第 32 卷第 1 期 2014 年 2 月干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.32 No.1 Feb,2014 李峰, 赵玉金, 赵红, 等.FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用 [J]. 干旱气象,2014,32(1):17-22,[LIFe

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前锡武
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1 第 32 卷第 1 期 2014 年 2 月干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.32 No.1 Feb,2014 李峰, 赵玉金, 赵红, 等.FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用 [J]. 干旱气象,2014,32(1):17-22,[LIFeng,ZHAOYu jin,zhaohong,etal.applicationoffy-3a/mersisatelitedataoncropdroughtmonitoringinshandongprovince[j].journalofaridmeteorolo gy,2014,32(1):17-22],doi: /j.isn (2014) FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用李峰, 赵玉金, 赵红, 崔晓飞 ( 山东省气候中心, 山东济南 ) 摘要 : 干旱是影响社会发展和农业生产的主要气象灾害之一利用中国新一代极轨气象卫星 FY- 3A 上搭载的 250m 中分辨率光谱成像仪 (MERSI) 数据, 基于垂直干旱指数 (PDI), 结合山东省旱情统计数据, 建立了适合山东省的 PDI 干旱指数分级标准, 在此基础上对山东省 2010~2011 年秋冬季的干旱状况进行了监测, 并将监测结果与同期的降水温度和干旱监测资料以及 19 个国家级农气站的土壤相对湿度资料进行对比分析结果表明 : 基于 FY-3A/MERSI250m 分辨率卫星资料计算的 PDI 能够客观反映山东省旱情的空间分布和动态发展过程 PDI 与对应实地观测的 10cm 20cm 土壤相对湿度之间有较好的负相关性, 且 20cm 的土壤相对湿度较 10cm 的土壤相对湿度与 PDI 的相关关系更稳定因此, 利用 FY-3A/MERSI 卫星资料监测山东省干旱状况具有可行性, 适于在干旱监测业务中推广应用关键词 :FY-3A/MERSI 数据 ; 垂直干旱指数 (PDI); 土壤相对湿度 ; 山东省文章编号 : (2014) doi: /j.isn (2014) 中图分类号 :S423 文献标识码 :A 引言干旱是我国主要的自然灾害之一, 不仅会使农业受灾, 还会影响到工业生产城市供水等此外, 干旱还会对生态系统和环境造成极大破坏, 导致植被覆盖率减少, 自然绿洲萎缩, 草场退化, 土地沙漠化严重等诸多不利影响 [1-4] 山东省属典型的暖温带季风气候, 四季分明, 受季风影响极大, 属水资源短缺省份, 有十年九旱之说 2010~2011 年秋冬季期间 (11 月至次年 2 月 ), 山东省出现严重的秋冬连旱天气, 特别是从鲁南到鲁北半岛到内陆山区到平原同时遭遇干旱情况是历史上罕见的, 其中以鲁南鲁中和半岛地区最为严重此次干旱过程是自 1951 年山东省有气象水文纪录以来无有效降水持续时间最长覆盖范围最大的干旱, 创下了新中国成立以来同期之最, 对生态环境和经济发展都造成极大的危害 [5-7] 因此, 如何及时有效准确地监测干旱已成为当前亟待解决的问题遥感具有覆盖范围广空间分辨率高重访周期短数据获取快捷方便等优点与地面观测相比, 借助遥感技术进行大范围旱情动态监测具有一定的优势 [8] 由于农田干旱在遥感影像上呈现出独特的光谱特征, 自 20 世纪 70 年代以来, 众多学者从可见光近红外 [9-10] [11-12] [13-14] 热红外和微波波段中提取能够表征农田生态特征的遥感信息, 构建了大量的基于多维光谱特征空间的干旱遥感监测模型, 为大面积干旱监测提供了有效的方法我国第二代极轨气象卫星风云三号 (FY- 3A) 共搭载了 11 个传感器, 其中的中分辨率成像仪 (MERSI) 具有 5 个 250m 分辨率通道和 15 个 1km 分辨率通道与 NOAA/AVHRR 和 EOS/ MODIS 相比, 具有更加精细的地物观测能力, 为干旱的监测提供了新的遥感数据源, 干旱监测的空间分辨率可达到 250m [15] 国内部分研究者利用 FY-3A/MERSI 数据开展了干旱监测的研收稿日期 : ; 改回日期 : 基金项目 : 山东省气象局重点课题 (2008sdqxz06) 和国家公益性行业 ( 气象 ) 科研专项 (GYHY ) 共同资助作者简介 : 李峰 (1981-), 男, 汉族, 山东聊城人, 工程师, 主要从事生态环境遥感技术应用研究. lfeng1029@163.com

