（气象学专业论文）基于eosmodis卫星数据的甘蔗干旱遥感监测模型及其应用研究.pdf

摘要 干旱是全球范围内影响最广的自然灾害，在全球气候变暖的大环境下，干 旱化趋势在进一步发展，利用遥感技术监测区域干旱一直是遥感应用的主要内 容之一。本文重点研究在混合喀斯特与非喀斯特地形地貌、多植被覆盖的南方 地区，结合m o d i s 数据的植被指数和陆地表面温度的复合信息，并根据陆地表 面温度与植被指数反映干旱信息的敏感程度，赋予陆地表面温度和植被指数不 同的权重值，建立植被温度状态指数( d i ) 干旱遥感监测模型，并将该模型应用 于广西秋旱监测和甘蔗旱情监测。 研究采用1 4 0 d i s 植被指数和陆地表面温度，建立植被状态指数( v c i ) 、温 度状态指数( t c l ) 和植被温度状态指数( d i ) 模型，经试验分析后确定植被温度状 态指数模型中v c i 和t c i 的权重分别取值0 4 和0 6 ；使用2 0 0 4 年1 0 1 1 月遥 感数据对各模型应用于广西喀斯特区和非喀斯特区干旱监测的适用性进行了论 证分析，结果表明：在混合喀斯特与非喀斯特地貌的南方地区进行干旱监测， 植被温度状态指数( d i ) 的适用性最优，温度状态指数( t c i ) 次之，植被状态 指数( v c i ) 的应用效果较差。 研究选用适性用最优的植被温度状态指数模型( d i ) 对2 0 0 4 2 0 0 6 年秋季 的广西区域旱情和广西甘蔗旱情进行了监测试验，提取了各类干旱等级面积， 经与降水实况和干旱调查结果对比分析，证明遥感监测结果与实况基本相符， 表明植被温度状态指数遥感监测模型能准确地反映广西秋旱和甘蔗旱情的时空 变化特征，适用于地形地貌复杂、植被类型多样的南方地区的干旱监测。 此外，研究了在地形地貌复杂、多种作物并存的南方地区，利用地理信息 数据和土地利用现状图，结合g p s 测定的训练样本区，采用逐月m o d i s 数据的 n d v i 指数进行逐步剔除的方法，提取广西甘蔗信息，获取了广西甘蔗种植区域， 并进行了甘蔗的干旱遥感监测试验，取得了理想结果。 主要创新点在于针对混合喀斯特与非喀斯特地形地貌、多植被覆盖的南方 地区，综合利用了植被指数和陆地表面温度的复合信息，建立植被温度状态指 数( d i ) 模型，通过试验分析，给出了模型中权重系数r - 、r 2 的最佳取值组合； 结合地面g p s 定点数据，进一步研究了基于m o d i s 数据的甘蔗遥感信息的识别 与提取技术，并利用该模型实现了广西秋旱和广西甘蔗旱情的动态遥感监测。 关键词：干旱，遥感监测，m o d i s ，甘蔗 a b s t r a c t d r o u g h th a sc a u s e dt h em o s ts e v e r el o s si na l lo ft h em e t e o r o l o g i c a ld i s a s t e r si n t h ew o r l d a st h ec l i m a t ew a r m m i n g ，d r o u g h tw i l lb ef e a r f u lf a r t h e ri nt h eg l o b a l c h a n g ee n v i r o n m e n t n l er e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n gh a sb e e nc o n s i d e r e db y n u n l e t o u ss c i e n t i s t s 船o n eo f t h ei m p o r t a n tm e a n sf o rd r o u g h tm o n i t o r i n g n 坨s t u d y f o c u s c do nr e g i o n a ld r o u g h tm o n i t o r i n gm o d e l so n l yb a s e do nv c ia n dt c if r o m m o d i sd a t ai ns o u t hc h i n at h a th a sam o u n t a i n o u st o p o g r a p h y u s i n gt h er e g i o n a l d r o u g h tm o n i t o r i n gm o d e l s ，t h es p a t i o - t e m p o r a lp a t t e r no fr e g i o n a ld r o u g h ta n d s u g a r c a n ed r o u g h ti no u a n g x iw e r es t u d i e df r o ms e p t e m b e rt on o v e m b e r i n2 0 0 4 2 0 0 6 f i r s t , l a n ds r l - f a c et e m p e r a t u r e a n dn o r m a l