（气象学专业论文）杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究.pdf

中文摘要 干旱也是杭州市常见的一种自然灾害，从1 9 5 9 年1 9 9 5 年的杭州气象资料分析，杭 州出现干旱( 不分类型) 年份百分率占了3 7 ( 1 4 年3 7 年) 。旱情监测中离不开对土壤 墒情的监测，目前国内农业、气象部门采用常规的烘干法按旬测定土壤墒情，虽然操作简 单，对设备要求不高，但费时、费力，取样孔会切断植物的根系并影响土壤水分的运动， 深层取样困难，定点测量时不可避免由取样换位而带来误差，在大多数情况下不可能长期 定点监测。 本研究首次在浙江省内采用快速、准确、可连续原位测定及无辐射的时域反射仪 ( t d r ) 法在杭州全地区建设1 4 个土壤墒情自动监测站组建杭州旱情自动墒情监测网， 实现全市土壤墒情无线传输、实时监测，并业务运行。同时通过研究杭州市遥感干旱监测 的算法，利用e o s m o d i s 遥感手段对杭州干旱宏观、动态监测。使用n a s a 提供的杭州市 2 0 0 6 年7 月2 8 日一8 月1 3 日的m o d i s 地表温度和植被指数产品，采用温度植被干旱指数 法( t e 叩e r a t u r e v e g e t a t i o nd r y n e s si n d e x ) 方法对杭州市该时期的土壤水分情况进行 了初步的反演，结果表明：利用t v d i 方法反演的杭州市土壤水分，其结果和实际情况基 本吻合，满足业务实际需要。实现在较短的时间内较为精确的了解区域内各地旱情的发生 发展程度，及时了解区域内的旱情的点、面信息，并向政府提供杭州市干旱监测公报和人 工增雨天气周报等决策服务材料。 关键词：土壤墒情，监测，遥感，杭州 a b s t r a c t h a n 9 2 b ud r o u g h ti s ac o m m o nm 咖m ld i s 嬲t e r s ，6 ml9 5 9t 019 9 5i nh 砒培吐0 u m e t e o r o l o g i c a ld a t aa n a l y s i s ，h a n g z h o ud r o u g h t ( a l lt 憎e s ) y - e a ro ft h ep e r c e n t a g eo f3 7 ( 1 4 3 7 ) d r o u g h tm o n i t o 曲唱c 姐n o tb es 印a r a t e d 丘d mt l l em o n i t o r i i l go fs o i lm o i s t i l r e ，也ed o m e s t i c a 鲥c u l t 呱a l ，l e t e o r o l o 百c a ld e p 跏e n t st 0c o n v 训0 n a lm e t h o do fd 巧i n go fs o i lm o i s t u r cb y7 0 ， a l t h o u g hs 呻l e ，t 1 1 ee q u i p m 朗ty 幻q i u b u g a 0 ，b u tt 血e - c o n s u m i n g ，l a b o r i o l l s ，s a m p l i n gh o l ew i l l b ec u to 行p l a n _ t st h er 0 0 ts y 咖i ma n da 日e c t 也ei n 0 v e m e n to fs o i lm o i s t u r e ，d e 印s 锄叩l i n g d i 伍c u l t i e s ，f e d - p o 硫m e 邪u r e m e n t si n e 啊切b l yb r o u 曲ta b o mb yt l l e 仃a n s p o s i t i o ns a m p l i n g 锄r ，i nm o s tc 硒e sc a nn o tb el o n g - t e r n lf i e d - p o i n tm o i l i t o r 血g 1 1 l i si s t 1 1 ef i r s ti nz h e j i a n gp r 0 v i n c ei nt h e 璐eo fr 叩地c u r a _ t e ，c o n t i n u 0 憾i n s h d e t 咖i n a t j o na n dw i m o u tr a d i a t i o na tm ed o n l a i l lr e n e c t o l e 臼y ( t d r ) i nh 加g z h o ut 1 1 e 、地o l e a r e ao fs o i li n o i s t u r cb u i l 妇g1 4a u t o m a t i cn 1 0 n i 州n gs 伽。