2 18 干旱气象 32 卷 [16] 究如, 朱琳等利用 FY-3A/MERSI 数据反演了垂直干旱指数 PDI(PerpendicularDroughtIn dex), 并将其应用到内蒙古自治区的干旱监测研究中, 获得的干旱分布状况和实际干旱情况基本 [17] 一致 ; 王颖等利用 FY-3A/MERSI 数据, 基于植被供水指数 VSWI(VegetationSupplyWaterIn dex) 对重庆地区伏旱进行监测, 结果表明 :FY- 3A/MERSI 数据能够客观反映重庆地区旱情的空 [18] 间分布和动态发展过程 ; 李爽等运用反演土壤水分的表观热惯量模型, 基于 FY-3A/MERSI 数据反演了辽西地区春季土壤水分状况, 经检验在 0~20cm 土层内具有较高的精度 ; 向大享 [19] 等选用温度植被干旱指数对 FY-3A/MERSI 和 MODIS 数据进行对比监测, 并分析了监测结果的相对精度以上研究都实现了利用 FY- 3A/MERSI 数据对大面积干旱的有效监测 PDI 具有明确的生物物理意义, 且简单易用 [20-21] 在实际应用中, 仅从光谱特征空间 NIR RED 就可以快速实现对农田干旱进行有效监测和评估, 主要适用于裸地和稀疏植被覆盖区 [16,22-23] 此次秋冬连旱主要发生在 11 月至次年 2 月期间, 此时段山东省除少量常绿植被, 其他植被均已落叶, 而冬小麦普遍处于越冬期, 地表以低植被覆盖为主因此本文在前人研究的基础上, 基于 FY-3A/MERSI 数据, 采用 PDI 对山东省 2010~ 2011 年的秋冬季连旱状况进行了遥感监测和效果分析, 为动态监测和防治干旱提供科学依据 1 研究区概述山东省地处中国东部沿海黄河下游, 东临黄海北滨渤海, 全省包括半岛和内陆 2 部分地理位置介于 E~ E N~38 24 N, 属于典型的暖温带季风气候该区域年平均气温 11 ~14, 年平均日照时数 2200~2800h, 年平均降水量 600~750mm 然而, 降水量时空分布极不均匀, 夏季降水量约占全年的 60% ~70%, 且年际变化大, 存在明显的丰水和枯水年 ; 降水量具有从东南沿海向鲁西北内陆逐渐递减的空间特征降水量的时空不均使得这里几乎每年都会有不同程度的干旱发生, 尤其以秋冬季最为严重 2 数据及处理本研究使用的 FY-3A/MERSI 原始数据来自山东省气象局, 该数据采用 HDF5 文件格式, 时间为 2010 年 11 月至 2011 年 3 月通过中国气象局星地通公司开发的处理软件, 实现了 MERSI 数据的多通道定标定位投影转换裁剪和大气校正等, 生成空间分辨率为 250m 的 LD3 格式数据集另外, 为了便于地面验证分析, 收集和整理了山东省 19 个国家级农气站同时段内的 10cm 和 20cm 农田土壤相对湿度数据此外, 还收集了研究时段内山东省逐日降雨量和气温资料 3 研究方法 3.1 垂直干旱指数 (PDI) 垂直干旱指数 (PDI) 是区域土壤含水量和植被含水量空间分布状况的综合反映, 具有比较明确的生物物理意义, 能够反映地表覆盖水热组合及其变化, 该指数简单实用, 易于操作和获取 [20-21] 其数学表达式如下 [19] : PDI= 1 槡 M 2 +1 (R RED +MR NIR ) (1) 式 (1) 中,R RED 和 R NIR 分别为红光和近红外波段的反射率,M 为红光近红外光谱特征空间中对土壤点进行线性回归得到的土壤线斜率 PDI 的值在 0~ 1 之间, 且值越大, 表示干旱程度越严重, 越小表示水分胁迫越少 M 值的确定是计算 PDI 的关键步骤, 可根据山东省主要农作物产区的不同土壤类型, 通过分析研究区域内的裸地反射率信息, 找出近似纯裸土像元, 据此进行线性回归, 提取出土壤线斜率, 如表 1 所示 3.2 PDI 干旱指数分级通过分析 PDI 和实际的土壤相对湿度的关系, 参考已有的 PDI 干旱指数分级研究 [16,22], 并结合山东省的旱情统计数据, 建立了适合山东省的分级标准表 2 给出了 PDI 土壤相对湿度和干旱等级间的对应关系表 1 山东省主要的土壤类型及土壤线斜率 Tab.1 Typesofmainsoilandslopes ofsoillineinshandongprovince 土壤类型土壤线斜率分布区域潮土 0.89 鲁北地区褐土 0.78 鲁中鲁南地区棕壤 1.03 半岛地区

