基于MODIS-TVDI方法的新疆干旱监测研究

发布时间：2020-10-10 08:29

　　区域水分收支或供需不平衡,导致水分短缺而影响到人类生存和经济发展的气候现象,被称为干旱。美国气象学会将干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱,农业作为我国的第一产业,农业干旱的发生会对我国的经济发展造成巨大的影响。运用先进有效的干旱监测方法,对人民生活和社会的经济发展都存在着重要意义。传统的基于气象站点的统计数据对干旱监测不具有及时和精确的特点,相反卫星遥感具有宏观、综合、实时等特点,能够及时、准确、全面地获取大范围区域的干旱情况,利于促进农业生产,使得粮食安全和区域可持续发展得到了保证。本文研究区新疆维吾尔自治区是国家最大的棉花和名优瓜果基地,但是新疆地处干旱-半干旱气候区,这种气候环境加剧了盐渍化的发展,阻碍了农业生产。地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)数据对干旱情况都有揭示作用,若单独使用均存在一定的局限性,而二者结合使用可以通过代表绿色植被对干旱胁迫环境的反应来揭示土壤水分信息,反应植被是否受到了干旱的影响。基于这两个因子构建的二维特征空间,计算出温度-植被干旱指数(TVDI)综合了两个参数分别具有的生态意义。本研究使用中分辨率成像光谱仪(MODIS)遥感数据,10cm、20cm土壤相对湿度气象站点数据作为验证数据,以LST-NDVI特征空间理论为基础,构建了新疆2004-2013年十年间的植被生长期(3-8月)每月的LST-NDVI特征空间,计算出各个月TVDI的干旱变化图。本文充分利用了MODIS数据的高时间分辨率的优势,以及其对大范围区域的干旱监测所满足的空间分辨率要求,从空间和时间两个方面得到了新疆干旱分布和变化情况。研究主要方法和结果如下：(1)从2004到2013年,用五年为一个时间段,分别用最大、最小合成法提取相同植被指数间隔下的3-8月每月最大、最小地表温度,构成新的特征空间边界,最后用线性拟合获得合成特征空间的干、湿边,得到五年合成的LST-NDVI特征空间。根据对单一时段和合成特征空间边界的斜率、截距变化图的分析,确定了原始边界的不稳定性,各个月的截距和斜率年际变化浮动较大。合成干边的截距大于单一时段截距,合成湿边的截距小于单一时段截距,合成的特征空间更加稳定。(2)将计算得到的TVDI分为无旱(0-0.67)、轻旱(0.67-0.74)、中旱(0.74-0.8)、重旱(0.8-0.86)和特旱(0.86-1)五个等级,根据TVDI等级分布图得到新疆多年来的干旱情况分布趋势一致,重、特旱主要分布在新疆的两大盆地(塔里木盆地、准噶尔盆地),沿着盆地向外延伸旱情逐渐减轻,盆地边缘和沿山脉地区的主要干旱等级为无旱、轻旱,重、特旱都分布在戈壁和沙漠地带。每年三月份由于地表温度过低,植被还在生长初期,TVDI对其的监测效果并不理想,包含多处无值像素点。随着时间接近8月,气温逐渐上升和植被生长,无值像素点减少,干旱面积也有扩大趋势。(3)分析2013年8月TVDI指数分别与地表温度、植被指数的相关性发现,TVDI与地表温度的相关性达到0.989,而TVDI与植被指数的相关性仅为0.409,远低于TVDI对地表温度的响应,结果表明植被指数反应旱情的能力有限,而TVDI对地表温度的变化更加敏感,用地表温度对干旱进行评估更有可取性。(4)用21-24个气象站点10cm和20cm土壤相对湿度数据对2012年TVDI进行验证。10cm土壤相对湿度数据和‘TVDI呈负相关,相关系数绝对值大于0.617,即TVDI值越高,土壤相对湿度越低。20cm土壤相对湿度与TVDI无明显相关性,这反映了TVDI对干旱监测有可靠性,10cm土壤相对湿度比20cm土壤相对湿度更能反应研究区的干旱情况。(5)由2004-2013年中研究区干旱面积所占全区比重的变化曲线看出,各月的干旱面积比重呈波动变化,波动范围在33%-67%,但是根据趋势线看出其变化趋势平稳,保持在59%左右。重、特旱面积比重变化趋势与干旱面积比重变化一致,二者的峰值和低值基本出现在同月,重、特旱面积比重的变化范围在2%-33%之间,根据趋势线看出重、特旱面积比重呈轻微上升趋势,由16%升高到20%,2009年的比重下降是由于春夏季新疆的气温持续偏低,而2011年比重上升是由于高温和洪涝、冰雹等影响。(6)各月TVDI与多年各月TVDI均值的差值揭示了研究区的大部分地区2004-2014年的TVDI等级分布趋势一致,变化范围在-700～700之间,变化起伏剧烈区域仅位于局部地区,变化最明显的地区是南疆塔里木盆地边缘和北疆沿天山一带。常年处于强旱的地区TVDI变化起伏不大,而植被生长较为茂盛的绿洲地区才是TVDI起伏较大的地区,结果揭示了干旱监测重点需要关注的植被生长茂盛地区。由于气温较往年偏高、降水稀少,2007年的南疆和2008年北疆的TVDI距平都呈现在500～900的范围内。(7)基于TVDI均值的春季(3-5月)和夏季(6-8月)干旱情况有明显的变化,夏季的无旱面积明显低于春季,并且重、特旱面积也远远高于春季,TVDI的季节性变化主要是由于夏季地表温度的升高和植被长势的转好,这点结果再次印证了地表温度对TVDI干旱监测的重要作用。
【学位单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：P407;P426.616
【部分图文】：