i z e dd i f f e r e n tv e g e t a t i o ni n d e x d e r i v e df r o mm o d i sw e r eu s e dt oe s t a b l i s hv e g e t a t i o nc o n d i t i o ni n d e x ( v c ) m o d e l ，t e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni n d e x ( t c i ) m o d e la n dv e g e t a t i o n - t e m p e r a t u r e i n d e x ( d i ) m o d e l ，a n dt h eh i g h e rw e i g h tw a sa s s i g n e dt ot h et c ii nt h ed im o d e l ， b a s e dd a t af r o mo c t o b e rt on o v e m b e ri n2 0 0 4 b yu s i n gc o r r e l a t i v ee o e f f i c i e n t sa n d ra n dc rt h er e a s o n a b l eo fv c ia n dt c ia n dd if o rd r o u g h tm o n i t o r i n gi s r e s p e c t i v e l ye v a l u a t e di nk a r s ta 9 6 c u l t u r ea r i da r e aa n dn o n - k a r s ta g r i c u l t u r ea r e ai n o u a n g x i n 圮r e s u l t ss h o wt h a td ii st h em o s tp r o m i s i n gm e t h o di nm o n i t o r i n g d r o u g h tf o rs o u t hc h i n a ；t c ih a st h ep o t e n t i a lo nm o n i t o r i n gd r o u g h tw h i l ev c ii s n o tc o m p e t e n tf o rm o n i t o r i n gd r o u g h ti ns o u t hc h i n a i na d d i t i o n , u s i n gt h ed im o d e l ，t h es p a t i o - t e m p o r a lp a t t e r no f r e g i o n a ld r o u g h t a n ds u g a r c a n ed r o u g h ti ng u a n g x if r o ms e p t e m b c rt on o v e m b e rw a ss t u d i e di n 2 0 0 4 2 0 0 6 d i ss p a t i o t e m p o r a lp a t t e mw a sc o m p a r e dw i t ht h er e a ld r o u g h t c o n d i t i o nf r o mt h eo b s e r v a t o r i e sa r o u n dg u a n g x i 。t h u sd i sv a l i d i t yi ne v a l u a t i n g d r o u g h tw a sv e r i f i e de s p e c i a l l yi ns o u t hc h i n at h a th a sa m o u n t a i n o u s t o p o g r a p h y f u r t h e r m o r e ，b yu s i n gg e o d a t a a n ds a m p l ea r e a 8 ，t h e s u g a r c a n e f i e l d s i n f o r m a t i o nw a se x t r a c t e dw i t hm o n t k l yn d v if r o mm o d i sd a t ai ng u a n g x ia n d t h es u g a r c a n ed r o u g h td y n a m i cr e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n gw a sa c h i e v e d ，t h er e s u l t w a sg o o d t h ei n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r et h a tu s i n ga d d i t i v ec o m b i