第１期李峰等ＦＹＡＭＥＲＳＩ数据在山东省农田干旱监测中的应用１９表ＰＤＩ土壤相对湿度和干旱等级间的对应关系０１０年１月至０１１年月山东省的降雨量持续ＴｂＲｌｓｐｂｗＰＤＩｄｌｖ减少地表温度持续偏高所选的第个时间点ｄｕｇｇｄｓｌｍｓｕ０１０１０５０１１０１能够反映旱情发生ＰＤＩ土壤相对湿度Ｒ

3 第１期李峰等ＦＹＡＭＥＲＳＩ数据在山东省农田干旱监测中的应用１９表ＰＤＩ土壤相对湿度和干旱等级间的对应关系０１０年１月至０１１年月山东省的降雨量持续ＴｂＲｌｓｐｂｗＰＤＩｄｌｖ减少地表温度持续偏高所选的第个时间点ｄｕｇｇｄｓｌｍｓｕ０１０１０５０１１０１能够反映旱情发生ＰＤＩ土壤相对湿度Ｒ干旱等级的严重程度在第４个时次前０１１００４山０８Ｒ６０正常东省各地有不同程度的降水此时的ＰＤＩ便于对干０８０１５０Ｒ６０轻度干旱０１０４４０Ｒ５０中度干旱利用ＰＤＩ方法和本文提出的干旱分级标准对４０Ｒ４０重度干旱选取的０１０１１１８图１０１０１０５图旱程度变化的敏感性分析１ｂ０１１０１图１ｃ０１１００４图１ｄ４个时次的ＦＹＡＭＥＲＳＩ数据进行处理分析得到４结果与分析了此次秋冬季连旱期间的干旱状况空间分布及演变４１干旱监测结果分析过程图１和表为了验证基于ＦＹＡＭＥＲＳＩ数据的ＰＤＩ干图１和表清晰地反映了０１００１１年山旱监测指数在山东省干旱监测中的应用效果选取东省秋冬季连旱期间从旱情发生图１旱了覆盖山东省的０１０１１１８０１０１０５情加重图１ｂ旱情持续图１ｃ旱情缓解０１１０１及０１１００４共４个时次的ＦＹ图１ｄ的演变过程０１０年１１月中旬除了鲁ＡＭＥＲＳＩ数据遥感数据时间上选择的依据主要中半岛和鲁南部分地区有旱情发生外其他地考虑以下个因素１６１在所选的４个时间点研区墒情较好图１１月上旬全省ＰＤＩ值明显究区晴朗干燥少云且与测墒时间相近的遥感影像进升高大面积区域处于轻旱状态部分地区已呈行多天合成以消除空间定位误差的影响由于受现重旱图１ｂ０１１年月中旬ＰＤＩ持续走云的影响较小故在数据预处理时略去了云检测的高旱情从鲁南鲁中和半岛地区蔓延到鲁北等步骤０１０年１０月份以来随着降水量的减少地区部分地区的重旱进一步加剧图１ｃ月山东省开始进入干旱阶段因而所选的第１个时间上旬全省出现了大范围降水天气过程此时点０１０１１１８能够反映出旱情初期时的情况ＰＤＩ值有所回落旱情逐步解除图１山东省遥感干旱监测图Ｆｇ１ＤｕｇｍｇｂｙｒｓＳｄｇｐｖｃ