硒s e tu pi nh a n g z l l o ud 1 0 1 l g h t a u t 0 i 训cm o i s t u r em o n i t 0 血gn 咖o r l 【 赳l dt h ec i 矽ss o i lm o i s t u r ew i r e l e s s 眦m i s s i o 玛 r e a l t i l l l em o i l i t 0 面a g ，龇l db 1 塔i n e s so p e r a t i o n a tt h es 锄t i n 坞，d r o u g 址m 幽r i l l go fr e m o t e s e n s i i l gi nh a n g z h o u0 n 廿1 ea l g 耐恤玛e o s m o d i su s eo f r e l n o t es e n s i i 培i n s t r u 嘣1 t s0 nt 1 1 e 蝴一h 觚g z h o ud r o u g h t ，d y n a i i l i cm o n i t o r m g n a s ap r 0 v i d e dt t l e 邯eo fh 眦g z h o u 0 nj u l y2 8 ， 2 0 0 6e i 出m o n m s0 nt h e13 mo fm o d i ss u r f a c et 锄p e 劬鹏距dv e g e 谢o ni i l d e xp r o d u c t s ， u s i i l gt e m p e m t i l r ed 巧v e g e t a t i o ni n d e x ( 1 e m p e r a t u r e - v e g e 枷o nd r y l l e s si n d e x ) m e 也o do f h 锄g z h o uf o r 也ep e r i o do fs o i lm o i 蚰鹏 c o 础石0 n st h em e r s i o no ft t l ep r e l 呦r e s u l t s s h o wm a t ：舭i n v e r s i o nm e 也o dl l s e dt v d ih 趾g 曲0 us o i lm o i s t u r e ，m er e s m t b 懿i c a l l y c o n s i s t e n t 、加m 也ea c t i l a ls i n 嘶o na n dt om e e tt h ep r a c t i c a ln e e d so fb u s 血s s a c l l i e v ei 1 1as h o r t p e r i o do ft i l n ei n o r ep r e c i s eu n d e 瑙t 孤d i l l g o ft l l e d r o u g h t 也r o u g h o u tt l l er e 百o ni nt 1 1 e d e v e l o p i n e n to ft i r n c l yu n d e r s t a n d i n go ft 1 1 ed r o u g h ti nt 1 1 er e 百o n ，o fi n f 0 加1 a t i o n ，p r o v i d e db y t 1 1 eg o v e n i m e n to fh a n g z h o u 舭dd r o u g h tm o l l i t o m g 锄d 硼i f i c i a lr a 证f a l lw e a m e rb u l l e t i n w c e l 【l ys e r v i c e ss u c h 舔t 1 1 ed e c i s i o n m a k i n gm a t e r i a l k e yw o r d s ：s o i lm o i s t u 咒，m o n i t o r i n g ，r e m o t es e 璐i n g ，h 锄g z h o u 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：勉日期：2 翌墨：鱼 研究生签名：毒害匠丕生日 期：2 翌墨- = 鱼 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权浙江大学研究生部办 理。 并 研究生签名之叁趁导师签名： 日期： 浙江大学硕士学位论文杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究 第一章绪论 1 1 干旱的概念 根据联合国关于在发生严重干旱和或沙漠化的国家特别是在非洲防治沙漠化的公 约，“干旱”是指降水量大大低于正常记录水平时发生的自然现象，引起严重水文失衡， 对土地资源生产系统造成有害影响。d o n a l da w i l h i t e 等认为干旱是由于降水不足而导致 的水资源短缺的、正常的、周期性发生的天气现象 d o n a l de t c 1 9 9 01 9 9 1 1 9 9 31 9 9 4 。 旱灾则是一种缓慢而持续的、渐进的、难以准确把握的、影响范围广的灾害。