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干旱是一种频繁发生的大范围自然灾害,对环境、农业、健康、经济和社会都有着重大的影响。长时间或较为严重的农田干旱会形成农业旱灾,造成农作物的减产甚至失收,进一步影响国民经济与社会稳定。我国是传统的农业大国,农业生产一直受到旱灾的威胁,因此迫切需要加强农业旱情实时监测和有效评估的业务化能力。
近年来,卫星遥感技术已成为干旱监测的主要手段之一,尤其是干旱遥感监测模型及评估方法的研究取得了长足进展。然而,在干旱遥感业务化监测方面存在如下几个问题:1)缺少合适的软件支撑平台,现有的干旱监测平台无法满足实际应用需求;2)干旱遥感监测业务化方法与模型研究脱节,缺乏区域性的全面的模型优选和评价;3)作物旱灾损失评估存在较大的不确定性,影响评估结果的准确性。这些问题大大限制了干旱遥感监测技术的应用和推广,不利于其指导农业生产、防灾减灾、灾损核定和灾后救援等。
针对上述三个问题,本文从建设通用的干旱遥感监测系统出发,选取宁夏回族自治区为研究对象,以MODIS陆地产品为遥感数据源,开展农田干旱遥感业务化监测及农业旱灾损失评估研究。论文的主要内容如下:
(1)干旱遥感监测系统的组件化设计与开发
在系统分析与功能定位的基础上,本文采用组件化思想指导干旱遥感监测系统架构、内部数据结构及接口等的设计,使系统具有良好的灵活性和可扩展性。此外,本文详细介绍了开源库及开源程序的集成、栅格数据的统一读写、遥感数据的动态显示、海量数据的分块处理、模型库管理等系统实现中的一些关键技术。目前,系统已开发完成,不仅实现了遥感影像显示和处理等通用功能,还以组件对象的形式集成了许多目前广泛应用的干旱模型,并且允许任何符合接口规范的模型对象被动态挂接到系统中。
(2)基于MODIS的农田干旱遥感业务化监测
针对干旱遥感监测模型业务化应用中存在的土壤线提取、干湿边获取等问题,本文分别提出了基于二维光谱特征空间的土壤线自动提取算法和TVDI类指数干湿边的获取方法,对它们的实现流程和步骤进行了详细描述。本文通过时间序列、实际估算、模型应用等三个方法分析了土壤线自动提取算法的性能,证实其在提取土壤线参数上具有较好的稳定性和精度,并有利于干旱模型的批量化、业务化应用。从宁夏地区业务化应用的角度,本文为TNDI、MTVDI、TLDI、VCADI、TDADI等五个干旱指数选取了最优的干湿边获取方案,并得到具体的方程。
在干旱遥感监测模型优选的基础上,本文设计了基于MODIS数据产品的农田干旱遥感业务化监测流程,并将其集成到RSDMS系统中,包括MODIS数据产品的业务化预处理、土壤体积含水量的业务化遥感反演、背景像元的插值、土壤相对湿度的计算以及业务化旱情监测与评估。其中,本文引入了最优插值法,利用各站点的历史均值构建初始预备场,以各站点土壤水分的实测值或遥感反演值为观测值,对背景像元实现了插值填充。根据该流程,本文对宁夏2001~2010年3月~9月共257个时相的旱情进行了监测,为各时相输出了0~10cm土壤体积含水量分布图、0~10cm土壤相对湿度分布图、旱情分级图、各县市旱情统计报表。
(3)基于MODIS资料的农业旱灾损失评估
在分析宁夏地区主要农作物--春小麦及玉米的生育期和需求规律的基础上,本文开展了面向作物生长期的宁夏农业旱情评估方法研究,使旱情评估结果更加适合于指导农业生产。
在农业旱灾损失评估因子分析的基础上,本文提出了基于量值分离的旱灾损失评估建模的思路。针对宁夏中北部和南部的春小麦和玉米,首先开展评估因子的敏感性分析,继而构建单因子的自然减产率估算模型,最后基于量值分离构建旱灾损失评估模型。将旱灾损失评估模型集成到RSDMS中后,本文对宁夏2001~2010年的农业旱灾损失进行了评估。