4 20 干旱气象 32 卷表 3 不同程度受旱面积及分布区域统计 ( 单位 :10 3 hm 2 ) Tab.3 Thedroughtareawithdiferentlevelsandtheirspatialdistribution(Unit:10 3 hm 2 ) 时间轻旱中旱重旱主要发生区域鲁中鲁南和半岛部分地区鲁中鲁南大部地区全省大部地区鲁西北半岛部分地区降水和气温资料显示,2010 年 9 月 21 日至 2011 年 2 月 24 日, 全省平均降水量 18.6mm, 较常年偏少 79.4%, 是 1951 年以来同期最少值与常年同期相比, 鲁西北局部鲁南鲁中和半岛的部分地区偏少 9 成以上 ; 全省平均气温为 5.3, 较常年同期偏高 0.2 气温偏高, 加之无积雪覆盖, 加速了土壤失墒, 麦区出现不同厚度的干土层, 部分地区干土层达 10cm 以上, 严重地区出现土地干裂, 对农作物影响极大 20cm 农田土壤墒情监测资料显示 ( 图 2), 2010 年 11 月中旬山东省旱情以轻旱为主, 主要分布在鲁南半岛部分地区及鲁中局部地区 ( 图 2a); 12 月上旬, 山东省大部地区农田表墒较差, 旱情发展较快, 旱情主要分布在鲁南半岛鲁中等地 ( 图 2b);2011 年 2 月中旬 ( 图 2c), 鲁南鲁中鲁西北及半岛部分地区土壤相对湿度在 60% 以下, 其中部分地区在 40% 以下, 旱情进一步加重 ;3 月上旬 ( 图 2d), 随着全省出现的大范围降水过程, 全省大部地区农田墒情适宜, 仅鲁西北鲁中及半岛的局部地区存在旱情图 2 山东省 20cm 农田土壤相对湿度分布图 ( 单位 :%) Fig.2 Spatialdistributionoftherelativesoilmoisture below20cminshandongprovince(unit:%) 综上所述, 遥感干旱监测和地面墒情监测的结果比较吻合因此, 利用 FY-3A/MERSI 时序遥感影像计算的 PDI, 不仅能够给出山东省干旱空间分布状况, 还能较好地反映干旱动态演变 4.2 干旱遥感监测精度检验干旱与土壤水分含量密切相关, 建立 PDI 和实