它不是一件 简单的物理现象或自然事件，它是干旱现象与其发生发展时当地的社会、经济、文化和人 口等综合影响的结果 田翠琴1 9 9 6 ，国家防汛抗旱总指挥部办公室1 9 9 7 ，欧阳惠2 0 0 1 ，施 雅风等1 9 9 2 ，王劲峰等 。 干旱在世界上任何气象带都发生过，在不同的地方不同的时间内，干旱的强度、持续 时间、表现情况都不一样。影响干旱的因素很多，有气候因素、地理位置因素、地貌因素、 水文因素、植被因素、土壤地质条件因素、人类活动因素等等，在某个地方会导致干旱的 条件在另外的地方不一定会导致干旱，在某个时间会导致干旱的条件在另外的一个时间内 也不一定会导致干旱，比如在半湿润地区，植被成长季节两个月无雨会导致严重干旱，但 是对于半干旱地区，两个月无雨是正常天气情况，所以至今对干旱都没有一个清晰而简洁 的定义。在某种程度上干旱也定义为：干旱是一种异常干旱时期，由于足够长而导致严重 的水文失衡( 如作物受旱、水供应短缺等) ，严重的干旱依赖其湿度不足程度、持续时间和 影响范围。 1 2 杭州干旱实时自动和遥感监测方法研究的意义和目的 土壤墒情也即土壤中的水分状况是最重要和最常用的土壤信息。它是科学地控制调节 土壤水分状况进行节水灌溉、实现科学用水和灌溉自动化的基础。而快速、准确地测定农 田土壤水分对于探明作物生长发育期内土壤水分盈亏，以便做出灌溉、施肥决策或排水措 施等具有重要意义。 从历年的杭州气候资料来看，杭州市是个旱涝灾害比较频发的地区，杭州从1 9 5 9 年 到1 9 9 5 年的3 7 年中，1 9 9 6 、1 9 7 8 、1 9 8 3 和1 9 9 4 年全市伏旱严重；1 9 6 0 、1 9 6 6 、1 9 6 7 、 1 9 6 9 、1 9 7 9 、1 9 8 2 、1 9 8 4 和1 9 8 8 年全市秋旱严重；1 9 7 1 、1 9 7 3 、1 9 8 5 、1 9 8 8 年冬旱严重； 1 9 9 4 年伏秋连旱，1 9 8 8 年秋、冬连旱，1 9 6 7 年全市大部分地区伏、秋、冬连旱，旱情对 农业生产威胁很大。按照出现干旱( 不分类型) 年份百分率来看占了3 7 ( 1 4 年3 7 年) 。 从1 9 9 6 年到2 0 0 3 年这八年中1 9 9 6 、2 0 0 2 、2 0 0 3 年也出现了比较严重的干旱，尤其是2 0 0 3 年。干旱直接影响农业生产，缺水也导致缺电，也严重地影响了工业生产和市民生活。 目前国内农业、气象部门采用常规的烘干法按旬测定土壤墒情，虽然烘干法操作简单， 对设备要求不高，结果直观，对于样品本身而言结果可靠。但烘干法费时、费力，取样 孔会切断植物的根系并影响土壤水分的运动，深层取样困难，定点测量时不可避免由取样 塑翌奎堂堡主堂垡堡奎垫型呈堡壅堕皂垫垦堡壁堕型查鲨堡壅 换位而带来误差，在大多数情况下不可能长期定点监测，称重法取样代表性较差；而且称 重法只能得出土壤的重量含水量，如果将称重法用于标定其它测量方法的时候，必须将重 量含水量转换成体积含水量，这时则要求测量样本的容重。 通过杭州全市旱情自动和遥感监测服务体系建设，一方面组建杭州旱情自动墒情监测 网可以快速、准确、可连续原位测定地收集杭州全市墒情信息，并定期发布，为干旱预测、 预警和服务提供更加可靠、丰富的监测资料；另一方面，利用卫星遥感技术监测干旱，能 频繁持久地获取地表特征的面状信息，为实时动态的干旱遥感监测提供有效的数据来源， 具有宏观、动态、实时监测的优势。使得政府能在较短的时间内较为精确的了解区域内各 地旱情的发生发展程度，及时了解区域内的旱情的面上信息。同时，获取实际的土壤监测 值后，通过对卫星遥感监测结果的校验并结合后期的中长期预报等等在研究的基础上，定 期发布杭州市干旱监测公报，为政府决策参考。 1 3 国内外研究现状与存在的问题 2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，美国就研究了土壤水分对反射率的影响，发现干燥土 壤具有较高的反射率，并且土壤水分含量达到吸湿极限之前，反射率几乎不变，然后随着 水分增多，反射率下降。7 0 年代后期，美国逐步开展了土壤水分遥感监测研究，此后许多 国家也开始着手这方面的研究工作，8 0 年代后期，遥感监测土壤水分的工作得到了迅速的 发展，监测手段多种多样，监测波段有近、中、远等热红外和微波遥感。日本为了研究大 区域的土壤水分分布状况，用n 0 从卫星资料，采用热惯量模式，结合近地层小气候和地 面热流量观测，以中国东北部的吉林省为中心进行了区域土壤水分调查，取得了良好的效 果；英国、加拿大曾用n 0 从一a v h r r 资料的可见光和红外波段获得植被指数，进行正常气 候条件下农作物产量与干旱条件下农作物产量的比较评估，并在加拿大西部地区旱情监测 预报中发挥了作用。英国利用卫星s m m r 与a v h r r 图像数据比较的方法进行研究，在旱情 监测技术上得出了较好的结论，并在撒哈拉地区进行了实验；同时也采用n o a a a v h r r 的 可见光波段反射率s m m r 3 7 g h z 的极化差方法进行旱情监测。9 0 年代后，随着遥感技术和地 理信息系统的发展，干旱遥感监测也得到了进一步发展，从单一的使用遥感资料到与农作 物生长模型相结合，与地理信息系统( g i s ) 相结合，监测模式也不断完善。