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农业干旱给社会经济及人民生活造成严重影响,关于农业旱情监测的研究受到了学者们的广泛关注。遥感技术的发展为准确、及时的农业旱情监测提供了新的机遇。本研究主要目的是从供水和需水两方面考虑,探讨一个新的农业旱情遥感指数(Agricultural Drought Index,ADI)。相关工作涉及了九个干旱指数的制作,其中归一化植被指数(NDVI)、条件植被指数(VCI)、归一化差值水分指数(NDWI)等遥感指数已被众多学者用于旱情监测的研究;相对土壤湿度(RSM)是基于传统的计算方法,利用遥感数据重新制作的传统旱情指数;相对降水量(RR)、植被水分状态指数(VWCI)、相对植被水分指数(RVWI)、农业旱情指数(ADI)是在本研究中新提出的遥感干旱指数,其中ADI是特别为农业干旱的监测而提出的指数。采用的主要遥感数据源有TRMM月降水速率产品(TRMM V63B-43)、Aqua/AMSR—E每天土壤湿度产品(AE_Land3)和SPOT/VEGETATION旬合成陆地植被产品(VGT-S10)。研究内容主要包括以下六部分:
1.为了使降水量能在全国范围内以及各个月份之间进行比较,将TRMM月降水量数据进行归一化处理,处理后的结果称之为相对降水量(Relative Rainfall,RR)。
2.提出一个利用AMSR-E的每天土壤湿度产品获取表层土壤田间持水量的方法,进而采用AMSR-E的土壤湿度产品除以获取的土壤田间持水量,从而得到相对土壤湿度。使用全国气象站点的土壤湿度数据建立10cm深度与20cm深度土壤湿度之间的线性关系,然后利用该线性关系由AMSR-E表层的相对土壤湿度计算出20cm深度的相对土壤湿度。
3.利用VEGETATION旬NDWI数据计算一个新的植被指数——相对植被含水量(Relative Vegetation Water Index,RVWI)。
4.综合相对降水量、20cm深度的相对土壤湿度和相对植被含水量,即环境的供水能力与植被的需水状况,生成一个的新的农业旱情指数ADI。
5.为了与传统的旱情遥感指数进行比较,使用VEGETATION数据制作传统的旱情遥感指数NDVI和VCI。
6.将各个旱情指数与国家气候中心发布的综合气象干旱指数进行综合比较,定性分析各干旱指数中旱情分布的合理性,讨论各旱情指数的可行性和适用性。
经过对各计算结果和比较结果的分析,得出了以下几点主要结论:
1.TRMM月降水量与气象站点观测的降水量两者之间不存在显著性差异,TRMM月降水量数据能较好地反映真实的降水量。
2.由AMSR-E每天土壤湿度产品计算的2004年、2006年和2007年田间持水量分布大体一致,田间持水量在年际间的变化不大。由AMSR-E数据计算的田间持水量明显小于田间实测值,而且与田间实测值相关系数较低。
3.由AMSR-E数据计算的相对土壤湿度与站点测量的相对土壤湿度相关系数较低,但有49.5%的站点的相对误差在20%以内;相对土壤湿度与降水的关系比较一致。总的来看,由AMSR-E数据计算的相对土壤湿度可以作为干旱监测的一个参考指标,同时可作为一个近实时的干旱指数对旱情进行连续的跟踪监测。
4.RVWI在计算过程中NDWI最小值的选取上比VWCI有所改进,RVWI与降水量的相关关系比VWCI更好,RVWI反映旱情的能力强于VWCI。
5.ADI与TRMM月降水量数据的比较结果表明,随着降水量的增加,ADI增加,降水越充足,农业旱情出现的机率越小,ADI能在一定程度反映农业旱情。但由于ADI是新提出的农业旱情指数,缺乏较实用的验证指标,本研究在该指数的验证方面还存在着较大的不足,其可行性和可靠性的验证还需要进一步的探讨。
6.ADI在综合了降水信息、土壤湿度信息以及植被信息后,避免了将一些由于其它原因如洪涝、病虫害等造成植被指数较低的地区认为是干旱,相对于VCI、NDVI、NDWI能更合理地反映农业旱情。