旱情監測

旱情是全球範圍內影響最廣的自然災害，同時乾旱成因也非常複雜，包括氣象、水文，地質地貌和人類活動等複雜因素。國內對應機構對旱情監測並沒有準確高效的方法。基於此，遙感集市監測平台孕育而生，利用衛星遙感技術和GIS技術集成綜合監測乾旱災害，通過對地面溫度變化、作物生理參數變化以及雲層覆蓋等等進行建模，建立評估土壤水分含量變化狀況的乾旱監測模型，以快速、客觀、大範圍的特點實現旱情檢測目標。

基本介紹

• 中文名：旱情監測
• 外文名：Drought monitoring

旱情監測的急迫性

旱災一直以來是我國影響範圍最廣的農業自然災害，2011年更是受到旱災影響，貴州、廣西、湖南、雲南、重慶等地區受災嚴重，受旱地區降水普遍不到200毫米。由降水持續偏少導致江河、湖泊水位異常偏低，水體面積減少明顯，農作物絕收，森林火險頻繁。氣象衛星遙感監測顯示，長江幹流各控制流量比常年同期偏少25%至70%。利用遙感與GIS技術，能夠有效、大面積、實時動態監測乾旱地區旱情。

遙感監測技術

遙感技術能夠有效、大面積、實時動態地獲取乾旱地區旱情資料，隨著遙感感測器的發展，利用不同感測器獲取的數據，計算各種能直接或間接反映乾旱情況的參數或指標，已形成了很多種方法，歸納如下：

（1） 利用可見光和近紅外遙感數據提取地面覆蓋物植被指數進行旱情監測

歸一化植被指數（NDVI）是套用較廣的典型植被指數之一，能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、枯葉等，且與植被覆蓋有關，因此，NDVI廣泛套用在檢測植被生長狀態、植被覆蓋度等方面。

（2） 利用熱紅外波段建立地表溫度模型估測土壤濕度

土壤中水分含量直接影響到植被生長發育，同時也是土壤乾旱情況的重要表征指標，利用熱紅外遙感溫度和氣象資料來間接地監測植被條件下的土壤水分是遙感監測土壤水分的一個重要方法。利用AVHRR資料計算土壤有效水分和熱慣量，認為土壤水分受到乾旱區情況以及乾旱區地形等的影響。

（3） 綜合利用可見光、近紅外和熱紅外數據進行乾旱監測

利用可見光、近紅外和熱紅外數據進行乾旱監測和土壤水分信息提取也是當前廣泛套用方法之一。Gillies等[13]利用遙感反演地表真實溫度和NDVI，在反演過程中將NDVI與地表輻照溫度預測的邊界進行了拉伸處理，並與實驗數據進行了比較分析。濕邊是基於溫度植被指數（TVI）和歸一化植被指數（NDVI）派生出來的描述植被覆蓋的指數，Kmiura通過修正溫度植被指數，提出改進後的溫度植被乾旱指數（MTVDI）並用於實際研究中，結果表明，濕邊指數顯示不同地表的MTVDI和土壤水分含量的關係，能用於估算大範圍的植被覆蓋和水分含量，可以用作乾旱指數。齊述華等利用水分虧缺指數(WDI)，提出基於遙感的WDI判斷農田受旱成災的標準，並利用1982-2001 年 NOAA資料提取了全國1982-2001年間各年份受旱成災耕地面積。研究結果顯示：基於遙感的WDI指數獲取的農田受旱成災面積與統計結果基本一致，在提取農田受旱面積方面具有一定參考價值。

（4） 微波遙感

物體的微波發射率主要取決於其介電特性，土壤水分微波遙感的理論基於液態水和乾土之間介電常數的強烈反差，由此建立土壤濕度與後向反射係數的統計經驗函式，通過遙感數據獲取的後向反射係數反演土壤濕度。 A.Gupta等[16]人選取熱帶降雨測量衛星（TRMM）4年中6至8月的觀測數據，分析乾旱區土壤的乾濕狀況和時空變化特徵，並提出了一種利用微波亮度溫度監測乾旱的方法。Khil-Ha Lee 等[17]針對主被動微波遙感數據分別建立了亮度溫度、後向散射係數與地表土壤水分、植被參數(LAI) 的關係，建立了表征前向模型模擬結果與衛星觀測數值的差異函式，利用不同通道對前向模型中各參數進行確定。