澳大利亚利用 地理信息系统将遥感资料、土壤湿度、作物产量、经济和社会信息等不同类型的数据结合 起来，使干旱的评价更加客观。 目前国内气象系统内，只有北方的省份通过传统的烘干法每旬测定土壤墒情，浙江省 内还没有开展长期的测定土壤墒情业务。传统的烘干法由于需要取土样的原因，对土壤的 结构会造成破坏，而且不能够连续动态测定。利用土壤水分传感器法来组建地区级土壤墒 情网作为业务运行，浙江还没有相关报道。 国内对遥感技术用于干旱监测的研究，起步较晚，主要应用n 0 从卫星资料进行这方 面的研究，发展迅速，成绩显著。根据地面植被覆盖状况，从裸土、稀疏植被覆盖、部分 植被覆盖和有植被覆盖等方面采用不同的模型进行了研究。对裸土、稀疏植被覆盖以热惯 量方法为主展开了对地面土壤水分的监测研究，1 9 8 7 年刘兴文和冯勇进，利用可见光一近 2 塑鋈奎堂堡圭兰垡笙茎垫型呈堕壅堕皂垫墨墨壁些型查鲨堡壅 红外多光谱航空扫描图像资料求算土壤热惯量，论证了“真实热惯量”与地表反射率、日 夜温差之间的非线性关系，并据此编制了土壤水分图，用于土壤水分状况的监测和预报； 1 9 9 2 年，田国良、杨希华等用热惯量方法建立试验区土壤表观热惯量与土壤水分的关系， 再用n o 从- a r r 数字图像和气象数据相结合的方法估算冬小麦地的蒸散，从而估算出土 壤含水量，根据冬小麦的需水规律和土壤有效水含量构造干旱指数模型；1 9 9 4 年，肖乾广 等用n o a a 气象卫星资料研究用热惯量模式监测土壤水分，引入了“遥感土壤水分最大信 息层 的概念，建立了多时相的土壤水分监测的幂函数模型，其精度要高于线性模型。此 后人们又研究了热惯量方法用于不同试验区的参数研究，如陈怀亮等在使用热惯量方法时 考虑了地形和地面风速的影响，张晓煜在对宁夏的旱情监测中考虑了土壤类型对土壤水分 的影响；罗秀陵使用n o 从一a r r 通道4 亮温反演地面温度，从而建立地面温度与干旱指 数的关系模型。对于下垫面有植被覆盖的情况，根据植物对于地面旱情的反映，1 9 9 5 年蔡 斌、陆文杰等用条件植被指数，结合常规气象资料，对我国干旱、洪涝状况进行宏观动态 监测；居为民、孙涵等用n o a a a r r 的植被指数相对距平图，对江苏省1 9 9 4 年的特大干 旱进行了应用服务；王鹏新、龚健雅等在用条件植被指数、条件温度指数和距平植被指数 监测年度间相对干旱的基础上，提出了条件植被温度指数( v t c i ) 的概念，并用该方法对陕 西省关中东部部分地区春季旱情进行了监测；刘丽、刘清等用植被供水指数法对贵州省旱 情进行了监测；1 9 9 7 年隋洪智、田国良等用估算农田蒸散的双层模型n o 从一a r r 数据对 黄淮海平原春季旱情进行了评估，取得了较好的效果。随着人们对遥感监测环境的重视， 干旱遥感监测或土壤水分分布的研究引起了人们很大的兴趣，研究的模型更加细致，随着 遥感技术和地理信息系统( g i s ) 的发展，在g i s 的支持下，通过农业生态环境信息的引入， 来提高遥感监测精度，陈怀亮、冯定原等利用n o 从一a v h r r 气象卫星遥感与g i s 集成，建 立了河南省干旱遥感监测信息系统；申广荣、田国良从作物缺水模型的特点出发，充分利 用遥感图像与g i s 相结合的方法，实现了图像、图形、数据的一体化，为准确地监测旱情 奠定了基础。 通过对国内外算法的适用性研究，分析建立适用杭州市的遥感干旱监测算法，并充分 利用遥感图像与g i s 相结合的方法对杭州的干旱监测进行研究，目前还未见报道。 浙江大学硕士学位论文杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究 第二章干旱监测方法 2 1 传统干旱监测方法 传统的干旱监测方法是基于测墒点采样数据来监测干旱的程度及范围，这种方法只能 得到少量的点上的数据，其中应用最多的是气象数据、水文数据和社会经济数据等等( 这 些数据最多也只能追溯到1 0 0 多年以前) 加以运用各种指数来测定干旱，所用的方法也多 是经验方法或统计方法。另外，干旱的成因是很复杂的，影响干旱的因素很多，任何一个 因素的改变都可能导致干旱情况的不同，很多时候在一个地方能引起干旱的条件在另外的 一个地方可能不会引起干旱，在某个时期能引起干旱的条件在另外的一个时期也不一定会 引起干旱，所以干旱指数的使用具有时域专一性和地域专一性。 2 1 1 传统的经典干旱指数 以前，国内外是用各种干旱指数来监测干旱的，干旱指数是比原始数据更具有说服能 力的用于监测干旱的指标体系。干旱指数的主要标准是比较精确，能反映湿度的快速变化， 具有时间和空间可比性，有助于干旱早期减轻政策的决策压力制定。根据地区的气候条件、 地形、植被状况、土地类型的不一样，使用的干旱指数也不一样：不同的学科也需要不同 的干旱指数，一些干旱指数更适合农业干旱，另一些可能更适合气象或水文干旱，评价社 会经济干旱更需要一些社会经济类型的指数：评价干旱对自然环境的影响，比如农田和牧 场、地表径流以及大坝和水库水位等的影响所用的指数也不一样。这些传统的干旱指数各 有所长，目前世界上普遍使用的干旱指数有以下几种。 