n a t i o no fv c ia n d t c ib a s e do nm o d i sd a t a , t h ev e g e t a t i o n - t e m p e r a t u r ei n d e x ( d dm o d e lw a s c o n s t r u c t e d ，a n dt h eh i g h e rw e i g h tw a sa s s i g n e dt ot h et c i , r e s e a r c ho fi n f o r m a t i o n e x t r a c t i o no fs u g a r c a n e 丘e l d sa n da c h i e v e m e n to fr e g i o n a ld r o u g h ta n ds u g a r c a n e d r o u g h td y n a m i cr e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n gw i t hd im o d e li ng u a g x ip r o v i n c e k e y sw o r d s ：d r o u g h t ，r e m o t es e n s i n gm o n i t o r i n g ，m o d i s ，s u g a r c a n e 2 学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持以。求实、创新的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名：i 盏邀 日期：笪翌： ：笙 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名；l 至望独 日期：丝翌：! ：垣 1 1 研究的目的和意义 第一章前言 干旱是指由水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺现象。因其出现频率高、持续时 间长、波及范围大，对国民经济特别是对农业生产有严重影响。故历来被人们关注1 9 9 4 年1 2 月第4 9 届联合国大会根据联大第二委员会( 经济和财政) 的建议，决定从1 9 9 5 年起把每 年的6 月1 7 日定为“世界防治荒漠化和干旱日”，旨在唤起人们对干旱化和荒漠化的关注， 表明干旱与荒漠化问题已经成为世界性的问题。迈克尔t 克莱尔在资源战争中预言2 1 世纪的战争将主要是围绕争夺水资源而展开的战争“。据联合国环境计划署估计，全球有 3 5 的土地和2 0 的人口受到干旱和沙漠化的威胁，每年的沙漠化面积多达6 0 0 万公顷，给 农业生产造成的损失约2 6 0 亿美元。举世瞩目的非洲撒哈拉和苏丹地区的特大干旱从6 0 年代 末一直延续到8 0 年代末，创下了近代干旱持续时间最长的记录，且有2 2 个国家受害，损失 非常惨重 2 】 中国地处东亚，季风气候明显，逐年之间季风的不稳定性造成了我国干旱的频繁发生， 使干旱成为对我国农业生产影响最严重的气象灾害。尽管我国的农田水利设施在不断完善、 灌溉面积不断扩大，但干旱成灾面积仍在增加。2 0 世纪5 0 年代的平均成灾面积为5 1 8 万公顷， 6 0 年代为7 9 9 万公顷，7 0 年代增至8 5 6 万公顷，8 0 年代达l1 2 9 万公顷，9 0 年代高达11 9 4 万 公顷；进入2 l 世纪后，2 0 0 0 2 0 0 3 年4 年干旱平均成灾面积达l9 6 0 万公顷p 1 中国是一个农业大国，农业的兴衰对国民经济具有十分巨大的影响。而对于农业来说， 旱灾比水灾更严重。每年遭受各种自然灾害的农田面积和粮食作物减产损失中，旱灾要占 一半以上【j ，根据李吉顺等对中国民政统计年鉴( 1 9 4 9 1 9 9 2 ) 中我国农作物受灾面积 资料的统计分析结果，发现无论是受灾面积或成灾面积，旱灾均占各类灾害全部的5 0 9 6 6 0 吼近年来，由于人口膨胀、工农业发展以及全球变暖等因素的影响，干旱问题、水资 源匮乏日益严重，而且水资源短缺势必加重干旱带来的威胁。水资源短缺是由其总量的有 限性和分布的不均匀性所决定。我国水资源总量上的不丰富与时空分布上的不均匀就决定 了我国大范围干旱的频繁发生干旱已成为制约我国农业生产和城市发展的主要因素。旱 灾所造成的损失已经严重阻碍了我国国民经济的增长和社会的进步，并对生态环境产生了 难以估量的破坏，进而影响到社会、经济、环境的可持续发展。据中国2 l 世纪人口与发 展白皮书资料，我国人口将持续增长，到2 1 世纪中叶达到1 6 亿的极限峰值，人多地少水 少的矛盾更加突出，日显严重的水危机，使我们无法回避突显出来的频发干旱问题 干旱灾害受到天、地、气等多种复杂因素的影响。具有高维性、复杂性、动态性及开 放性等特征，目前我们还不能防止它的发生，因此大面积，及时、准确的监测农田干早信 息，评估干旱程度和等级，对采取积极有效的抗旱措施，科学地安排灌溉，最大限度地降 低干旱造成的损失有重要的指导意义。