2001—2019年长江中下游农业干旱遥感监测及植被敏感性分析

长江中下游地区是中国最重要的粮食产区之一,近年来,由于极端天气影响,长江中下游地区的农业生产时常受到干旱灾害威胁。利用植被条件指数(vegetation condition index, VCI)、温度条件指数(temperature condition index, TCI)及植被健康指数(vegetation health index, VHI)对2001—2019年长江中下游地区农业干旱的时空演变情况进行监测,探究长江中下游地区VCI、TCI在VHI指数中的最优权重比例,挖掘不同植被对干旱的敏感性差异,同时基于气候变化背景分析长江中下游六省一市的干旱趋势。结果表明,VCI和TCI指数能够分别反映地区植被生长异常和热量异常;当VCI和TCI的权重分配比为7∶3时,VHI指数能够结合两种指数的特点,在长江中下游地区农业干旱监测上更有优势;不同植被对干旱的敏感性不同,在长江中下游地区,农作物对干旱的敏感性最高,森林最低,草地介于二者之间;在气候变化背景下,近20年来,长江中下游地区呈现逐渐湿润的趋势,干旱风险逐步降低,其中湖北、湖南、安徽、江西和浙江等地湿润趋势明显,而江苏和上海地区湿润趋势较弱,在极端气候下仍存在一定的干旱风险。相关结果能够为长江中下游地区各省市旱情预警及抗旱措施制定、区域农业生产管理提供参考。     

基于多源遥感数据的旱情评价研究——以河南省为例

以河南省为研究区,利用2005—2014年间的EOS-MODIS地表温度产品MOD11A2、植被指数产品MOD13A3以及热带降水测量任务(tropical rainfall measuring mission,TRMM)的月降水速率数据集TRMM3B43,计算了植被状态指数(vegetation condition index,VCI)、温度状态指数(temperature condition index,TCI)以及降水状态指数(tropical rainfall condition index,TRCI),同时结合土地利用类型数据及气象站点数据,通过层次分析法确定权重,构建了农业干旱指数监测模型。在此基础上,利用标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)对模型进行验证,并根据SPI的等级划分确定构建的农业干旱指数监测模型的划分等级。以2014年为例,应用构建的农业干旱指数对河南省干旱情况进行时空分析。结果表明,构建的农业干旱指数监测模型能够有效监测河南省干旱时空变化特征,具有较好的监测效果。     

基于MODIS数据的农业干旱遥感指数对比和应用

以辽西北为研究区域,选取典型干旱年2009年作物(春玉米)主要生长季,采用表观热惯量(apparent thermal inertia,ATI)、距平植被指数(anomalies of vegetation index,AVI)和植被供水指数(vegetation supply water index,VSWI)3种基于不同理论的遥感干旱指数方法对土壤水分进行反演,分析其监测效果。结果表明,3种指数分别在一定程度上反映出了辽西北地区2009年的旱情趋势,但得到的反演结果并不一致;ATI在中高植被覆盖率下的监测效果高于预期结果,比较符合历史气象资料;AVI可以有效反映当年作物主要生长季各时期相对的受旱状况;VSWI夸大了植被的影响作用,存在严重的滞后性。     

基于温度供水干旱指数的京津冀春旱监测及时空分布分析

为提高农业干旱监测效果和精度,在对传统干旱监测模型对比分析基础上,本文提出将温度植被干旱指数(TVDI)和植被供水指数(VSWI)加权联合构建温度供水干旱指数(TSWDI)的研究思路。以京津冀2006—2012年5月份数据作为实验统计数据,以京津冀2006—2016年3—5月份春旱监测为例进行了模型实验。实验结果证实,TSWDI指数相对其他两个指数与10、20和50 cm深处的土壤水分相关性更高,能够更精准地反映农业干旱状况。TSWDI计算结果显示,京津冀干旱分布具有如下特征:从时间角度看,2006—2016年整体干旱状况逐渐缓解,特别是自2010年至今,研究区域干旱程度逐步减轻;从空间角度看,京津冀区域整体干旱面积逐步减少。     

GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002—2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly, TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index, WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index, SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index, sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precip...     