2 1 1 1 帕尔马干旱严重指数( p d s i ) p d s i 是基于土壤水平衡的，用于评估农业干旱的指标。该指数由美国气象预报中心每 周更新，它基于降水、温度和历史数据，其算法由w c p a l m e r 于1 9 6 5 年提出，虽然该指数 是美国官方的主要干旱指数，但在监测速度型干旱不敏感，且没反映雪的影响。 2 1 1 2 帕尔马干旱指数( p d i ) 该指数基于水分平衡方程的供需概念的基础之上，不仅仅考虑降水量，其用意在于提 供标准化的湿度条件测量方法，以使该指数能在不同的地区和不同的时间范畴上进行比 较，美国普遍使用该指数。该指数是一种气象干旱指数，在( 一6 o o ，+ 6o o ) 之间变化，对 农业这类对湿度敏感的干旱监测极为有效，但是该指数难以精确的表示更长期的干旱所带 来的水文影响，也有学者认为该指数对如澳洲和南非这样的降雨和流失变化大的地方不适 用。 2 1 1 3 作物湿度指数( c m l ) 作物湿度指数( c m i ) 是p a l m e r 提出的用气象方法检测逐周的作物条件，估计作物产区 短期湿度条件，以一个气候区内的每周平均气温和总降水量及前一周的作物湿度指数为基 4 塑垩奎堂堡主兰垡笙奎垫型呈堡塞堕皂垫墨望壁堕型查鎏型壅 础。c m i 由气象预报中心每周更新，由p a l e rd r o u g h ti n d e x 派生出来，反映快速变化的 土壤湿度条件。c m i 对变化的条件反映敏感，同时他可根据地点和时间赋予不同的权重以 便制作的图能在不同的地区之间进行湿度比较。它主要用于检测短期影响生长期作物的湿 度条件，因而不是一种好的长期监测工具。 2 1 1 4 标准降水指数( s p i ) s p i 是m c k e e 于1 9 9 3 年提出的，目的是对多时间尺度的降水不足进行量化，这些时间尺 度反映干旱对不同水资源的可利用性的影响，土壤湿度条件对短期降水异常有反映，而地 下水、径流量、水库所反映的是长期的降水异常。s p i 是相对新的干旱指数，只依赖降水， 可是任意时间尺度，比如，1 个月、3 个月、6 个月等等。s p i 的灵活性使之成为短期农业和 长期水文应用的有效工具。 2 1 1 5 日径流量图( d a i l ys t r e a m 们o wm a p ) 该图描述了u s g s 各计量站的径流情况，彩色表示百分比排放量，由每年当天流量记录 周期计算出来，只有那些有3 0 年以上记录的站才用。 2 1 1 6 标准百分比 该指数基于特定的地区一定的时间的降雨量。其计算方法是：实际降水正常降水 1 0 0 ，正常降水为长周期( 如3 0 年) 该地区的降水均值，计算值低于1 0 0 则可能表示干旱。 所计算的时间可能为一个月、几个月或一年。g i b b s 和m a h e r 于1 9 6 7 年提出分级指数( d e c i l e r a i n f a l l ) 的概念，克服标准百分比的不足，即将长周期分为1 0 级，第一级为降雨次数的 1 0 次中最低降水量的上限值，依次类推，然后将此1 0 级合成五大类，第五级即为中值 分级指数经历了很长时间的发展，具有空间可比性。一般用于将雨量变化很大的地区，比 如非洲南部，通常使用这个指数。分级指数的不足就是它对雨量的空间分配不敏感。 2 1 1 7 地表供水指数( s m s i ) 该指数由s h a f e r 和d e z m a n 于1 9 8 2 年提出，用于弥补p a l m e rd r o u g h ti n d e x 在大变化的 地形、积雪、滞后流失等方面的不足。地表供水指数是地表水条件的指示器，将山地雪盖 也作为一个主要成分考虑进来。该指数将水文和气象参数合成一个单一的指数，允许在不 同的流域、盆地之间进行标准化比较。它将降雨站、水库、雪盖、径流量测站的数据归总， 将每组汇集的数据采用频率分析法归一化，确定每一组数据的非极度概率，并进行比较， 可以根据每个组成部分的贡献付给一定的权重，该指数的值域在( 一4 2 ，+ 4 2 ) 之间。在 美国很多地方采用这种方法。但是在任何地方废弃或新增一个站，就需要做新的频率分析， 而流域或盆地的水文设施发生改变，就需要重新建立算法，很难维持该指数在时间上的连 续一致性。 2 1 2 干燥程度及相应干旱指标 美国将干旱强度归类基于六个关键指标和一些辅助指标，表2 1 列出每个干燥度指标 的变化范围，表明了一般干旱区的标准干旱强度，d l 最低，d 4 最高，d o 干旱监测区可能是 5 塑兰奎堂堡主兰垡笙奎垫型呈堡壅堕鱼垫垄望壁些型查鲨塑壅 快开始受旱或已受旱很长时间正在恢复但尚未完全正常的地区，由于这些不同指标的变化 范围一般不相一致，最后的干旱归类于一些主要指标，同时也给予了一定的指标权，根据 不同地区和一年内时间的变化，另外某些地方可能需要考虑诸如雪化的影响。 他们采用上述的各项指数编制全美的干旱强度分布图，为避免过于复杂，图中只表示 了一些典型的干旱强度而不是所有级别的干旱强度，这不能替代当地政府发布的干旱警报 和观测，政府可能监测不同的指标以满足解决特定的地区问题的需要。如图中表明干旱的 地区可能缺水，而标为d 3 ，d 4 的地区可能供水充足：所以还应考虑当地的一些情况。