遥感技术( r s ) 、地理信息系统( 6 i s ) 和全球定位系统 ( g p s ) 的产生和发展为区域干旱监测提供了有力的手段，尤其利用遥感技术进行大范围、动 态、实时的土壤水分和作物缺水监测对促进农业生产和区域可持续发展具有重要的现实意 义。因此，从宏观上系统地研究干旱的成因、干旱的发生规律，探讨确实可行的干旱监测 方法，客观有效地对于旱的发生、发展进行动态监测，并进一步提出抗旱减灾措施已成为 目前的迫切需求 本研究是广西气象局重点科研攻关项目“基于m o d i s 卫星数据的广西洪涝、干旱、 火情遥感监测业务产品制作平台开发”、中国气象局2 0 0 6 年新技术推广面上项目“我国甘 蔗主产省区蔗糖产量监测预测服务系统”以及广西科学基金项目“干旱对甘蔗长势影响的 遥感监测技术研究”的主要研究内容之一，本文主要针对南方季节性农业干旱问题，以广 西为试验区，并以植被指数和陆地表面温度构建干旱遥感监测模型为目标。从区域尺度和 单一作物( 甘蔗) 研究方面探讨干旱遥感监测方法，主要研究内容是：利用e 0 s m o d i s 数据 建立植被状态指数模型( v c i ) 、温度状态指数模型( t c i ) 、植被温度状态指数模型( d i ) ，根 据我国南方喀斯特与非喀斯特地貌并存的干旱遥感监测特点，对这三个模型进行适用性论 证；利用e o s m o d i s 数据，结合地面资料和g p s 定位数据以及g i s 技术，进行甘蔗种植信 息的识别与提取，获取广西甘蔗种植区域：采用植被温度状态指数法进行广西区域秋季干 旱信息提取和时空分布分析；基于已获取的广西甘蔗种植区域，采用植被温度状态指数模 型进行近三年广西甘蔗干旱监测，并应用于服务。 2 1 2 国内外干旱遥感监测方法研究现状及应用概况 由于干旱涉及气象、农业，水文及社会经济等多种学科，不同学科的着眼点不同，使 用资料不同，提出的干旱指标多种多样传统的干旱监测主要依赖降水量、土壤湿度等要 素，采用降水距平百分率指标、标准化降水指标、月降水量与蒸发量差指标、水分供求差、 相对蒸散量指标等等进行干旱监测评估，由于这些要素测点少等原因。难以实现大范围、 实时、动态的干旱监测，而且费时、费力。遥感技术具有宏观、快速、动态、经济的特点 特别是可见光、近红外和热红外波段能够较为精确地提取一些地表特征参数和热信息，解 决了常规方法存在的问题，打开了干旱监测的新途径。国内外利用可见光和红外遥感监测 干旱和反演土壤水分的方法大致可以分为以下几类： 1 2 i 热惯量模型 热惯量是地物阻止其温度变化的一种特性，在地物温度的变化中，热惯量起着决定性 的作用。土壤热惯量与土壤的热传导率、比热容等有关，而这些特性与土壤含水量密切相 连，因此可以通过推算不同形式的土壤热惯量反演土壤水分从最早研究地球表面热惯量 的j a e g e r ( 1 9 5 3 ) 嘲开始，国内外的学者就此做了大量的研究工作1 9 7 8 年美国热容量制图 任务卫星( t h es a t e l l i t ef o rt h eh e a tc a p a c i t ym a p p i n gm i s s i o n 。h c m m ) 的发射成功， 以及t i r o s s 和n o a a 系列卫星的运行，它们可以获得地表高分辨率的卫星图像数据、地表热 惯量分布数据，这使得通过昼夜最大与最小温差计算土壤水分成为可能。w a s t o n 1 】等( 1 9 7 1 ) 在j a e g e r 研究工作的基础上发展了热惯量模型：p o h n 等 8 1 于1 9 7 4 年用n i m b u s 气象卫星数据 制作了热惯量等值线图；i d s o 等1 9 1 通过对裸露土壤表层l o o m 以内土壤含水量与温度日变幅 的相关性进行研究，提出利用基于热惯量的能量平衡方程估算土壤水分的方法。r o s e m a 删 等进一步发展了他们的工作，提出了计算热惯量、每日蒸发的模型；p r i c e ( 1 9 7 7 ) i l ”系统地 阐述了热惯量方法、熟惯量的遥感成像，以及利用遥感数据计算热惯量的方法，并且提出 了表观热惯量概念，从而可用卫星提供的可见光、近红外反射率和热红外辐射温度差计算 热惯量，然后估算土壤水分由于土壤熟惯量与土壤水分含量的关系非常密切，在土壤含 3 水量高的情况下，土壤熟惯量大，土壤阻碍温度升高或降低的能力强，昼夜温差小：相反， 在土壤含水量低的条件下，土壤热惯量小，昼夜温差大遥感获取土壤热惯量模型在遥感 监测区域干旱中得到了广泛的应用。 我国土壤热惯量遥感模型在干旱监测中应用的研究起步于8 0 年代，并得到了长足的发 展。张向前、马蔼乃等l l ”于1 9 8 4 年利用航空影像制作了我国的第一张热惯量图：刘文兴、 冯勇迸f 1 3 】提出用实测土壤热惯量校正模型结果的方法。其计算误差控制在舒6 以内；隋洪 智等口哪利用n o a a a v h r r 数据图像，在考虑了地面因子和大气因子的情况下发展了执惯 量模型，找出了适合区域性的热惯量与土壤水分的相关方程，并计算了土壤水分；田国良 等( 1 9 9 0 ) 【1 5 1 利用气象站观测数据与n o a a - a v i i r 数据结合，分别在河南麦地及覆盖麦田 用表观热惯量及蒸散与作物缺水指数法分析了土壤水分。