基于VCI指数的青藏地区春旱时空动态变化分析

有关春旱的时空特征信息对于许多农业应用和决策都至关重要。本研究利用NOAA/AVHRR的植被状态指数(vegetation condition index,VCI)产品,对1995—2010年间青藏地区的植被干旱情况进行了全面的时空分析。针对VCI作为干旱指标的特点,采用了多种方法,其中包括干旱的频率分析、趋势分析和Mann-Kendall实验。研究表明青藏地区受季风影响较小,横断山脉和祁连山地区干旱发生的频率比较低,且多为轻中旱。根据分析表明,该地区干旱的趋势并不是单向变化的,可以将其分为2个阶段:2000年以前VCI指数较高,且波动相对较大; 2000年之后VCI指数相对较低,且相对稳定。     

基于多源数据的新疆干旱特征及干旱模型研究

综合考虑大气降水-植被生长-海拔相互作用等多元成因,以新疆地区2001—2019年的MODIS数据、TRMM降水数据以及该地区数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据为遥感数据源,计算降水集中指数(precipitation concentration index,PCI)、温度植被干...     

黄河三角洲地区地下水埋深遥感反演

黄河三角洲地区地理位置特殊,水资源供需矛盾尖锐,为了研究其地下水分布状况,使用MODIS遥感数据、实测土壤相对含水量和地下水埋深数据,利用温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)和表观热惯量法(apparent thermal inertia,ATI)对研究区土壤相对含水量进行遥感估算;通过分析不同深度处土壤相对含水量与地下水埋深的相关性,建立了反演地下水埋深的线性方程,得到了研究区地下水埋深分布状况图.结果表明:利用地表10 cm深度处测得的土壤相对含水量反演地下水埋深的结果较为合理;在缺少土壤相对含水量数据时,可以用反映土壤相对含水量高低的因子估算地下水的埋深.     

微波植被指数在干旱监测中的应用

在植被覆盖区域,归一化植被指数(NDVI)被广泛地应用于干旱遥感监测。和基于光学遥感的植被指数相比,Shi等提出的微波植被指数MVI(Microwave Vegetation Index)被证实能够反映更多的植被生长信息。本文以MVI为基础,利用MVI代替目前比较成熟的温度植被指数TVDI(Temperature Vegetation Index)中的NDVI,构建温度微波植被干旱指数TMVDI(Temperature Microwave Vegetation Index),发展了一种新的干旱监测方法。本文以2006年夏季四川省发生的百年难遇的干旱为研究对象,将基于TMVDI与TVDI的干旱监测结果进行了对比分析。最后,为评估监测结果的准确性,将遥感监测的结果与基于气象站点降雨观测数据构建的标准降雨指数SPI(Standardized Precipitation Index)的计算结果进行了对比分析。结果表明,利用低频降轨微波辐射计数据计算的T MVDI最适合于进行植被覆盖区域的干旱监测。     

墒情遥感监测指数对比分析与灌区应用研究

以人民胜利渠灌区为研究区,在小麦拔节至成熟期利用MODIS数据逐旬构建PDI、VCI、VSWI和TVDI墒情遥感监测指数,与实测土壤含水量数据进行相关性分析,对比筛选适用于灌区的监测指数,并基于HJ卫星数据将最优指数应用于人民胜利渠灌区土壤墒情监测。结果表明:小麦拔节至成熟期,TVDI指数与实测土壤含水量的相关性最好,表现最为稳定,更适用于灌区土壤墒情监测;基于HJ卫星数据的TVDI土壤墒情监测模型能够快速有效地实现灌区土壤墒情遥感监测。     

利用GPS垂向位移监测西南地区干旱事件

GPS垂向位移包含了陆地水储量变化引起的地球弹性形变信息。本文利用中国大陆构造环境监测网(陆态网)31个GPS台站2010年8月—2016年12月的垂向位移数据,分析我国西南地区的干旱事件。结果表明,GPS垂向位移的季节性变化与降雨、GRACE反演的水储量、河流水位变化具有较强的负相关关系,其异常变化(非季节性变化)与我国使用的综合气象干旱指数(CI)、GRACE干旱强度指数(GRACE-DSI)相关性较强(相关系数约为-0.70),而与标准化降水蒸散指数(SPEI)的相关性较弱。相比于CI干旱指数,GPS垂向位移能更好地探测短期降雨急剧减少引起的干旱事件。数据缺失影响了GRACE-DSI探测干旱的准确性,而SPEI的波动较大,且存在高估某些短期降雨严重性的情况。研究结果展示了GPS在干旱监测方面的可靠性和优势。     