5 第 1 期李峰等 :FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用 21 测的土壤水分含量之间的关系是验证干旱监测结果最直接的方法因此, 将上述 4 个时次的 FY-3A/ MERSI 数据的 PDI 与实测的 10cm 20cm 土壤相对湿度进行相关分析 ( 表 4) 可以看出,PDI 与对应的 10cm 20cm 的土壤相对湿度之间存在极显著的负相关关系, 均通过 0.01 的显著性检验此外,20 cm 的土壤相对湿度与 PDI 相关度更高, 这是由于 10cm 深度的土壤水分易受到地表风速等气象条件的影响较大, 并不能完全反映地表反射率特性 ; 而 20cm 深处的土壤水分更接近作物根部, 对作物的生长影响更大, 更能反映作物的受旱情况, 这与已有的研究结论基本一致 [16,22,24] 表 4 PDI 与土壤相对湿度的相关系数 Tab.4 RelationshipsbetweenPDI andrelativesoilmoisture 时间 10cm 土层 20cm 土层注 : 通过 0.01 信度检验 5 结论与讨论 (1) 利用 FY-3A/MERSI 数据和 PDI 干旱指数对山东省进行了干旱监测, 建立了针对山东省干旱灾害的 PDI 干旱等级标准从卫星遥感干旱监测结果与实测土壤相对湿度对比来看,PDI 干旱指数能较好地反映山东省干旱的分布状况和旱情发展趋势另外,PDI 与实测的 10cm 20cm 土壤相对湿度之间有较好的负相关关系, 且与 20cm 深度的土壤相对湿度相关性最好可见, 利用 FY-3A/MER SI 卫星资料监测山东省干旱状况具有可行性, 且资料容易获取时效性强, 适于在山东省干旱监测业务中推广应用 (2) 山东省下垫面较复杂, 由于 FY-3A/MER SI 数据的空间分辨率较低, 直接和地面点的数据进行验证存在尺度变化和混合像元的偏差, 这可能是导致干旱监测误差的原因之一 (3)FY-3A 卫星发射时间较短, 数据资料有限, 本文仅通过分析一次干旱过程而获得的结果可能存在片面性, 这需要通过长期监测来完善已有的干旱监测模型, 使之更精确地应用到实际业务中另外, 还应积极探索其他遥感干旱监测模型在山东省的应用, 这也是今后的研究重点参考文献 : [1] 祁海霞, 智协飞, 白永清. 中国干旱发生频率的年代际变化特征及趋势分析 [J]. 大气科学学报,2011,34(4): [2] 王劲松, 李耀辉, 王润元, 等. 我国气象干旱研究进展评述 [J]. 干旱气象,2012,30(4): [3] 徐国昌. 干旱减灾问题的回顾与思考 [J]. 干旱气象,2012,30 (4): [4] 李怀川, 叶子祥, 余贞寿, 等. 浙江乐清市旱情时空分布特征分析 [J]. 干旱气象,2012,30(2): [5] 石春玲, 李峰, 孟祥新, 等. 山东省 2010~2011 年秋冬连旱特征及成因 [J]. 干旱气象,2012,30(3): [6] 王素萍, 王劲松, 冯建英.2010 年秋季全国干旱状况及其影响与成因 [J]. 干旱气象,2010,28(4): [7] 段海霞, 王素萍, 冯建英.2011 年全国干旱状况及其影响与成因 [J]. 干旱气象,2012,30(1): [8] 郑有飞, 徐芳, 詹习武, 等. 基于 AMSR-E 数据的被动微波遥感干旱指数研究 [J]. 大气科学学报,2009,32(2): [9]KaufmanYJ,TanreD.Atmosphericalyresistantvegetationindex (ARVI)forEOS-MODIS[J].GeoscienceandRemoteSensing, 1992,30(2): [10]KoganFN.Applicationofvegetationindexandbrightnestemper aturefordroughtdetection[j].advancedspaceresearch,1995, 15: [11] 余涛, 田国良. 热惯量法在监测土壤表层水分变化中的研究 [J]. 遥感学报,1997,1(1): [12]SandholtI,RasmusenK,AndersenJ.Asimpleinterpretationof thesurfacetemperature/vegetationindexspaceforasesmentof surfacemoisturestatus[j].remotesensingofenvironment,2002, 79(2-3): [13] 张钟军, 孙国清, 朱启疆. 植被层对被动微波遥感土壤水分反演影响的研究 [J]. 遥感学报,2004,8(3): [14]NjokuEG,LiL.Retrievaloflandsurfaceparametersusingpas sivemicrowavemeasurementsat6-18ghz[j].geoscienceand RemoteSensing,1999,37(1): [15] 杨军, 董超华, 卢乃锰, 等. 中国新一代极轨气象卫星 - 风云三号 [J]. 气象学报,2009,67(4): [16] 朱琳, 刘健, 张晔萍, 等.FY-3A/MERSI 数据在中国北方干旱监测中的应用 [J]. 遥感学报,2010,14(5): [17] 王颖, 李国春, 高阳华, 等.FY-3A/MERSI 数据在重庆市伏旱监测中的应用 [J]. 现代农业科学,2011(10): [18] 李爽, 李国春. 应用 FY-3A/MERSI 数据反演土壤水分的研究 [J]. 现代农业科技,2011(10): [19] 向大享, 刘良明, 韩涛.FY-3A/MERSI 数据干旱监测能力评价 [J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版 ),2010,35(3): [20] 詹志明, 秦其明, 阿布都瓦斯提吾拉木, 等. 基于 NIR-RED 光谱特征空间的土壤水分监测新方法 [J]. 中国科学 D 辑, 2006,36(11): [21]GhulamA,QinQM,ZhanZM.Designingoftheperpendicular droughtindex[j].environmentalgeology,2007,52(6): [22]QinQ,Ghulam A,ZhuL,etal.EvaluationofMODISderived