马蔼乃等利用机载、星载仪器的 各波段探测资料研究熟惯量。推导出了裸土或低覆盖情况下从真实热惯量到真实土壤含水 量的计算模型【1 6 】，进而推：- n 作物覆盖情况下的计算模型9 1 ；在热惯量模式的推演和改进 方面，张仁华( 1 9 9 0 ，1 9 9 1 ) 【培1 9 l 在充分利用热红外影像图空间信息的基础上，提出一个考虑 地表潜热通量和感热通量的热惯量模式。热惯量法从土壤本身的热特性出发反演土壤水分， 要求获取纯土壤单元的温度信息，当有植被覆盖时，受混合像元分解技术的限制精度将降 低，因此热惯量法主要应用于裸土条件下。在有植被覆盖条件下土壤表面的热信息受到植 被的阻挡。裸地或稀疏植被覆盖条件下的土壤水分的估算模型采用的土壤熟惯量性质纯属 物理学特性，而在有植被覆盖的条件下土壤表面的热信息受到植被的阻挡，植被冠层的热 红外波段的辐射信息成为遥感信息源，这种信息不仅包含了物理学性质，还包含了生物学 特性。在植被受水分胁迫时，反映植被生长状况的遥感植被指数会发生相应变化，可通过 这种变化来间接监测土壤水分状况和评价干旱情况。 1 2 2 基于植被指数的干旱监测模型 植被指数是由卫星传感器可见光和近红外通道探测数据的线性或非线性组合形成的， 能够反映绿色植物生长和分布的特征指数。一般来讲，当作物缺水时，作物的生长将受到 影响，植被指数将会降低。旱情遥感监测中应用最广泛的是归一化植被指数( 、i d v i ) 。国内 4 外很多学者应用n 0 从a v 职r 资料做了很多探索口o “l ，p r o u t 等1 2 用n o a a a v h r r 的植被指 数与气象资料( 降水等) 预报加拿大东部地区的农田干旱，准确地预报了1 9 8 5 年的干旱对农 业生产的影响。t u c h e r & c h o u d h u r y ( 1 9 8 7 ) 叫在假定植被生长相对于历史平均水平降低。是 由于降水减少引起的前提下，利用1 9 8 4 1 9 8 6 年3 年的历史n d v i 资料评价旱情jl i u i 2 q 等分析了南美大陆的n d v i 和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 ) 与降水的关系，他们认为 用v c i 可有效监测区域干旱的时间和空间演化过程并能评估干旱的严重程度，而用n d v i 可 有效监测大尺度的气候变化趋势陈维英等( 1 9 9 4 ) l 捌利用气象学中常用的距平概念，利用 多年历史n i ) v i 数据，计算距平植被指数来研究1 9 9 2 年全国特大干旱。陈乾口8 用n o a a 卫星 的如v i 监测甘肃省的干旱，结果表明，植被指数的相对变率分布与相应时期的2 0 c m 土壤 相对湿度和降水量的偏差均一致。居为民1 2 7 1 等用n o a a a v h r r 相对距平植被指数，成功地 对1 9 9 4 年江苏省的严重干旱进行了监铡：李星敏【2 8 】等利用研究区域2 0 0 1 年n o a a 一1 6 卫 星遥感资料和有关气象资料，根据作物生长发育季节，选择通道l ( c h l ) 、通道2 ( c h 2 ) 、通 道3 ( c h 3 ) 、通道4 ( c h 4 ) 、通道5 ( c h 5 ) 的资料、归一化植被指数、比值植被指数、差值植 被指数和气温等1 2 因子，使用逐步回归的统计方法进行因子筛选，用选出的因子建立研究 区域不同季节干旱遥感监测模型，用建立的模型对2 0 0 2 年该区春季干旱进行监测，监测结 果与地面观测结果比较一致k o g a n ( 1 9 9 5 ) 1 2 9 利用同季相多年历史n d v i 资料，根据同像元 多年最大和最小, v d v i 评价植被相对生长状况，k o g a n ( 1 9 9 5 ) 认为地区最小n d v i 是由该地 土壤水分等资源条件决定的，而最大l q ) v l 是由当地气象条件决定的，由此根据多年像元 n d v i 变化范围，对n i ) v i 进行归一化提出植被状态指数( v e g e t a t i o nc o n d i t i o ni n d e x ，v c l ) 作为衡量植被受环境胁迫程度的指标，表明v c i 能够较好地反映降水动态变化，并且能够 用来描述植被时空变化；按照k o g a n ( 1 9 9 0 ) p o 定义，建立在n d v i 时间序列数据基础上的v c i 可以表示为： v c i 舭= 篙篙筹吉蝴 式中、i j 业为第k 年j 时相i 像元的v c i 值；n d v i 独为第k 年j 时相i 像元的n d v i n d v i 删n d 。蝴分别指多年j 时相i 像元的最小n d v i 和最大n d v i ，事实上由于 5 n d 。叫和n d m 随着数据集时间段是有差异的，由此计算v c l 只能反映数据集时间 段内植被的相对生长状况蔡斌等川利用v c i 研究我国土壤湿度状况。