綜合套用遙感技術獲取及時的圖像信息，並結合地面降水等數據，在分析地區乾旱或監測中也廣泛套用。標準化降水指數（SPI）是先求出降水量分布機率，然後進行正態標準化而得到，綜合套用SPI和遙感影像數據也是分析和監測乾旱的方法之一。

GIS監測技術

GIS技術具有空間數據管理和空間分析功能，在旱情監測中的套用比較廣泛，如綜合套用地面數據及評價乾旱的指標建立乾旱估算模型監測旱情，建立旱情監測管理信息系統等。

（1） 套用GIS技術在監測旱情在國外套用

水平衡派生乾旱指數能有效量化乾旱的嚴重程度和持續時間，是監測Pinios河流域的所有子流域水文乾旱的良好指標。Robert McLeman等基於GIS模型研究加拿大西部歷史乾旱狀況和人口變化的發展，為定性研究乾旱適應性和人口遷移提供支持。

（2） 套用GIS技術在監測旱情在國內套用
以遼寧為例，綜合套用遙感數據、地面觀測資料、DEM、乾旱監測模型等，基於GIS 平台建立乾旱監測信息系統，並對2004 年6 月遼寧省乾旱進行等級劃分及面積監測分析。黃永學等[31]以湖北省為例，採用降水距平百分率( Pa)、相對濕潤度指數(Mi)、標準化降水指數(SPI)、綜合乾旱指數(Ci)、帕爾默乾旱指數（PDSI）等五種乾旱指標來反映旱情，綜合套用氣象站點數據、水係數據、DEM等，研究開發了基於WebGIS的湖北省乾旱災害監測與分析系統，並對該系統的運行效率及運算結果的準確性進行了實際的檢驗。

遙感與GIS技術的綜合監測

遙感或GIS技術單獨在旱情監測中都有一定的局限性，但將遙感與GIS技術集成，能夠將優勢互補，綜合套用RS和遙感集市平台在旱情監測中較廣泛。

（1） 綜合套用遙感與GIS技術監測旱情在國外套用

對草原坑窪的水文特徵進行了分Jennifer Rover等人套用TM/ETM+影像和GIS技術，

類，並對各方法的分類精度進行了比較，認為，套用多像元對象能夠動態地監測和模擬草原與地下水之間水分轉移。Sarah O．Tweed等[34]人以澳大利亞東南部的鹽鹼乾旱易發區為例，研究了一種綜合套用遙感和地理信息系統技術包括：地形分析、植被活動監控、滲透能力等繪製地下水補給區和排泄區的協同方法。

（2） 綜合套用遙感與GIS技術監測旱情在國內套用

申廣榮等以黃淮海平原地區為例，以研究區氣象數據，地面實測土壤水分和農田蒸散數據、研究區地形圖、遙感圖像為數據源，綜合套用遙感與GIS技術，逐像元計算研究區作物缺水指數（CWSI），獲取研究區旱情分布，用於對研究區旱情監測。盛紹學等以遙感圖像為主要信息源，以高程、水系、土壤、土地利用等地面詳細資訊為基礎，利用GIS 技術，建立了安徽省乾旱災害遙感監測評估系統。並利用實際的旱情資料對該系統的運行結果精度進行了評估。袁媛等綜述了農業旱災遙感監測的模型和方法，總結了地理信息系統技術在農業乾旱研究中的思路及技術手段。王坤等人以松遼平原的東遼河流域作為研究區，以RS和GIS技術為關鍵支撐，建立了NDVI和地表溫度之間的回歸方程，採用Ts/NDVI法對2007年8月東遼河流域的土壤含水量情況進行了監測、評價和驗證，結果顯示，分析結果變化趨勢與實測變化趨勢一致，但受到衛星的空間解析度與研究區地形變化和植被變化的影響。高懋芳等[39]基於遙感與GIS技術，建立農業旱情遙感監測評估模型，並將該模型結合MODIS遙感數據、地面氣象觀測資料以及基礎地理信息數據，分析評價了2006年5～10月廣東省每旬的農業旱情發展變化過程，結果與2006年廣東農業旱情發展變化趨勢吻合程度很好。

