相對(duì)濕度、氣溫與植被受水分脅迫相關(guān)。氣溫越高，大氣相對(duì)濕度越小，則植被受水分脅迫也越嚴(yán)重。圖4為2014年開封市大后莊站點(diǎn)土壤水分、NDWI與EVI的變化趨勢(shì)圖。此站點(diǎn)位于開封市南部，地處中原腹地，地勢(shì)平坦、土壤肥沃，適宜各類農(nóng)作物種植，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。由圖4可知，NDWI與土壤相對(duì)濕度的變化呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性。EVI隨時(shí)間呈現(xiàn)波動(dòng)性變化趨勢(shì)，首次波峰出現(xiàn)在第73天，波谷出現(xiàn)在第129天，土壤水分在此區(qū)間變化狀態(tài)總體上呈增長狀態(tài)，波動(dòng)情況比較明顯，NDWI的增長趨勢(shì)則較為平緩。EVI在第193、257天達(dá)到最大值和最小值，分別為0.70、0.09。由于受降雨的影響，土壤水分的波動(dòng)變化較大，但NDWI對(duì)其負(fù)相關(guān)性依舊不變?？傮w來說，NDWI與土壤水分呈負(fù)相關(guān)性,在EVI值較大的情況下負(fù)相關(guān)性更加明顯。

圖4 大后莊站點(diǎn)NDWI、SM10、EVI年變化情況

3.3 時(shí)間序列相關(guān)性分析

為驗(yàn)證NDWI的干旱監(jiān)測(cè)能力，選取地表異質(zhì)性較小的站點(diǎn)，將EVI的閾值設(shè)為0.4并利用NDWI與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5)。大后莊、后李、留固、正陽、董天龍氣象站點(diǎn)均勻分布在河南省平原區(qū)域，受地勢(shì)起伏影響較小且植被長勢(shì)較好，NDWI與土壤相對(duì)濕度有較好的相關(guān)性，決定系數(shù)R2均能達(dá)到0.4以上。在EVI>0.4時(shí)，大后莊、后李和留固的NDWI與土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性均大于EVI<0.4的情況，正陽和董天龍站在兩種狀態(tài)下的相關(guān)性基本相同。社旗站點(diǎn)位于河南省西南部南陽盆地東部，地形平緩，植被覆蓋度相對(duì)較高，NDWI指數(shù)對(duì)土壤水分的反映較好。欒川、走馬嶺、梁莊等站點(diǎn)位于河南省西部，地形以山脈、丘陵為主，土壤相對(duì)濕度與NDWI的決定系數(shù)R2分別為0.253、0.175、0.084，說明地形的復(fù)雜多樣以及小范圍氣候帶的差異性往往會(huì)對(duì)遙感監(jiān)測(cè)帶來一定的影響，海拔較高地區(qū)對(duì)光譜反射率的準(zhǔn)確性造成誤差，從而影響NDWI指數(shù)對(duì)土壤水分的監(jiān)測(cè)。整體來看，NDWI與土壤水分呈負(fù)相關(guān)性且在平原區(qū)域相關(guān)性較好，在植被覆蓋高(EVI>0.4)的區(qū)域NDWI對(duì)土壤水分的反演更為敏感。

圖5 NDWI與土壤相對(duì)濕度時(shí)間序列相關(guān)性

3.4 空間尺度相關(guān)性分析

河南省各地地形、氣候、土壤類型均有所區(qū)別，豫南山地以及整個(gè)西部區(qū)域地形復(fù)雜、海拔較高、氣候多樣，再加上山地丘陵區(qū)與平原地區(qū)土壤持水能力的不同，對(duì)遙感數(shù)據(jù)所計(jì)算的NDWI指數(shù)有一定的影響，NDWI指數(shù)對(duì)土壤水分的相關(guān)性可能有一定的差異。為了減小氣候、土壤類型等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，根據(jù)地形特征將河南省分為北部、中部、南部、西部，安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作為北部地區(qū)，鄭州、開封、商丘、許昌、漯河、周口為中部地區(qū)，駐馬店和信陽為南部區(qū)域，西部地區(qū)有三門峽、洛陽、南陽和平頂山。隨機(jī)選取第121、201、313天數(shù)據(jù)計(jì)算不同區(qū)域NDWI與實(shí)測(cè)土壤相對(duì)濕度之間的相關(guān)性以分析NDWI在河南省干旱監(jiān)測(cè)中的適用性。