应用v c i 结合常规 资料进行综合分折，对我国的干旱状况进行宏观动态监测u n g a n a i 等【”】利用v c i 对南部 非洲的干旱进行监测并进行了玉米估产试验；冯强等利用v c i 作为评价指标对全国耕地 旱情进行评价但v c i 在不同的研究区域、气候状况以及生态环境等条件下的表现并不相 同( k o g a n ，1 9 9 5 ) 。此外，b u r g a n 和h a r t f o r d ( 1 9 9 3 ) 脚1 根据多年时间序列n d v i 提出相对绿 度( r e l a t i v e6 r e e n e s si n d e x ，r g i ) 的概念，相对绿度为像元当前n d v l 和历史多年同季相 n i ) v i 均值的比值。v c i 和r g i 被广泛用于早情监测和作物估产等方面的研究期 但研究表明植被指数作为监测指标，它对旱馕的反映具有滞后性由蒸发、蒸腾引起 的土壤、冠层温度的升高现象对水分胁迫的反映更具时效性，植被冠层温度升高是植物受 到水分胁迫和干旱发生的最初指示器，这一变化甚至在植物为绿色时就可能发生。因此从 理论到实践上许多学者展开了红外波段信息在土壤水分遥感和干旱监测评估中的应用研 究。 1 2 3 基于冠层温度的作物水分状况评价模型 红外测温仪的出现使快速测定冠层表面温度得以实现，在红外测温仪的视场角内不是 单株植物而是多株植物的冠层，因此所测的温度具有群体统计概念，利用植物冠层表面温 度的基本信息，提取土壤水分含量信息是热红外遥感植被覆盖条件下土壤水分信息的途径 之一。最早利用冠层温度评价作物生长水分状况的研究出现在上世纪7 0 年代( a s t o ne t a 1 ，1 9 7 2 ) l ：”i 。曾经有大量的经验和理论研究强调利用植被冠层温度衡量植被或土壤属性 ( t a n n e r ，1 9 6 3 ；j a c k s o n ，1 9 8 2 ：i d s oe ta 1 ，1 9 8 6 ) ，在这些研究中有建立冠层温度与土壤水 分( j a c k s o ne ta 1 ，1 9 7 7 ：j a c k s o n ，1 9 8 2 ) 、植被水分胁迫( i d s oe ta 1 ，1 9 7 8 ：j a c k s o na n d p i n t e r ，1 9 8 1 ) 或植被蒸腾速率等( j a c k s o ne ta 1 ，1 9 8 3 ) 之间关系。张仁华( 1 9 8 4 ) 在禹城综 合实验站遥感实验场以e r 2 0 0 7 红外测温仪对不同水分处理的1 7 5 m x1 7 5 m - j , 麦地测量分析 表明随着土壤水分含量的增加，其温度变率及日变化幅度均减小，当冠层温度的瞬时变率 大于0 8 时就表示作物已经呈现缺水状况，平均冠层温度变率大于0 5 8 时就应该灌溉。在以 6 冠层温度作为评价指标的初期。主要利用不同水分状况下的冠层温度的变化特征与土壤水 分含量进行比较达到评价的目的这类指标主要包括反映一段时阅内冠层温度与气温差总 q 和伍一乃) 的胁迫积温( s t r e s sd g r e ed a y ，s s d ) ( i d s oe ta 1 ，1 9 7 7 ；j a c k s o ne ta 1 ， 一l 1 9 7 7 ) ，冠层温度变率( c a n o p yt e m p e r a t u r ev a r i a b i l i t y , c t v ) ( c l a w s o ne ta 1 ，1 9 8 2 ) ， 温度胁迫日( t e m p e r a t u r es t r e s sd a y ，t s d ) ( ga r d n e re ta 1 1 9 8 1 ) 以及温度状态指数 ( t e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni n d e x ，t c i ) ( k o g a n ，1 9 9 5 ) 。d a s ( 1 9 9 1 ) 分别对s d d ，c t v ，t s d 以及 c w s i 等指标在农业灌溉上的应用作了比较评价g u t m a n ( 1 9 9 0 ) 认为植被指数可能因为农业 耕作活动而发生改变，而这种改变并不是气候变化的真实反映，因此他尝试用n o a a a v h r r 热红外通道数据获得的表面温度监测旱情，并分析了表面温度与p d s i ( p a l m e rd r o u g h t i n d e x ) 的关系，发现用表面温度监测有时甚至比用植被指数更有效所以他建议用植被指 数辅以表面温度信息进行干旱监测 k o g a n p 7 魄出了温度条件指数( t c i ) 的概念，t c i 与v c l 相似，也是一个受气候条件、生 态环境等的影响( k o g a n ，1 9 9 5 ) i “，在地形变化复杂的地区并不适用( s ue ta l ，2 0 0 3 ) 。王 鹏新等【3 9 1 ( 2 0 0 1 ) 提出了条件植被温度指数( v t c i ) 使用热红外波段监测土壤水分的遥感模型及其应用方面，国内发展迅速，大多利用 n o a a a v h i l r 资料进行土壤水分或干旱的宏观监测应用研究。