全球,网格划分,波段,基本参数

大范围、长期、动态的干旱监测ＵＷ。ＭＯＤＩＳ的基本参数如表１所示；逡逑表１邋ＭＯＤＩＳ探测器基本参数逡逑Ｔａｂｌｅ邋１邋Ｔｈｅ邋ｂａｓｉｃ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋ＭＯＤＩＳ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑参数名称逦参数指称逡逑轨道逦７０５ｋｍ，逦１０：邋３０ａｍ邋ｔＴＥ民ＲＡ），１：逦３０ｐｍ邋（ＡＱＵＡ＞邋？与太Ｗ同ki，近极地脚轨逡逑道逡逑带宽逦２巧０ｋｍ邋（垂孰）ＸｌＯｋｒａ邋（星下点顺轨）逡逑扫描速串逦２０．３转／分钟，垂岂于轨道逡逑望远镜逦直径１７７８ｃｍ逦逡逑体积逦ｌ．ＯｍＸ邋１．目ｍＸ邋１．邋Ｏｍ逡逑里量逦２７４ｋｇ逡逑功耗逦２巧Ｗ逡逑数据率逦平均６．２Ｍｂｐｓ；白天１０．８Ｍｂｐｓ；夜间２，巧Ｍｂｉｔｓ逡逑量化逦１化化逡逑空间分辨率逦２５０ｍ邋（１－２波段）：５００ｍ邋（３－７波段）；１０００ｍ邋（８－３６波段）逡逑设计寿命逦＾逦逡逑

分布图,发射率,裸地,新疆

２分损失，这个行为会降低地表的潜热通量，增加地表感热通量，从而使植被冠层逡逑的温度升高，由此可Ｗ认为植被冠层温度的升高也揭示了植被正在受到水分胁逡逑迫，同时揭示了周围环境存在干旱情况。植被覆盖度低的地区和裸地会在±壤含逡逑水量减少时，主壤的热容量同时降低，±壤所接收到太阳福射后温度更容易使地逡逑表温度升高，所Ｗ裸地地表温度的升高揭示了止壤的干旱情况。结合Ｗ上两个方逡逑面可Ｗ得出，地表温度可用于干旱监测Ｕ＂。逡逑本研究所使用的地表温度数据是Ｍ０Ｄ１１Ａ２空间分辨率为化ｍ，时间间隔为逡逑八天的陆地表面温度合成产品，是由Ｗａｎ等人基于劈窗算法（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ逡逑ｓｐｌｉｔ－ｗｉｎｄｏｗ邋ＬＳＴ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）邋口５哺昼夜算法［＂坛用ＭＯＤＩＳ数据反演得到的，其中逡逑包括了白天地表温度、夜间地表温度、３１波段通道发射率、３２波段通道发射率逡逑和其他辅助数据。逡逑用２０１３年８月Ｍ０Ｄ１１Ａ２数据合成新疆地表温度分布图（图３），将地表温逡逑度划分为１２个等级，图中显示新疆的地表温度范围在－ｌＯ’Ｃ？５５°Ｃ，空间分布是逡逑由盆地（沙漠）的高温地区向非盆地地区温度逐渐降低，直到沿山脉一带处于低逡逑温环境。逡逑

特征空间

散点图中横坐标为ＮＤＶｌ，纵坐标为ＬＳＴ邋（摄氏度）。从图中可Ｗ明显看到，逡逑十年里Ｈ月的ＮＤＶＩ值较低，多集中在０－０．６之间，地表大部分处于少量植被覆逡逑盖的状态，随着月份的增加，ＮＤＶＩ的范围也明显增大，最高值超过０．９，所构成逡逑的ＬＳＴ－ＮＤＶＩ特征空间也随之向ＮＤＶＩ高值区扩展，并且越接近８月，特征空间构逡逑成的兰角形也更加明显和完整。但无论是何月份，各年份的ＬＳＴ－ＮＤＶＩ特征空间逡逑的结构特征之间有较大差异，也并不稳定。造成送种同时段、同区域的ＬＳＴ－ＮＤＶＩ逡逑特征空间差异较大的原因众多，但根据前文所述的定义可知，ＬＳＴ－ＮＤＶＩ特征空间逡逑是由±壤湿度范围和地表植被覆盖程度所决定，若观测期内地表状况持续偏干逡逑燥，则实际蒸散无法达到潜在蒸散，即地表无法达到从无蒸散到潜在蒸散的范围逡逑条件，那么各个间隔的ＮＤＶＩ值对应的最小地表温度组成的湿边就会高于特征空逡逑间的理论湿边，反之同理。ＬＳＴ－ＮＤＶＩ特征空间也会受到卫星观测数据质量的影响，逡逑若观测期内天气晴朗日数少，云对卫星图像产生的影响较大，可能得到的地表温逡逑度和植被指数都会偏低。若观测期内卫星观测角度持续偏大，所得到的植被指数逡逑也可能偏高，这些原因都会导致所得的观测图像数据的代表性不足，造成逡逑ＬＳＴ－ＮＤＶＩ特征空间的不稳定，监测结果的误差也会随么增大，甚至无法使用。逡逑

【参考文献】