农业干旱监测研究现状与展望

■中国热带农业科学院科技信息研究所/海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室 李海亮 戴声佩 罗红霞

△1951~2007年我国农业干旱分布图（图例表示受旱率）。

干旱是指由水分收支或供求不平衡所形成的水分短缺现象，是一种对经济、社会和环境带来巨大影响的自然现象。干旱出现频率高、持续时间长和影响范围大，对国民经济特别是对农业生产产生严重的影响，已经成为世界性的重大自然灾害。近百年来全球变化最突出的特征就是气候变暖，近年来尤为突出，这种气候变化使部分地区极端气候事件频发。由于降水时空分布的不均，干旱灾害的发生频率与强度都有逐渐增加的趋势。历史证明，社会经济和生产水平发展越高，对灾害和气候变化的依赖性越高，据Obasi统计，全球气象灾害造成的经济损失约占所有自然灾害损失的85%，其中干旱带来的损失又占气象灾害的一半以上，可以说干旱带来的影响几乎遍及全世界。农业干旱是一种复杂的现象，是一个自然与人工结合的过程，涉及农业、气象、水文、植物生理等众多学科。人类的活动很大程度上影响着作物的生长，作物干旱监测面临着较大的困难。农业干旱的监测方法可以分为气象监测和遥感监测。

农业干旱监测研究现状

农业干旱气象监测研究

农业干旱的气象监测方法是对气象站点的气象数据进行统计分析，通过所建立的干旱指标对研究区域的旱情进行监测。农业干旱的气象监测一直是国内外研究的焦点，也形成了很多较成熟的干旱指数监测方法

美国在20世纪初就开始了干旱指标研究，一般都只是考虑降水量的因素。1906年，美国天气局将干旱定义为任何21d或更长天数期间发生的降水等于或少于此间正常值的30%；1965年，W.Palmer发表了他的干旱指数模式（PDSI），提出了“对当前气候适宜降水”的概念。Palmer指数不仅在美国得到广泛应用，对世界其他地区同样适用，成为许多人广泛采用的监测和评估长期气象干旱和湿润条件的工具。1993年，McKee等人在研究科罗拉多州干旱状况时提出用标准化降水量指数（SPI）来替代PDSI，认为实测降水量的概率分布是一种偏态分布，不是正态分布，因此，采用r分布概率来描述降水量的变化，然后经过标准化求累积概率作为评估干旱的指数。SPI能够较好地反映干旱强度和持续时间，而且具有多时间尺度应用的特性，使得用同一个干旱指标反映不同时间尺度和不同方面的状况成为可能，因而得到广泛应用。

1998年，国内张强等以北京为例对降水距平百分率、降水温度均一化指标和标准化降水指标进行了对比分析，在吸取标准化降水指标和降水温度均一化指标的优点的基础上，建立了新的干旱指标Ik，张强将标准化降水指数和相对湿润度指数进行加权求和，得到综合指数Ci，Ci在各级气象部门干旱监测业务中应用极广。我国各省气象局均依据《气象干旱等级》中指定的干旱指标建立了干旱监测业务系统。广州区域气象中心建成了广东省干旱综合监测业务系统，采用《气象干旱等级》国家标准规定的5种干旱监测指标方法（降水距平百分率、标准化降水指数、相对湿润度指数、土壤相对湿度指数、综合气象干旱指数）。2006年，王春林等结合广东实际旱情，运用Z指数、地表温度日较差、植被供水指数，分析了不同指标对广东干旱监测的适用性特点，并根据土壤水分平衡原理，构造了干旱逐日动态监测模型，可制作9种干旱指标监测产品。2008年兰州区域气候中心建立了西北区域干旱预警评估服务业务系统，将不同的干旱监测、预警、评估指标与模型集成到业务系统中，建成了基于网络结构的西北区域干旱监测预警评估业务服务系统。2009年，黄永学等利用基于WebGIS的湖北省干旱监测系统对湖北省干早发生频率变化趋势进行了分析研究。

农业干旱遥感监测研究

农业干旱的遥感监测方法很多，主要是从土壤湿度和作物需水状况进行遥感监测。土壤湿度的遥感监测主要有微波遥感法、热贯量法；作物需水状况的监测指标主要有作物形态指标（如条件植被指数、归一化植被指数等）、作物生理指标（如冠层温度、冠层含水量等）、作物综合指标（如植被供水指数、温度植被干旱指数等）。

◎土壤湿度的遥感监测

1999年，陈怀亮等建立了不同土壤质地的热惯量模型，同时引入地形和风场参数，提高了水分反演的精度，此类方法在实际应用中的难度在于地形和风场参数的确定。2001年，张仁华等利用土壤受光面和阴影面、叶子受光面和阴影面的温差信息，将热惯量模型、热量平衡模型和温差模型结合起来，开辟了利用多角度遥感数据反演土壤湿度的新途径。2002年，李震等综合主动和被动微波数据以及光学数据监测了土壤湿度的变化。2006年，RajatBindlish利用改进的IEM模型，得到了与实际土壤湿度相关性高达0.95的反演结果。微波遥感不受云的干扰，可以全天时使用，对土壤水分的估算精度较高，但当前微波遥感通常只能反演土壤表层的湿度，而作物根系通常都在10cm～20cm以下，因此应用于农业旱情监测有一定的局限性。