田国良等【柚1 ( 1 9 9 2 ) 通过计算河 南省7 2 个县的作物缺水指数( c w s i ) ，并利用c 1 s i 与各气象站5 - 5 0 c m 土壤水分的关系进行 土壤水分分布估算；肖乾广等1 ( 1 9 9 4 ) 从土壤的热性质出发，在求解熟传导方程的基础上 引入了“遥感土壤水分最大信息层”概念，并以此理论建立了多时相的综合土壤湿度统计 模型。辛景峰p 2 ( 2 0 0 3 ) 利用n o a a a v h r r 数据集，研究了土壤湿度与地表温度植被指数的相 关定量关系。 1 2 4 结合植被指数和陆地表面温度的干旱监测模型 在植被覆盖条件下，s a n d h o l t 等“3 1 认为利用n d v i 作为水分胁迫指标表现出定的滞 后性，加v i 更适用于干旱灾害评估，g o e t z 等【“l 认为温度作为水分胁迫指标有更高的时效 7 性，在干旱监测方面更具优势。因此，结合植被指数和陆面温度的复合信息监测区域旱情 更显合理。其中一个应用广泛的方法是结合陆地表面温度和植被指数的v i t s 法。自从 n e m a n ia n dr u n n i n g ( 1 9 8 9 ) 利用v i - t s 研究蒸散以来，这方面的理论和应用研究发展迅速。 国内外学者使用遥感手段获得的地表温度和植被指数构成的特征空间。尝试各种反演土壤 湿度的方法。g o w a r d l i o p e ( 1 9 8 9 ) p 目利用n o a a a w h r r 数据发现t s n d v i 关系随土壤湿度变 化。n e m a n i r u n n i n g ( 1 9 8 9 ) l 舳1 利用n o a a a v h r r 数据，根据t s 和n d v i 相关直线的斜率计 算冠层阻力，以估测针叶林地区土壤有效水分fc a r l s o ne ta 1 ( 1 9 9 0 ) m 利用航空数据， 根据t s n i ) v i 的关系估测作物冠层和裸土温度，并利用边界层模型( b o u n d a r yl a y e rm o d e l ) 估测土壤含水量；p r i c e ( 1 9 9 0 ) 1 4 s ) h u 利用n o a aa v h r r 数据通过地表温度与植被指数( n d v i ) 的关系估测区域蒸散；s m i t h & c h o u d h u r y ( 1 9 9 1 ) 利用t m 图像研究t s n d v l 关系，认为植被 类型影响t s q d v i 斜率与土壤湿度的关系；n e m a n ie ta 1 ( 1 9 9 3 ) ，f r i e d l & d a v i s ( 1 9 9 4 ) h 9 l 研究了植被类型、灌溉、图像窗口、士地覆盖类型、日变化等各种因素对t s n d v i 斜率的 影响；m o r a ne ta 1 ( 1 9 9 4 ) i ”! i k 为植被指数，地表温度和空气温度的差值构成梯形，并提 出了适宜部分植被覆盖的水分亏缺指数( 1 r d i ) ， d i 表示实际蒸散与潜在蒸散的比率，根据 土壤一植被一大气传输模型确定梯形边界，利用地表温度与空气温度的差值和植被指数的 关系估测w d i f r i e d l 等0 9 9 4 ) ”】认为v i - t s 之间的负相关性主要由土壤背景温度和冠层 温度差及植被覆盖度等引起，此外也有人认为这种现象是由植被冠层蒸腾的降温作用引起 的，也就是说参与蒸腾的叶面积的空间变异是t s 空间变异的来源之一。p r i c e ( 1 9 9 0 ) 嘲和 c a r l s o n ( 1 9 9 4 ) ! ”1 发现当研究区域的植被覆盖度范围较大，以遥感资料得到的t s 和n d v i 为横纵坐标得到的散点图呈三角形。c a r l s o ne ta l ( 1 9 9 5 ) “1 和g i l l i e se ta l ( 1 9 9 7 ) 1 5 习 在不依靠气象数据的情况下利用v i t s 法建立了s v a t 模型。估算了土壤有效含水率； c a r l s o ne ta 1 ( 1 9 9 5 ) 根据航空数据研究图像空间分辨率对植被指数与地表温度特征空间 干边的影响。p r i h o d k o g o w a r d ( 1 9 9 7 ) 利用t s v i 斜率与地表蒸散速率的关系来估测空 气温度。g i l l i e se ta 1 ( 1 9 9 7 ) 根据航空数据利用t s 与n d v i 三角形方法估测土壤有效 水分含量。g o e z z ( 1 9 9 7 ) 研究了不同分辨率( a v h r r ，n l ，s p o t 等) 下t s 如v i 斜率与土壤湿度 的关系；b o e g he ta 1 ( 1 9 9 9 ) 利用t s - n d v i 关系估测蒸腾速率；s a n d h o l ce ta 1 ( 2 0 0 2 ) 嗣 8 基于植被指数和地表温度的关系，提出了温度植被干旱指数( t v d i ) 估铡土壤表屡水分状况， 该指数只表示土壤湿度的相对状态。