基于TVDI的湖南省干旱监测分析

利用归一化植被指数(NDVI)与地表温度(LST)构建温度植被干旱指数(TVDI)。结合湖南省地形特征对TVDI拟合结果进行高程订正,能较好地反映旱情演变规律。将处理结果划分为5个等级,湖南省存在不同程度的干旱问题,直到8月份旱情开始有缓解趋势,但干旱问题一直存在。通过插值得到的同一时期标准化降水指数对结果进行验证发现,该模型具有一定的可靠性,对于湖南省干旱监测和趋势演变具有较好的指示作用,可为湖南省旱情的预警监测提供参考。     

基于温度植被干旱指数的电网输电线路走廊干旱分析

以湖北省输电线路走廊地区作为研究区,利用2013年1~9月MODIS卫星影像数据,处理得到月尺度的归一化植被指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)与地表温度(Land Surface Temperature,LST)数据,构建NDVI-Ts特征空间,计算得到温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI),用TVDI监测结果分析湖北省输电线路走廊区域2013年干旱时空分布情况。结果表明,湖北省输电线路走廊地区TVDI和土壤含水量之间存在显著的负相关,相关系数达到0.525(p0.05),由MODIS卫星影像计算得到TVDI影像可以有效表明湖北省输电线路走廊地区的土壤含水情况。     

基于多种植被指数TVDI京津冀地区干旱监测

以京津冀为研究区,基于MODIS数据产品获取NDVI、EVI、MSAVI及LST,利用DEM对LST进行修正,建立不同植被指数的Ⅵ-Ts特征空间,选取干湿边拟合效果好的植被指数建立TVDI,获取研究区2018年植被生长季(4—10月)干旱情况,利用同步气象站点降水数据进行相关性分析,使用同期气象公报进行结果验证。结果表明：1)利用MSAVI构建的特征空间总体拟合效果优于其他两种植被;TVDI_M与同期气象站点降水数据呈显著负相关,均通过P<0.05显著检验。2)空间上,旱情主要发生在张家口和东南平原地区;时间上,旱情表现为先加剧后缓解。综上,TVDI_M模型可靠性及精度较高,可用于京津冀地区干旱监测预警。     

MODIS数据在陕西省干旱监测中的应用

以MODIS归一化差异植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和陆地表面温度(land surface temperature,Ts)数据为基础,构建双抛物线型NDVI-Ts特征空间,利用实测土壤湿度对其进行验证,并基于该特征空间的温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)监测和分析了2000—2016年间陕西省旱情时空分布特征和规律。结果表明,NDVI-Ts特征空间呈双抛物线型,基于该特征空间的TVDI与10 cm深土壤湿度呈显著负相关关系(P 0. 05)。空间上,2000—2016年间陕西省旱情主要分布在陕北西北部、北部以及关中北部、东部地区;时间上,2000年陕西省受旱面积占比为31. 95%,2016年为27. 65%。榆林市北部大部分地区、延安市中部部分地区、关中地区中部以及陕南零散地区旱情得到显著缓解,约占14. 45%,而全省84. 48%地区旱情虽发生了变化,但变化不显著;全省97. 62%地区变异系数较小,位于0～0. 8之间,主要分布在陕北北部和关中南部,表明全省旱情较稳定。全省23. 74%地区旱情与降雨量呈显著负相关关系(P 0. 1),随着降雨量的增加TVDI减少,旱情越轻,主要分布在陕西省榆林市大部分地区,延安市中部部分地区,汉中市北部、西北部,安康市、渭南市北部、商洛市东部部分地区及宝鸡市西部、北部部分地区;其余地区旱情变化并未受到降雨量显著影响。进一步分析表明,平均气温也不是影响陕西省旱情变化的主导因素。     

国产HJ-1B卫星数据的地表温度及湿度反演方法——以呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区为例

