一種角度光譜指數及其在干旱監測中的應用

譚麗娜 趙亮 唐榮

摘要：本文研究了一種基于角度的干旱監測光譜指數ABDI，并利用MODIS數據構建了四川南充地區20032006年歸一化植被指數（NDVI）、歸一化水分指數（NDWI）和角度光譜指數（ABDI）這三類光譜指數時間序列，同時結合南充地面氣象數據補充分析，比較這三類光譜指數對南充2006年旱情響應情況及在區域監測中時效性，結果表明，歸一化水分指數（NDWI）和角度光譜指數（ABDI）對地表水分信息比歸一化植被指數（NDVI）更敏感，歸一化水分指數（NDWI）和角度光譜指數（ABDI）能準確反映旱情時空變化，能很好反映干旱影響范圍；ABDI是一個有效干旱監測指標。

關鍵詞：ABDI；MODIS；NDVI；NDWI；干旱監測

1 研究數據及方法

1.1 研究數據

2006年夏季（6～8月）重慶、四川持續高溫少雨，兩省（市）夏季平均降水量345.9mm，只有常年同期67%，為1951年來歷史同期最小值。同時，重慶、 四川盛夏（7～8月）平均氣溫之高也創1951年同期之最。重慶、四川部分地區高溫日數持續之長、強度之大，均創下當地有氣象記錄來歷史同期極值。持續高溫少雨導致土壤失墑快，伏旱迅速發展加重，本文重點分析南充站周邊地區干旱情況，海拔309m，地處四川盆地東部，正位于干旱最嚴重地區。

遙感資料選用美國NASA的8天合成MODIS反射率產品（MOD09A1，500m），氣象數據資料來源自于中國氣象科學數據共享服務網，《國際交換站氣候資料日值數據集》下載數據為四川南充市氣象臺站臺站，從2003年1月1日至2006年12 月31日日平均降水量、日平均相對濕度和日平均氣溫，結合地面氣象數據，分析和評價所建立的新指數角度光譜指數（ABDI）和目前已有的、較常用的歸一化植被指數（NDVI），歸一化水分指數（NDWI）這三類指數干旱監測中敏感性和時效性，分析演變規律和特性及其與干旱發生和發展關系。

1.2 研究方法

本文主要研究一種角度光譜指數及其在干旱監測中的應用。根據植被的光譜指數特性，將衛星可見光和近紅外波段進行組合，可定義各種植被指數。

2 數據處理與分析

2.1 數據處理

在本文研究的三種光譜指數中只涉及到RED（紅光波段），NIR（近紅外波段）和SWIR（短波紅外波段）應用，這三種波段分別對應MOD09A1產品第一通道，第二通道和第六通道。對上述三類指數進行非線性時間序列分析，分析它們演變規律和特征及其與干旱發生發展關系，本文分別選取以南充市區為中心，南充市區西北方郊縣，南充市區東南方郊縣三個36平方公里。將MOD09A1產品中值除以10000處理后照同樣方法得到ABDI在20032006年每一年每一個8天合成值，將數據處理后得到三種光譜指數值，用MATLAB軟件編程處理得出三種光譜指數時間序列圖（圖略）。

2.2 數據分析

提取2003年1月1日至2006年12月31日日平均降水量用MATLAB軟件編程處理得出，降水直接影響旱情，2006年夏季四川盆地云量持續偏少、降水嚴重不足，本已缺乏正常補給的地表水分又被異常高溫強烈蒸發消耗，加之盆地河流上游（四川省西部高原地區）也因降水偏少而補給銳減，導致四川盆地（特別是東部）大范圍、長時間嚴重干旱。伏旱從6月下旬開始，到8月中下旬最嚴重，九月初開始下雨，旱期長達近三個月。由2006年干旱看，當年7月降水量相比20032005年同期降水量明顯減少。當旱情發生時，歸一化水份指數（NDWI）和角度光譜指數（ABDI）表現較為敏感，兩者曲線隨干旱增加明顯下降，最后趨近于0。 而歸一化植被指數 （NDVI）曲線下降趨勢滯后于歸一化水份指數（NDWI）和角度光譜指數 （ABDI）曲線，能有效反應地表水分含量信息，地表受水分脅迫時，很快指示干旱情況，而歸一化植被指數（NDVI）對干旱指示并不靈敏。2006年歸一化植被指數（NDVI）趨勢較往年有大幅下降，時間上也有明顯滯后性，可間接反映旱情。在短期干旱監測中，歸一化水分指數（NDWI）和角度光普指數（ABDI）能準確地反映旱情時空變化，能很好反映干旱影響范圍，監測效果比歸一化植被數值（NDVI）好。以上結果表明，角度光譜指數（ABDI）是一個有效干旱監測指標。

3 MODIS植被指數數據庫

MODIS植被指數數據庫建立思路：本文研究南充地區20032006年MODIS植被指數，且研究南充市區，南充西北方，東南方三個地點。20032005年均為正常年份，2006年夏天特大伏旱。將20032005年MODIS植被指數求平均計算，平均值能代表南充地區平均水平，以此作為MODIS植被角度光譜指數（ABDI）數據庫。

4 結論與討論

研究表明，角度光譜指數（ABDI）像歸一化水分指數（NDWI）一樣能有效地提取植被冠層水分含量，與NDVI相比，能更靈敏響應植被受水分脅迫信息，較準確地監測區域旱情時空狀況。干旱是一種復雜自然現象，具有隨機性、地域性、隱蔽性和不易覺察等特點，給遙感干旱監測帶來不確定性。SWIR（短波紅外）是水分強吸收帶，基于RED（紅光）/NIR（近紅外） SWIR（短波紅外）角度光譜指數（ABDI）能較好反映地表水份含量。 因為土壤反射率隨水份增加反射率有增高趨勢，但兩者形成角度變化不大，但反射率曲線幅度明顯大于干燥土壤反射率。所以角度光譜指數 （ABDI）是一個有效干旱監測指標，反映土壤水分狀況。這次研究只是間接從氣象資料角度驗證ABDI在提取植被冠層水分上有效性及相比NDVI敏感優勢。對于ABDI與作物冠層水分含量相關性研究，特別旱情逐步惡化時，相關變化還需進一步實測研究。

參考文獻：

[1]張文江，陸其峰，高志強.區域地表水熱通量遙感的空間不均勻性分析.自然科學進展，2007，17（10）.

作者簡介：譚麗娜（1987），女，蒙古族，青海西寧湟源縣人，本科，工程師，從事氣象天氣預報工作。