圖6展示了第121、201、313天空間上4個(gè)區(qū)域的NDWI指數(shù)與土壤水分的相關(guān)性。由圖6可知，第121天時(shí)NDWI與土壤水分的相關(guān)性由高到低依次是北部、中部、南部、西部，決定系數(shù)R2依次為0.2998、0.2839、0.1372、0.0811。植被高覆蓋區(qū)域主要集中在北部地區(qū)鶴壁、新鄉(xiāng)和中部地區(qū)商丘、周口、漯河以及南部地區(qū)駐馬店，這3個(gè)區(qū)域地勢(shì)均相對(duì)較為平坦，NDWI與土壤水分的相關(guān)性較高。南部地區(qū)水系較其他區(qū)域發(fā)達(dá)，植被覆蓋度高于其他區(qū)域，因此NDWI與土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性也較高。而西部地區(qū)地形較為復(fù)雜，NDWI與土壤水分相關(guān)性低于其他區(qū)域，說明NDWI更適用于平原地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)。河南省植被的生長季一般位于3—9月份，第201天正是植被快速生長階段，北部和中部地區(qū)NDWI與土壤相對(duì)濕度之間仍然呈負(fù)相關(guān)，決定系數(shù)分別為0.206和0.255。然而在南部和西部地區(qū)NDWI與土壤水分呈現(xiàn)正相關(guān)性，與理論相矛盾，可見由于地形和其他未知因素影響了兩者之間的相關(guān)性，NDWI在山地丘陵地進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)適用性較差。北部、中部、南部和西部地區(qū)第313天土壤水分與NDWI的決定系數(shù)依次是0.165、0.163、0.482、0.139，該時(shí)間4個(gè)區(qū)域NDWI與土壤水分的相關(guān)關(guān)系仍然為負(fù)相關(guān)，北部和中部地區(qū)相關(guān)性仍然高于西部地區(qū)，但南部地區(qū)相關(guān)性最高。由于受天氣影響，該時(shí)間內(nèi)南部地區(qū)無云覆蓋的觀測(cè)站點(diǎn)較少，該相關(guān)性不能完全代表整個(gè)區(qū)域。再一個(gè)可能的原因是南部地區(qū)第313天內(nèi)溫度和植被覆蓋要高于其他地區(qū)，因而該區(qū)域內(nèi)NDWI與土壤水分的相關(guān)性高于其他區(qū)域。

圖6 NDWI與土壤相對(duì)濕度空間相關(guān)性

3.5 基于NDWI干旱情況分析

2014年為河南省特大干旱年，各月份NDWI的空間分布及變化趨勢(shì)如圖7所示?？傮w來說，在時(shí)間和空間上均體現(xiàn)出了全年干旱變化情況，4—8月份全省較為干旱，在8月26—30日期間，河南省大部分地區(qū)有較大降雨后，對(duì)比圖7中8、9月份兩個(gè)月的NDWI分布圖可以看出，9月份的NDWI值明顯降低，說明地表土壤水分含量增加，全省旱情得到緩解。

圖7 河南省2014年不同時(shí)期NDWI空間分布圖

在豫北山地以東、豫東平原、豫南山地以北區(qū)域NDWI值均呈現(xiàn)較低趨勢(shì)，表明土壤含水量較大，地區(qū)較為濕潤。11月、12月及翌年1月為冬季，土壤較為濕潤的地區(qū)主要集中在豫北山地，即太行山脈附近、伏牛山、熊耳山、小秦嶺、豫南山地等山地地區(qū)。此時(shí)其他地區(qū)莊稼均已收割，冬季作物剛播種下去，地表植被覆蓋度較低，而山區(qū)植被類型大多為林地，此時(shí)植被覆蓋度要高于其他平原地區(qū)，在相同的降雨條件下，山地林區(qū)比平原地區(qū)具有更強(qiáng)的保水能力；同時(shí)，低海拔地區(qū)地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用強(qiáng)烈，對(duì)土壤水的消耗作用較大，而高海拔地區(qū)溫度較低，對(duì)地表蒸散發(fā)具有一定的限制作用，土壤水分的消耗相對(duì)較少[29]。因此在11月、12月及翌年1月山地的NDWI明顯低于其他平原地區(qū)。

