基于遙感技術的平頂山市農業干旱時空演變研究

王 磊 王勝道

（平頂山學院，河南 平頂山 467000）

農業發展關系著人們的生產生活。如何發展好農業，是當今社會積極探索的重要內容之一。因此，如何預防農業災害便成了社會發展的重要議題之一。自21世紀，我國各產業發展迅速，自然災害發生頻率也在逐步升高。在這些災害中，約70%屬于氣象災害，而氣象災害中超過50%是干旱災害，我國每年因干旱而產生的損失可達數千億元。此外，糧食安全是關系到千家萬戶的民生大事，因此對農業干旱的研究具有極大的意義。

平頂山市地處河南省中部，農業發展在平頂山市具有舉足輕重的地位。但由于近些年來平頂山市農業干旱現象不斷發生，給當地農業發展帶來了嚴重影響。平頂山市地處豫中地區，處于伏牛山地區向黃海平原的過渡區，農業干旱問題尤為突出。

1 研究方法

對農業干旱的傳統研究方法主要是利用氣象站點收集土壤墑情數據并進行分析，然后得出結論。在小面積范圍內，這種方法是值得推薦的，但研究范圍擴大至一個地級市甚至更大的范圍，該方法的局限性就顯而易見。一是站點位置分散，有時不能涵蓋研究范圍，且站點數量有限，無法做到大規模觀測。二是需耗費大量的時間、人力、物力及財力對站點數據進行收集、分析。隨著遙感技術的發展，當下可利用衛星圖像結合相關氣象數據及信息在短時間內對大面積地區進行干旱監測，在此基礎上可進一步分析農業干旱的時間與空間分布規律，為農業干旱防御提供依據。

利用遙感技術進行地面數據與信息的采集，同時結合國家氣象網站及平頂山市地方統計數據獲得氣象數據，對利用遙感技術所采集的地面數據進行驗證及補充，最終得出農業干旱在該區域的時空演變情況，并總結出結論與規律。根據溫度植被干旱指數（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）模型概念，得出植被覆蓋度與溫度之間的線性關系，利用地表溫度反演圖像、試驗日期的彩色衛星圖像、氣象歷史數據及實地考察證明植被豐富區氣溫絕大多數低于當日試驗區裸露及城市部分，并通過統計計算，證明試驗的科學性與準確性［1］。

使用TVDI模型并利用遙感技術在不耗費大量人力與物力的情況下，對2015—2018年平頂山市農業干旱情況進行了研究，并得出了結論，為之后該地區的農業干旱監測提供了依據。利用遙感衛星圖像，可做到在短時間內對一個地區進行農業干旱監測，并可連續進行農業干旱監測，從而總結出平頂山市農業干旱發生規律，為農民生產及農業發展提供有效指導，進而減少干旱帶來的損失［2］。

2 試驗數據來源

遙感圖像選用的是Landsat8的OLI和TIRS圖像，圖像行列號分別為124-36和124-37，圖像從地理空間數據云獲取（http://www.gscloud.cn/）［3］。選取的圖像總天數為9 d，共跨越2015年4月至2018年1月，且根據歷史氣象資料，所選取的9 d中無一天處于陰雨天及選取圖像日期前后兩三天無明顯降水，以保證所選日期的代表性（代表研究區域的四季）。氣象數據來源于歷史氣象數據，具體從國家氣象網站獲取。

3 試驗驗證

3.1 試驗過程

整個試驗是在ENVI5.3和ArcGIS10.2軟件的共同應用下實現與完成的，之后利用Excel軟件進行數據的統計與分析，并得出結論。

截至目前，對TVDI的劃分有多種方法，筆者采用吳黎［4］的農業干旱劃分方法。該方法獲得的TVDI劃分值與實際地表樣本干旱值吻合度可達83%，為相對比較可靠及先進的方法。在此劃分方法中，TVDI被分為5個等級：TVDI值小于0.46時，所在地區為無旱；TVDI值為0.46～0.57時，所在地區為輕旱；TVDI值為0.57～0.76時，所在地區為中旱；TVDI值為0.76～0.86時，所在地區為重旱；TVDI值大于0.86時，所在區域為特旱［5］。該方法驗證區域與平頂山市年降水量、蒸發量及其他數據相似，因此該方法適用于平頂山市農業干旱劃分。

3.2 試驗驗證

根據TVDI模型概念，可得出植被覆蓋度與溫度之間有線性關系，因此根據之前制作的地表溫度反演圖像、試驗日期的彩色衛星圖像、氣象歷史數據及部分實地考察證明植被豐富區氣溫絕大多數低于當日試驗區裸露及城市部分，并通過統計計算，以證明試驗的科學性與準確性。

通過對比所選取不同季節6日地表溫度圖像和TVDI指數圖像可得出結論，即大部分地區地溫與TVDI值成正相關，再結合歷史土地用地資料查詢，并選取部分研究區域中不同種類用地進行實地考察，最終得出試驗數據及結論真實可靠（見圖1）。