草原露天煤矿的土壤湿度遥感监测可以反映露天开采活动对生态环境的扰动程度。选择国产环境卫星(HJ-1B)多光谱及热红外光谱数据,探讨HJ-1B数据在中国北部呼伦贝尔草原伊敏露天煤矿区地表温度及湿度的反演模型及适宜性,对比分析JMS,Qin和Artis算法在研究区温度反演中的精度及适用性;进一步利用归一化植被指数和地表温度(NDVI-LST)的特征空间反演温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);通过野外实测土壤湿度数据对NDVI–LST特征空间中的干边模型进行修正。结果表明:基于Qin算法反演的温度数据精度最高;干边纠正系数为0.3时,TVDI与实测土壤含水量相关性最高,"湿边"呈现剖物线特征,"干边"呈现线性规律。反演结果能够很好地反映露天煤矿区内不同地物的地表干旱状况及空间异质性,可为草原露天煤矿区的长周期陆面演变监测提供基础数据。     

全国干旱遥感监测运行系统的研制

该研究利用1981－1994的NOAA AVHRR 8km分辨率的NDVI资料，以及对应时段全国102个固定农业观测站的20cm深的土壤湿度资料，建立了植被状态指数（VCI）与土壤湿度之间的统计模型，由土壤湿度旱情等级标准来换算出每旬用VCI进行干旱监测的旱情等级标准，以确定出全国的旬旱情分布状况，在此工作的基础上建成了“全国干旱遥感则运行系统”，该运行系统使遥感手段监测全国干旱成为可能，将能提供每年3－9月每旬全国的干旱监测情况，为国家有关决策部门提供干旱减灾的决策依据。     

基于SPEI的黑龙江省小兴安岭地区干旱影响因子分析

干旱指数是反映气候干旱程度的指标,也是监测和评估干旱事件的有效工具。本文以黑龙江省小兴安岭地区为研究区,基于FAO Penman-Monteith方法估算潜在蒸散,计算了2000—2018年3个时间尺度标准化降水蒸散指数(SPEI)逐月数据;从气象因子、水循环因子、地形因子和地表覆盖变化的4个方面,分析了多时间尺度下干旱和影响因子的关系。结果表明：干旱和降水、相对湿度、水分盈缺呈负相关,干旱和日照时数、风速、潜在蒸散呈正相关;干旱和地形因子的相关性较为复杂;不同地表覆盖类型的干旱差异不明显,但干湿年份之间差异明显。本研究成果将为旱情监测和评估,以及复杂地形的干旱研究提供科学参考。     

基于SPEI的鲁西北地区干旱变化特征

使用鲁西北地区24个国家气象观测站1981—2017年的气温及降水月值数据,主要通过计算年尺度SPEI指数,采用线性回归、两种突变检验方法以及小波能量谱分析等方法深入分析鲁西北地区干旱的变化规律。鲁西北地区实际发生的干旱事件与同期同时长SPEI值表征的干旱状态较吻合,表明SPEI指数在该地区具有较好的适用性;鲁西北地区整体上呈不显著的湿润化趋势发展,2008年为研究时间段内干旱情况的突变年;鲁西北地区SPEI12指数多年平均值为正常状态,最小值和最大值分别出现在1990年和2002年。鲁西北地区整体上出现轻旱、中旱、重旱,年份数分别为5次、8次、1次,所有年份均未发生特旱;鲁西北地区不同地区发生不同等级干旱灾害的频率差异较大,整体上干旱灾害的发生频率为轻旱>中旱>重旱>特旱;鲁西北地区年尺度干旱的小波波动能量中心共有3个,中心尺度分别为5 a、9～10 a和3 a。     

基于温度植被干旱指数的河南省旱情演化分析

2014年河南省遭遇自1951年来最严重干旱。针对这一现象,在对目前的干旱监测类型进行简要对比分析的基础上,着重阐述了温度植被干旱指数(TVDI)的基本原理;结合MODIS数据,通过数据处理提取地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI),从而建立NDVI-Ts特征空间。根据干边和湿边的散点图,对特征空间中最低温度和最高温度进行线性拟合,计算出TVDI,最后以TVDI为分级指标进行干旱等级划分,对河南省2014年7月下旬到9月上旬的旱情演化趋势进行分析。