旱情實例

據河南省防汛抗旱指揮部辦公室介紹，由於各地積極抗旱澆地，加之近期陸續迎來降雨，河南旱情得到緩解，受旱面積已降至411萬畝，但局部地區旱情仍然較嚴重。

2014年7月，河南遭遇63年來最嚴重的“夏旱”，河南省多地供水告急。由於2014年汛期以來，高溫、少雨、乾旱天氣持續發展等原因，造成河南省中西部和北部部分地區發生較為嚴重的旱情。當地居民生活陷入困難，抓鬮排號取水。截至8月25日的最新統計結果顯示，河南全省受旱面積為411萬畝，其中輕旱219萬畝，重旱192萬畝，臨時性飲水困難人數27.38萬人，主要分布在平頂山、許昌、南陽、汝州等地。省累計投入抗旱資金21.4億元，抗旱澆地9206萬畝次。
在災害頻發的當代,乾旱因其持續時間長,影響範圍廣,災害損失大等特點逐漸成為當前世界影響最為嚴重的自然災害之一。所以對乾旱狀況進行監測,掌握其發生、發展規律,為決策部門提供科學合理的依據,對於減少旱災的損失是十分必要的。

基於遙感的大面積乾旱監測發揮著重要作用,遙感集市的一位大神利用MODIS數據以五天一次的頻率監測近一個月來河南省的乾旱情況，與大家一同心繫災區，結果表明,近一個月河南普遍處於乾旱狀態，在8月9日達到峰值，全省重旱面積高達2/3。不同程度的乾旱在這一個月內不斷的侵蝕著河南,中重旱在各個地方蔓延，8月9日的時候，幾乎席捲整個河南。峰值過後，乾旱情況開始整體緩解，但豫東地區的乾旱程度仍不容樂觀。
旱災是我國農業最主要的自然災害，已成為對我國農業生產影響最嚴重的氣象災害。與其他自然災害相比，它出現的頻率最高，持續時間最長，影響的範圍最大，對農業生產的直接損失也最重，所以對乾旱的監測尤為重要。MODIS感測器的高時間解析度、高光譜解析度、適中的空間解析度等特點使得其在乾旱監測中具有突出的優勢，非常適合大範圍的動態的乾旱監測。

本次以MODIS為數據源，採用歸一化多波段乾旱指數法對河南農田旱災進行監測。歸一化多波段乾旱指數法主要監測的是土壤表層0-50cm的乾旱情況，由於大部分農作物根系小於50cm,因此該方法對於表征農業乾旱具有較好的指示意義。

發展方向

乾旱已成為一個焦點的問題，直接影響到工農業生產和居民日常生活，受到國內外學者的廣泛關注。利用遙感與GIS技術進行乾旱監測已經取得了可喜的成果，但仍然存在一些問題。

1 需建立完善的基礎資料庫，實現基礎數據的共享。氣象數據、旱情遙感監測數據保存在不同的部門，各部門之間數據共享不暢，不能及時獲取相關信息是監測、分析滯後的一個主要原因。

2 遙感旱情監測技術發展比較成熟，但仍存在一些需要深入研究的問題：如，在地形複雜地區，高程對植被、地溫等參數的影響非常大，監測該類地區乾旱時應更多地考慮到地形因素的影響；多源衛星綜合套用，資源遙感衛星及高解析度感測器增多，遙感數據質與量大幅度提高，提供了豐富的資料來源，利用多波段、多影像數據融合是乾旱遙感監測的發展方向之一。