4 討 論

利用地面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)時(shí)，兩者尺度不同，直接驗(yàn)證會(huì)存在誤差，地表異質(zhì)性越強(qiáng)，誤差越大。本文提出利用NDVI圖像信息熵值對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行篩選，通過和Google Earth圖像對(duì)比，該方法效果較好，可用于其他衛(wèi)星遙感產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)站點(diǎn)異質(zhì)性分析，其操作比半變異函數(shù)更為簡(jiǎn)單。

NDWI可有效指示植被冠層的含水量信息，在植被受水分脅迫時(shí)，指示效果比NDVI敏感，可用于進(jìn)行大范圍的干旱監(jiān)測(cè)，選用歸一化水體指數(shù)NDWI法，還可最大限度地消除植被和土壤等信息從而提高精度[30]?？傮w上，NDWI與冠層含水量呈負(fù)相關(guān)，且植被覆蓋度越高相關(guān)性越好。本文利用地面觀測(cè)土壤相對(duì)濕度驗(yàn)證NDWI用于干旱監(jiān)測(cè)的精度，土壤相對(duì)濕度較低時(shí)，植被冠層開始受水分脅迫，但脅迫過程存在一定的延時(shí)性，而NDWI指示的是植被冠層的含水量信息，利用觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度驗(yàn)證時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在地形較為復(fù)雜的地區(qū)，衛(wèi)星遙感觀測(cè)精度會(huì)有所降低，NDWI用于干旱監(jiān)測(cè)的精度比平原地區(qū)有所降低，應(yīng)對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行地形校正后再使用。河南省大部分地區(qū)為平原，西部三門峽及洛陽部分地區(qū)為山地，其余信陽、新鄉(xiāng)、焦作等地有少量山地，利用NDWI進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)具有可行性。

2014年為河南省特大干旱年份，NDWI較好的反映出了該年份干旱的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。本文研究結(jié)果可為不同地表大范圍遙感干旱監(jiān)測(cè)提供了參考，且更易于實(shí)施。

5 結(jié) 論

本文以NDWI對(duì)2014年河南省干旱情況進(jìn)行研究，結(jié)合EVI并利用實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)了NDWI在時(shí)間和空間上干旱監(jiān)測(cè)的能力。研究結(jié)果表明：

(1)利用NDVI圖像信息熵的方法也能夠很好地表達(dá)河南省氣象站周圍的地表異質(zhì)性程度，從而對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選，其可作為地表異質(zhì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用該指標(biāo)有效篩選出地表真實(shí)性檢驗(yàn)研究工作中所需的較為均勻的研究區(qū)。

(2)時(shí)間序列上，同一地點(diǎn)的NDWI與土壤水分之間有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在植被覆蓋度高的區(qū)域，NDWI對(duì)植被含水量的反演更為敏感，可有效監(jiān)測(cè)植被干旱程度。

(3)通過對(duì)河南省不同區(qū)域的NDWI與土壤水分觀測(cè)值的比較發(fā)現(xiàn)，地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，NDWI能夠最大限度地消除植被和土壤等信息的影響，利用其進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)具有很好的適用性。在地形較為復(fù)雜的區(qū)域，監(jiān)測(cè)精度有所降低，具體原因有待進(jìn)一步研究。

(4)通過NDWI分析2014年河南省干旱程度，干旱區(qū)域主要集中在中西部地區(qū)和北部地區(qū)，南部地區(qū)所受干旱影像程度較小，8月底有大范圍降雨時(shí)全省旱情才得到緩解。NDWI監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相吻合，可用于河南省尤其是平原地區(qū)大區(qū)域范圍的干旱監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高重要信息。