圖1 2015年4月23日平頂山市不同時間地表溫度與TVDI值

4 2015—2018年平頂山市干旱空間變化特征

平頂山市不同年份不同季節TVDI值空間分布如圖2至圖5所示。

圖2 2015年平頂山市TVDI值空間分布

圖5 2018年1月5日平頂山市TVDI值空間分布

春季平頂山市干旱多發生于北部，南部濕潤度整體大于北部，大致可從西北到東南做一條30°的平分線，在此線以北，農業干旱情況整體嚴重于南部，春季干旱較為嚴重的縣區集中分布于汝州市、寶豐縣、郟縣及葉縣北部地區。其中，汝州市北部因山脈阻擋，加之裸地較多，因此易形成干旱。

圖3 2016年平頂山市TVDI值空間分布

圖4 2017年平頂山市TVDI值空間分布

夏季平頂山市干旱中心由北部轉移至中部，其中心位置為石龍地區。

秋季平頂山市大部分地區遭受了不同程度的農業干旱，主要集中區域由夏季的中西部轉移至東部，東部大部分地區為特旱災區，西部為重旱災區，只有極少數西南部和南部為無旱區。其原因主要是降水稀少，同時由于試驗選取日期為初秋時節，溫度依然較高，蒸發量較大，加之季風已經南下，因此產生了大面積干旱。

冬季平頂山市干旱中心由上一年秋季的東部轉移至30°平分線的下半部分。其產生原因主要可歸結為冬季時西南部山區大多數植被和農作物干枯，屬于含水量較少的時節，因此該地區干旱程度較重，成為新的干旱中心，反而是之前夏季干旱較為嚴重的中北部地區干旱程度較其他地區而言較輕。但是，整體干旱趨勢較上一年秋季有所減輕，進入春季后期隨著降水的增加，整體干旱程度進一步減輕。

5 平頂山市干旱時間變化

平頂山市春季與冬季干旱情況相對較輕，夏秋兩季干旱情況相對較嚴重，干旱時間演變趨勢可歸結為春季到秋季呈干旱逐步加重趨勢，秋季至次年春季干旱情況有所好轉，呈逐漸減輕趨勢。

根據表1至表3的遙感圖像TVDI值及氣象資料可知，平頂山市不同干旱區的時間變化不同。其中，無旱區的變化特點是春季到夏季呈減少趨勢，夏季到秋季情況依然不樂觀，變動幅度較小，冬季情況有所好轉，無旱區面積增大。輕旱區的變化趨勢是2015年4月至2016年2月逐步減小，這4個季度大部分面積還是由中旱和特旱面積構成；2016年夏季至秋季輕旱區面積在不斷減小（借助歷史氣象資料總結），到冬季有所上升；2017年春至2018年1月，除2018年春季面積有所擴大，其他季節依然類似輕旱區上一年時間的變化規律，因此可歸納為輕旱區的面積從春季到秋季逐步減少，冬季則有所增加。2015年，中旱區秋季所占面積為4個季度中的最小值，其余3季度皆為所占面積最大值，除2015年秋季面積有所減小外，其他3季度面積整體變化情況不大；2016年，中旱區在該地區依然占據主導位置，除了2016年夏季和秋季面積有所減小外（結合氣象資料），其余大部分時間中旱區為當地面積最大的區域；2017年中旱區面積從春季到秋季呈小范圍減小趨勢，但整體所占面積依然為5個干旱劃分區中最大。重旱區和特旱區整體變化趨勢為春季至秋季逐步增強，冬季有所好轉。

表1 2015年平頂山市TVDI值

表3 2017—2018年平頂山市TVDI值

平頂山市春季與冬季干旱情況相對較輕，夏秋兩季干旱情況相對較嚴重。平頂山市干旱時間演變趨勢可歸結為春季至秋季呈干旱逐步加重趨勢，秋季至次年春季干旱情況有所好轉，呈逐漸減輕趨勢。

表2 2016年平頂山市TVDI值

6 結論

根據試驗數據及統計分析，可歸納出2015年春季至2018年春季平頂山市農業干旱問題嚴重，因此需做好防御工作。平頂山市主要農作物有水稻、小麥、玉米、棉花、大豆、油菜、馬鈴薯和花生等，其中水稻需要的灌溉水資源較多，因此做好水庫蓄水工作十分重要。2015年春季至2018年春季平頂山市秋旱十分嚴重，易造成農作物生長需水不足，產量降低，因此需加強利用高新科技及其他方法彌補水資源不足的問題。如今跨流域調水已在此地實現，但在灌溉技術方面還需繼續更新，要大規模采用滴灌模式，減少水資源浪費。平頂山市整體干旱演變情況可歸納為春季至秋季逐漸嚴重，冬季至次年春季有所緩解。因此，有關部門要制訂相關計劃，有針對性地預防干旱，同時結合當地的氣候特點有目的、有計劃地種植農作物。