◎作物需水状况的遥感监测

1996年，Gutman等利用全球1988~1991年NOAA/AVHRR月NDVI时间序列数据对全球进行监测，发现NDVI的月变化可以对极端的天气如旱灾与洪涝进行监测。2004年，Gonzalez-alonse等对西班牙1987~2001年每旬NDVI值的分析表明，利用NDVI最大值的方差能更好地对旱情范围、强度和动态进行监测，并成功地分析出1988~1992年西班牙大面积的旱灾。1996年，为了消除NDVI的空间变异，减少地理和生态系统变量的影响，Kogan提出条件植被指数VCI。蔡斌等用VCI参照降水对全国1991年春季干旱进行了监测和研究，认为VCI可用来进行旱、涝监测。Idso等于1981年根据冠层温度与空气温度的差与空气水汽压的经验关系，提出了作物水分胁迫指数（CWSI）。1994年Moran等在能量平衡双层模型的基础上建立了水分亏缺指数（WDI）。Cao在1996年提出了归一化差值水分指数（NDWI）。2004年宋小宁等通过分析NDWI曲线发现，水体、植被覆盖区和沙地之间的湿度信息差异比较显著。植被供水指数（VSWI）是一个较为简单的植被指数—温度作物旱情综合指数，1998年刘丽等研究表明VSWI适用于植被覆盖度高的地区。王鹏新等2003年提出了条件植被温度指数（VTCI）。Kogan将TCI和VCI进行线性组合形成了植被健康指数（VHI），2007年，牟伶俐等在山西太谷和山东济宁的试验结果显示VHI能较好地反映作物受旱情况。

农业干旱监测系统开发研究

建立监测旱情的业务运行系统，可将旱情实时监测或评估的结果，迅速、及时、有效地上报有关单位和部门，为各级领导决策提供依据；从而达到及时采取各种防范措施，将旱情造成的损失降至最低点的目的。

◎WebGIS系统的发展概况

WebGIS是一种典型的基于Internet的网络GIS。目前，各个领域对WebGIS的应用需要越来越大。随着网络和GIS技术的发展，WebGIS正朝着标准化、互操作这一方向迈进。WebGIS的兴起，无疑将会推动WebGIS进入一个崭新的时期。从20世纪90年代开始，各种WebGIS系统纷纷涌现，各大GIS商业软件都在向Web靠拢，开始把自己的GIS产品与WWW挂钩、接轨和包装。我国很多气象科学工作者将GIS与气象应用结合，建设了很多基于WebGIS的气象应用系统。2004年，高梅等人应用北京中遥地网信息技术公司的地网GeoBeans系统软件开发了一套基于WebGIS的气象科研数据共享系统，实现了WebGIS环境下数据的可视化查询和显示，实现了统计图表的制作，包括直方图、饼图等以及空间与属性数据的双向查询。同年，庄立伟等人依托全国气象部门观测台站通信网络，开展了基于WebGIS技术的农业气象信息共享与发布技术研究。

◎干旱监测系统开发

从1996年起，国内陆续开发研究旱情监测系统。1996年，李杏朝等使用ArcInfo软件遥感监测旱情。1997年，霍成福等尝试独立开发旱情监测系统。陈怀亮、王振龙、冯强、贺俊杰等分别采用不同语言和方法独立开发了旱情监测系统。利用WebGIS技术实现农业干旱监测的业务化运行的研究目前还不多，申广荣等基于GIS软件的旱情监测二次开发产品在国内最具代表性。2009年，张树誉等人利用MODIS遥感资料和地面加密气象与土壤湿度观测资料，综合气候、植被、水文和地质环境等因素，利用WebGIS技术建立了干旱监测评估业务平台。同年，黄永学等开发建设了一个基于WebGIS的湖北省干旱灾害监测与分析的计算机网络系统，可以在精细空间尺度上对全省干旱灾害进行连续、动态、定量化、可视化的监测与分析研究，以图表等多种形式为用户提供多种干旱指数的分析信息，为防灾减灾提供决策支持和信息服务。

农业干旱监测研究发展趋势

农业干旱是一种复杂的现象，涉及农业、气象、水文、植物生理等众多学科，同时农业是一个自然与人工结合的过程，人类的干预很大程度上影响着作物的生长，作物干旱监测面临着较大的困难。遥感技术的发展为农业干旱的监测提供了新的机遇。遥感数据包含着地表的综合信息，而农业干旱正是由于作物、土壤、大气等因素共同作用的结果，因而遥感技术应用于干旱监测具有较大的潜力。但是目前而言，农业干旱的遥感监测大都只是在试验性的研究，难以实现业务化运行，主要存在以下两个问题，一是单一的指数法进行旱情监测精度有限，无法保证全国范围内的适用；二是一些指数虽然可以相对精确地做出监测，但是计算过程复杂，需要的地表参数比较多，而且不容易获得，只适合于小区域的研究，不适合长期的业务化运行以及每旬的汇报。合理的农业干旱监测方法应该把作物生长机理与环境信息结合起来，农业干旱监测研究的发展趋势将是加强作物生理、形态指标与土壤湿度指标的结合，由于现在可用的卫星数据源较多，可考虑利用多个卫星传感器同时对农业干旱进行监测，综合雷达数据和可见光数据的优势，使监测结果更加全面、准确、及时。利用遥感方法的优势，结合气象等环境信息，探求一个计算简便、数据容易获取，重复周期短，适用于大尺度的农业干旱监测方法，并利用WebGIS的技术优势实现业务化运行将是农业干旱监测研究的一个重要发展方向。