其他 指数( 主要是生长季节) ，包括u s d a n a s s 的表层水湿度，作物湿度指数( c r o pm o i s t u r e i n d e x ) ( c m i ) 和k e e t c hb y r 锄d o u g h ti n d e x ( 1 ( b d i ) ，雪季和西部常用指数包括流域盆地 雪水量( r i v e rb a s i n s n o ww a t e rc o n t e n t ) ，流域盆地平均降水量( r i v e rb a s i n a v e r a g e p r e c i p i t a t i o n ) 和地表供水指数( s u r f a c ew a t e rs u p p l yi n d e x ) ( s m s i ) 。 表2 1 干旱情况和相应各指数变化范围 p d ic p cs 删土壤 u s g s 周 正常降水百 标准比降卫星植 分 描述 可能影响径流水指数被健康 级帕氏指数湿度模型分比( ) ( )( s p i )指数 干旱将来临：短 期：作物、草等生长 反常变慢：火灾危险超平 一1 0 延续3 个月- 0 5 至 d o 至2 l 至3 02 1 至3 0 3 6 4 5 干燥均。干旱将去：水 7 5 o 7 不足延期：农、草未 一1 9 完全恢复 对作物，草有一定的 中度 损害：火险高：河，水 一2 o 0 8 至 d 1 库，井水位降低，开至1 1 至2 01 1 至2 03 个月 7 嘶 2 6 3 5 干旱 一1 2 始有水短缺问题，要 一2 9 求自发节水 作物，草一定会受 一3 0 一1 3 至 d 2 重早损：火险很高；普通 至一3 9 6 至1 06 至l o6 个月 6 5 1 6 2 5 一1 5 缺水，强制限制用水 极重 大量作物，草决收： 一4 0 d 3 火险极高：更大范围3 至53 至56 个月 6 0 1 6 至一1 96 至1 5 早 至一4 9 缺水和用水限制 极大范围作物绝收： 极度极高火险：水库，河 d 4 = 一5 o0 至20 至21 2 个月 6 5 = 一2 o1 至5 干旱流，井等缺水导致水 紧急 我国学者在干旱指数方面也有大量的研究。大致可以归类为： 气象类干旱指数：该类指数主要针对降水和蒸散收支不平衡的情况，如我国华北地区 的降水阈值和广东省的连续无雨日法、中央气象台采用的降水量距平或距平百分比。 农业类干旱指数：董振国根据土壤干旱时，土壤水分越少，叶温与气温差越大，午后 1 3 1 5 时最明显，提出用1 3 1 5 时的作物层温度与层顶2 米处的气温差作为干旱指标：肖嗣荣 6 塑垩奎兰堡主堂堡垒奎垫型呈笪塞堕鱼垫垄堡壁些型查鎏塑壅 等根据作物各生育期的需水量与同期可供水量的关系建立了作物需水和可供水指数。 土壤类干旱指数：吴乃元提出的土壤相对有效水分干旱指标：乔樵等提出的土壤总供 水量。 水文类干旱指数：这类指数包括水文干湿指数、作物水分供需指数、最大供需比指数 等。 社会经济类干旱：张家诚提出的水分供需指数。 2 2 基于植被指数的遥感干旱监测方法 植被在可见光部分吸收7 0 9 卜8 0 的红光，反射了大部分的绿光，所以植被呈现绿色， 在近红外波段植被的反射特别强，而且不同的植被类型反射能力也不一样，通过各个波段 植被所反射的太阳辐射的各种组合形成植被指数。陈述彭等认为植被指数是基于植物叶绿 素在o 6 9 岫的强吸收特性，通过红光和近红外波段光谱特性及其简单组合比值或线性组合 实现对植被状态信息的表达。植被与短期气候变化具有双向指示的特点。农作物的生长及 产量形成与环境因素有密切的关系，影响作物生产的因素很多，主要有气候、土壤、水肥 条件、天气、生产水平和人类活动等，在这些因素中，对某一地区来说，在连续几年的时 间尺度内，可以认为气候、土壤、水肥条件、生产水平及人类活动处于相对不变的状态， 只有天气变化是不可控制的因素，它对作物生长有短期的效应。因此，植被指数不仅可以 用来区分植被类型及其覆盖度，估计作物产量，还可以用来监测旱情。 目前己经开发出多种植被指数，如简单植被指数、比值植被指数、归一化植被指数、 条件植被指数、条件温度指数、距平植被指数、等植被指数。其中归一化植被指数用得最 广，n d v i ( 归一化植被指数) 能够消除部分因为太阳高度角、卫星扫描角的变化以及大气 削弱产生的影响。下面介绍几种常见的植被指数。 2 2 _ 1 简单植被指数( s v i ) s v i ( s i m p l ev e g e t a t i o ni n d e x ) 的定义是： s v i = p n i r p 衄 式中：p m ，p 姗分别为地物在近红外波段和可见光红光波段的反射率。 2 2 2 比值植被指数( r v i ) r v i ( r a t i ov e g e t a t i o ni n d e x ) 的定义是： r v i = p n i r p 哪 式中：p 岫p 啪分别为地物在近红外波段和可见光红光波段的反射率。 2 2 3 归一化植被指数( n d v i ) n d v i ( n o r m a l i z e dd i f f e r e n c ev e g e t a t i o ni n d e x ) 的定义是： n d v i = p n i rp 哪p n i r + p 呦 式中：p n 。