6 2 干旱气象 32 卷 perpendiculardroughtindexforestimationofsurfacedrynesover northwesternchina[j].internationaljournalofremotesensing, 2008,29(7): [23] 温奇, 范一大, 陈世荣, 等. 环境减灾卫星数据在旱灾预警监测中的应用 [J]. 遥感技术与应用,2012,27(4): [24] 李杏朝, 董文敏. 利用遥感和 GIS 监测旱情的方法研究 [J]. 遥感技术与应用,1996,11(3):7-15. ApplicationofFY-3A/MERSISateliteDataonCropDrought MonitoringinShandongProvince LIFeng,ZHAOYujin,ZHAOHong,CUIXiaofei (ShandongProvincialClimateCenter,Ji nan250031,china) Abstract:Atpresent,droughtisoneoftheimportantmeteorologicalhazardsonagricultureproductionandsocietydevelopment.Asa bigagriculturalprovinceinchina,shandonghasagreatvulnerabilitytodrought.basedonthemedium ResolutionSpectralImager (MERSI)datawith250mspatialresolutioncariedonthenewGenerationPolar-OrbitingMeteorologicalSateliteofChina(FY- 3A)andthedroughtstatisticaldatabyusingthePerpendicularDroughtIndex(PDI),thegradingstandardofPDIwereestablished, whichismoresuitablefordroughtmonitoringinshandongprovince.onthisbasis,thedroughtofshandongprovincefromtheautumn 2010tothewinter2011wasmonitored.Inaddition,thedataoftherainfal,temperature,droughtmonitoringinformationandsoil moistureobtainedat19nationalagro-meteorologicalmonitoringstationswereusedtoverifytheprecisionmonitoredbypdi.there sultsshowthatthepdiobtainedbyfy-3a/mersisatelitedatawasabletoobjectivelyreflectthespatialdistributionanddynamic developingprocesofdroughtinshandongprovince.pdihadsignificantnegativecorelationwiththerelativesoilmoistureunder10cm and20cmdepth,andthecorelationwiththerelativesoilmoistureof20cmdepthwasmorestablethanthatof10cmdepth.there fore,thedroughtmonitoringinshandongprovincebasedonfy-3a/mersisatelitedatawasfeasible,anditwassuitabletowide spreadapplicationindroughtmonitoringoperation. Keywords:FY-3A/MERSIsatelitedata;perpendiculardroughtindex;therelativesoilmoisture;ShandongProvince

39 7 : ASDFieldSpec?3 2) (350~2500 : nm) 50 W, 25, 15, (root mean square error of 40cm 15cm 10,cross-validation,RMSECV) (R 2 cv) ; (350~399nm

39 7 : ASDFieldSpec?3 2) (350~2500 : nm) 50 W, 25, 15, (root mean square error of 40cm 15cm 10,cross-validation,RMSECV) (R 2 cv) ; (350~399nm 39 7 20147 GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity Vol.39No.7 July2014 DOI:10.13203/j.whugis20130202 :1671-8860(2014)07-0862-05 1 2 3 1,,430079 2,,518060 3,,430079 : 基于江苏省宜兴市 100 个土样的可见光 - 近红外高光谱反射率

第 32 卷第 1 期 2014 年 2 月 干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.32 No.1 Feb,2014 李峰, 赵玉金, 赵红, 等.FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用 [J]. 干旱气象,2014,32(1):17-22,[LIFe

第 32 卷第 1 期 2014 年 2 月干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.32 No.1 Feb,2014 李峰, 赵玉金, 赵红, 等.FY-3A/MERSI 数据在山东省农田干旱监测中的应用 [J]. 干旱气象,2014,32(1):17-22,[LIFe