g o w a = r de ta 1 ( 2 0 0 2 ) 川研究影响t s h d v i 斜率关系 的各种因素，并提出了估测土壤湿度的回归方程，但其结果与实际情况存在较大差异。j i a n g a n di s l a m ( 2 0 0 1 ) 通过线性分解v i t s 散点图估算p r i s t l y - t a y l o r 公式中的参数。m o r a ne t a l ( 1 9 9 4 ) s 光谱植被指数和温度来研究遥感估算蒸散量；p r i h o d k o 和g o w a r d ( 1 9 9 7 ) 和b o e g h 等( 1 9 9 8 ) 5 9 】发现t s n d v i 斜率与地表蒸散速率有一定的函数关系，并且可以用来 计算气温；b o e g h 等( 1 9 9 8 ) 根据对各种植被类型的n d v i t s 线性关系，将遥感获得的t s 数 据分解为稀疏植被条件下的叶温和土壤温度；n e m a n i 和r u n n i n g ( 1 9 8 9 ) 建立t s n d v i 斜率 与气孔阻力及蒸散之间的联系。 在国内，肖乾广，陈维英等( 1 9 9 5 ) 按照n d v i 和陆地表面温度比值作为植被供水指数 ( v s 耵) 来评价干旱情况；莫伟华等i 叫应用1 9 9 5 - 2 0 0 0 年从卫星资料，结合广西贵港市的数 字化土地利用信息，通过时序分析方法找出典型作物代表区，并计算各典型代表区的平均、 最大、最小v s w i ( v e g e t a t i o ns u p p l yw a t e ri n d e x ；植被供水指数) 特征值，归纳分析水 田和旱地的干旱指标，继而根据典型代表区的平均v s w i 值划分早情等级，生成农田旱情遥 感图像，评估干旱情况王鹏新等( 2 0 0 i ) 1 6 ”结合陆地表面温度和植被指数研究陕西关中平 原地区的相对干旱情况；刘丽等( 1 9 9 8 ) | 6 2 1 应用n o a a 气象卫星a v h r r 通道i ，2 ，4 数据建立了 植被供水指数( v s w l ) 监铡贵州干旱，建立了植被供水指数和地面干旱指数之间的回归方程； 辛景峰( 2 0 0 3 ) 岬1 利用小窗口p i l h d v i 与t s 呈负相关的性质，利用窗口内像素点n d v i 与t s 之间 的拟合斜率来评价土壤含水量i 王鹏新等( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 咿0 1 在t s - n d v i 构成的三角形空间的 基础上。提出了条件植被指数( v t c i ) 模型来监测干旱：刘良云等 “1 ( 2 0 0 2 ) 利用t s 与n i ) v i 关 系对地物进行分类，提取了植被覆盖和土壤湿度的信息；齐述华等( 2 0 0 3 ) 即1 利用n o a a - a v k r r 数据提取的归一化植被指数( n d v i ) 和陆地表面温度构建t t s n d v i 特征空间，依据该特征空 间设计的温度植被旱情指数( t v d i ) 作为旱情指标，对中国2 0 0 0 年3 月和5 月各旬的旱情进行 了研究，发现利用综合了植被覆盏信息和陆地表面温度信息的t v d i 旱情指标能够较好地反 映袭层土壤湿度变化趋势；齐述华等呻1 利用m o d i s 瓷料，采用n i ) v i t s 空间法，结合陆气温 差和植被指数计算了全国范围的水分亏缺指数( w d i ) 。辛景峰( 2 0 0 3 ) 唧喇用1 9 5 1 年至1 9 9 4 9 年8 k m 空间分辨率，1 0 天合成的n o a a a v h r r 数据集以及对应时段全国1 0 2 个固定农业观测站 的2 0 c m 的土壤湿度资料，研究了土壤湿度与地表温度植被指数比值的定量关系。朱小祥【咖 等利用n o a a 数据通过对植被指数和亮温这两个因子的归一化处理形成干旱指数，并与常规 干旱监测进行比较，结果表明= 者分布有很好的对应关系闫娜娜f 7 0 】等在介绍国内外提取 n d v l 最大值最小值和地表温度最大值最小值这四个参数的研究应用情况的基础上，充分考 虑了各地区温度地形等的影响，提出了新的提取方法，以适应全国范围内的旱情监测。在国 外，r a m e s h 等( 2 0 0 3 ) 【7 1 1 3 等成功地结合k i 和v c i 对印度地区的干旱情况进行了研究。k o g m 等【7 2 l 使用n o a a 全球植被指数( g v i ) 估算了蒙古牧草的生物量。 总的来说，尽管遥感应用于区域干旱监测已有很长一段时间，但国内多数研究者采用 的区域干旱遥感监测模型往往侧重于干旱遥感监测的机理模型研究，而机理模型需要较多 的地面参数作为辅助数据，从而限制了这类模型在大范围干旱监测中的应用，而且目前干 旱遥感监测的研究多应用于我国北方植被较单一地区或平原地区，在喀斯特与非喀斯特地 貌并存、多山多植被覆盖，多云雨天气的南方地区，由于热惯量模型需要同一天的白天和 和夜间的晴空卫星数据，这一条件在南方较难满足。故在南方地区不选用热惯量模型，南 方地区尚未有比较理想的干旱遥感监测模型，多数采用植被供水指数