，p 呦分别为地物在近红外波段和可见光红光波段的反射率。 7 塑垩奎兰堡主兰垡堡壅堕型呈笪塞堕皂垫墨圣壁竺型查鎏婴窒 植被在近红外波段具有较高的反射率，由于叶绿素在可见光红光波段的强吸收而在此 波段具有较低的反射率，所以绿色植物的n d v i 大于o ，并且植被长势越好，覆盖率越高， n d v i 值越大：而裸露地和岩石在这两个波段的反射率相当，所以其n d v i 值接近0 ；云和水体 在红光波段的反射率比近红外波段的反射率大，所以籼i 值小于o 。利用n d v i 可以监测 植被的动态变化、作物产量估计、地面植被覆盖类型和植被覆盖度、区分海陆边界、计算 水体面积和植被指数等等。归一化植被指数是基于供水是否充分会影响植物的长势，所以 可以用于反映早情，但在时间上有一定的滞后。 2 2 4 条件植被指数( v c i ) v c i ( v e g e t a t i o nc o n d i t i o ni n d e x ) 是利用多年资料的第i 个时期的n d v i 的最大值和最 小值来计算某一年的第i 个时期的n d v i 值的相对变化。相对n d v i 而言，v c i 不仅包含n d v i 的 当前信息，还包含n d v i 的历史信息。v c i 的计算公式如下： v c i = n d v i n d v i 山n d i 。+ 埘) v i i i n 式中，n d v i 为当前信息，n d v i 。，n d v i 血。分别为第i 个时期的当前历史最大值和最小值。 从上式可以看出，分母为n d v i 的多年变化范围，具有一定的地域性，分子为当地的植被指 数的当前状态，比值大小反映了当前的植被状况。当n d v i 和n d v i 山，比较接近时，一般就是 灾情出现的时候。 2 - 2 5 距平植被指数( a v i ) a v i 是当前某个时期的n d v i 测量值与常年平均值的偏差。常年平均值是根据多年历史 资料得来，资料的时间系列越长，这个平均值的代表性就越好。当前值比平均值高为正距 平，低为负距平。用当前时期每旬、每月、每年的n d v i 值减去多年的每旬、每月、每年n d v i 平均值，得到植被指数正、负距平值。正距平反映植被生长状态比较好，负距平反映植被 生长状态比较差，一般就是早灾出现。并且负值越大，旱情越严重。 2 3 基于温度的遥感干旱监测方法 土壤水分是一个重要的环境因子，是自然界最活跃的因素，也是在陆地表面参数化的 一个关键变量。土壤水分含量随时空的分布和变化对地一气间的热量平衡、土壤温度和农 业墒情等都会产生显著的影响。利用土壤热学特性的热红外技术遥感监测土壤水分，从而 根据土壤水分的多少监测旱情。 我国的热红外技术监测水分研究始于本世纪7 0 年代，但是一直到8 0 年代，这方面的研 究应用都不多见。很多学者都做这方面的研究，如刘国详在华北地区冬小麦遥感综合估产 试验中曾尝试用热红外遥感方法监测土壤水分：田国良等人利用土壤热惯量方法并与其它 方法结合来监测冬小麦旱情取得了成功。并逐步建立了条件温度指数、归一化差值温度指 数、作物水分胁迫指数( c w s i ) 法、土壤热惯量法等多种基于温度的遥感旱情监测方法。 2 3 1 条件温度指数( t c i ) t c i ( t e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni n d e x ) 与条件植被指数比较相似，它利用多年资料的第 浙江大学硕士学位论文杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究 i 个时期传感器热波段亮度温度的最大值和最小值来计算某一年的第i 个时期的热波段亮 度温度值的相对变化。t c i 的计算公式如下： t c i = ( t 。一t t ) ( t 。一t 。；。) 式中，t ；为当前信息，t 。，t i ；。分别为第1 个时期亮度温度的历史最大值和历史最小值。 t c i 的值越小，表示越干旱。在用a v h r r 监测干旱的时候，一般选用第4 波段，因为第4 波段 获得的辐射受大气水蒸气的影响比较小。由于温度状态指数很难克服成像条件( 净辐射量、 湿度、大气传输) 的影响，又很难消除由于季节的不同所带来的地表表面温度的差异，因 此有学者在t c i 的基础上提出了归一化条件温度指数( n d t i ) 的概念。 2 3 2 归一化差值温度指数( n d t i ) n d t i ( n o r m a li z e dd i f f e r e n c et e m p e r a t u r ei n d e x ) 定义为： n d t i = ( t 。一t 。) ( t 。一t 。) 其中，t 。是地表粗糙的无限大的理想地表表面温度：t 。是地表粗糙的无限小的理想地表 表面温度：t ；是从遥感图象中获得的实际地表表面温度。 2 3 3 作物水分胁迫指数法( c w s i ) 作物水分胁迫指数( c w s i ) 是以作物冠层温度与空气温度之差( t c t a ) 为基础而建立 起来的一个综合反映作物一土壤一大气系统特征的参数，冠层与空气的温差，是作物对天气 和土壤水分状况综合作用的结果，在一定净辐射条件下，作物冠层温度与空气温度之差在 很大程度上决定于植被蒸散量的大小，即地表能量平衡中潜热通量的所占份额，当土壤 供水充足时，植被蒸腾旺盛，大部分能量用于潜热消耗，只有小部分感热通量用于升高 冠层温度，因此冠层温度较低，作物冠层与空气温度之差也较小。而当土壤含水量较低时， 植被会因受到水分胁迫而关闭部分叶片气孔以减少蒸腾耗水，潜热通量消耗的减少将导 致感热通量的增加，从而引起冠层温度的升高。从而与空气温度之差增大。因此，作物冠 层温度与空气温度之差( t c t a ) 的高低可作为土壤墒情的反映。作物水分胁迫指数法的计 算公式为： c 聊：空! 二坐 以一奶 公式中：d t 是作物冠层温度与空气温度之差，d t u 是作物冠层温度与空气温度之差的 上限( 这时由于干旱作物没有呼吸作用) ，d t l 是作物冠层温度与空气温度之差的下限( 这 时作物的水分供应充足) 。空气温度值在区域较小，空气温度变化不大时，用气象站点的 测量的空气温度值代替。 由上式可知，c w s i 为0 时表示作物水分供应充足，无水分胁迫，为1 时表示作物受到 最严重的水分胁迫。 c w s i 方法是对完全覆盖( 郁闭) 的植被适用。 2 3 4 表观热惯量和土壤含水量反演方法 威廉斯土壤学认为“土壤是地球表面能够生长植物收获物的疏松表层”，其特点是具 o 塑垩奎兰堡主堂垡丝奎 堕型呈堕壅堕鱼垫垄圣壁些塑查鲨堑塞 有肥力，即能为植物提供水份、氮素和灰分营养元素的能力，同时它也是接纳和储存降水、 提供蒸发水源的基础水库。土壤水的变化会直接影响植物的生长和陆地的整个水循环。土 壤湿度即土壤含水的程度，计量土壤湿度的方法主要有两种，即：含水量占干土重的百分 比、含水量占土壤容积的百分比，土壤含水量都按特定土层所含水层厚度，以毫米为单位 计算。 土壤的温度分布取决于土壤的热性质，即土壤的热容量和土壤的导热率。土壤的热容 量指单位体积土壤增温1 所需的热量，它由组成土壤的水、空气和固体颗粒的热容量按 所占的体积加权平均求得，即： c = ( c s v s + c w 、，w ) + c a v a v 式中：c s ，c w ，c a 分别为固体颗粒、水、空气的容积热容量：v s ，v w ，v a 分别为固体颗粒、 水、空气所占的体积：v = v s + v w + v a ，为土壤的总体积。由于土壤中空气的c a 非常小，而水的 热容量约为固体颗粒的两倍，因而c 主要随土壤的容积含水量。而变化，即： c = c s v s + c0 土壤中热量从温度高的部分传导到温度低的部分的过程称为土壤热传导土壤在不同 空间点有不同的温度，且温度还随时间变化，因此，可以用温度场丁( 五只磊幻来描述 其温度的时空分布。温度场中存在热量流动，热量由较热部分向较冷部分流动。假设土层 是半无限大的均匀介质且其温度变化是周期性的，只考虑垂直方向的热量传导，根据热传 导定律和土壤热传导方程可得： 归压p 式中： q ：为在温度变化半周期内通过地表( z = o ) 的总能量； 瓦：为地表温度变化的振幅； 彩：为温度变化的角频率，缈= 2 州f 。，乙为温度变化的时间周期； 只为热惯量，尸= 却，名为热导率，c 为土壤比热，p 为土壤密度； 由( 1 ) 式可见，当地物吸收或释放的热量相等时，地物温度变化的振幅与地物的热 惯量成反比，即：雅大的地物，日温差小；雅小的地物，日温差大。根据这一特性，可 以利用遥感技术，将之应用于监测大面积土壤水分含量变化。 热惯量是地物的体内特性，不是表面特性，不能用一般的遥感方法直接测量。因此， 建立热惯量的遥感信息模型是必须的。 热惯量受多种因素的影响，土壤颗粒大小、结构组成、固体密度、含水量、孔隙度、 环境温度等多种因素均对热惯量值产生影响。研究表明，土壤热惯量值与土壤水分含量之 间有很好的相关关系。不同类型、不同质地的土壤热惯量与土壤水分含量的线性相关关系 不尽相同。土壤类型、土壤质地对热惯量一土壤水分含量关系均有直接影响，且影响程度 1 0 浙江大学硕士学位论文杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究 处于同一数量级。 表观土壤热惯量模型： 根据地表辐射平衡方程和土壤热传导方程可获得下式： 坐：三压i 万面 ( 2 ) 丁 2 s o 舀4 l 式中： 口：地表反照率； 丁：为地表日最高温度k 与最低温度之差； 鼠：太阳常数； f ：太阳短波辐射的大气透过率； b 为与气象条件和地表状况有关的参数； 彳。为傅立叶展开式中基频振幅； 屿含义同上。 由式( 2 ) 可见，! 寻的值随热惯量p 的增大而单调上升。 称彳口= 芸笋为表观热惯量。 由此得出两点结论： ( i ) 彳刀= 芸手值的大小反映了地物热惯量尸的大小。彳口= 之手值越大，p 也大： 彳口= 芸笋值越小，p 也小。 ( i i ) 日周期内，如果不同地物所吸收的太阳能量相同，即( 1 一口) 相同，那么，热惯 量大的地物昼夜温差r 小，热惯量小的地物昼夜温差丁大。 由于