基于遥感技术的平顶山市农业干旱时空演变研究

王 磊 王胜道

（平顶山学院，河南 平顶山 467000）

农业发展关系着人们的生产生活。如何发展好农业，是当今社会积极探索的重要内容之一。因此，如何预防农业灾害便成了社会发展的重要议题之一。自21世纪，我国各产业发展迅速，自然灾害发生频率也在逐步升高。在这些灾害中，约70%属于气象灾害，而气象灾害中超过50%是干旱灾害，我国每年因干旱而产生的损失可达数千亿元。此外，粮食安全是关系到千家万户的民生大事，因此对农业干旱的研究具有极大的意义。

平顶山市地处河南省中部，农业发展在平顶山市具有举足轻重的地位。但由于近些年来平顶山市农业干旱现象不断发生，给当地农业发展带来了严重影响。平顶山市地处豫中地区，处于伏牛山地区向黄海平原的过渡区，农业干旱问题尤为突出。

1 研究方法

对农业干旱的传统研究方法主要是利用气象站点收集土壤墒情数据并进行分析，然后得出结论。在小面积范围内，这种方法是值得推荐的，但研究范围扩大至一个地级市甚至更大的范围，该方法的局限性就显而易见。一是站点位置分散，有时不能涵盖研究范围，且站点数量有限，无法做到大规模观测。二是需耗费大量的时间、人力、物力及财力对站点数据进行收集、分析。随着遥感技术的发展，当下可利用卫星图像结合相关气象数据及信息在短时间内对大面积地区进行干旱监测，在此基础上可进一步分析农业干旱的时间与空间分布规律，为农业干旱防御提供依据。

利用遥感技术进行地面数据与信息的采集，同时结合国家气象网站及平顶山市地方统计数据获得气象数据，对利用遥感技术所采集的地面数据进行验证及补充，最终得出农业干旱在该区域的时空演变情况，并总结出结论与规律。根据温度植被干旱指数（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）模型概念，得出植被覆盖度与温度之间的线性关系，利用地表温度反演图像、试验日期的彩色卫星图像、气象历史数据及实地考察证明植被丰富区气温绝大多数低于当日试验区裸露及城市部分，并通过统计计算，证明试验的科学性与准确性［1］。

使用TVDI模型并利用遥感技术在不耗费大量人力与物力的情况下，对2015—2018年平顶山市农业干旱情况进行了研究，并得出了结论，为之后该地区的农业干旱监测提供了依据。利用遥感卫星图像，可做到在短时间内对一个地区进行农业干旱监测，并可连续进行农业干旱监测，从而总结出平顶山市农业干旱发生规律，为农民生产及农业发展提供有效指导，进而减少干旱带来的损失［2］。

2 试验数据来源

遥感图像选用的是Landsat8的OLI和TIRS图像，图像行列号分别为124-36和124-37，图像从地理空间数据云获取（http://www.gscloud.cn/）［3］。选取的图像总天数为9 d，共跨越2015年4月至2018年1月，且根据历史气象资料，所选取的9 d中无一天处于阴雨天及选取图像日期前后两三天无明显降水，以保证所选日期的代表性（代表研究区域的四季）。气象数据来源于历史气象数据，具体从国家气象网站获取。

3 试验验证

3.1 试验过程

整个试验是在ENVI5.3和ArcGIS10.2软件的共同应用下实现与完成的，之后利用Excel软件进行数据的统计与分析，并得出结论。

截至目前，对TVDI的划分有多种方法，笔者采用吴黎［4］的农业干旱划分方法。该方法获得的TVDI划分值与实际地表样本干旱值吻合度可达83%，为相对比较可靠及先进的方法。在此划分方法中，TVDI被分为5个等级：TVDI值小于0.46时，所在地区为无旱；TVDI值为0.46～0.57时，所在地区为轻旱；TVDI值为0.57～0.76时，所在地区为中旱；TVDI值为0.76～0.86时，所在地区为重旱；TVDI值大于0.86时，所在区域为特旱［5］。该方法验证区域与平顶山市年降水量、蒸发量及其他数据相似，因此该方法适用于平顶山市农业干旱划分。

3.2 试验验证

根据TVDI模型概念，可得出植被覆盖度与温度之间有线性关系，因此根据之前制作的地表温度反演图像、试验日期的彩色卫星图像、气象历史数据及部分实地考察证明植被丰富区气温绝大多数低于当日试验区裸露及城市部分，并通过统计计算，以证明试验的科学性与准确性。

通过对比所选取不同季节6日地表温度图像和TVDI指数图像可得出结论，即大部分地区地温与TVDI值成正相关，再结合历史土地用地资料查询，并选取部分研究区域中不同种类用地进行实地考察，最终得出试验数据及结论真实可靠（见图1）。

图1 2015年4月23日平顶山市不同时间地表温度与TVDI值

4 2015—2018年平顶山市干旱空间变化特征

平顶山市不同年份不同季节TVDI值空间分布如图2至图5所示。

图2 2015年平顶山市TVDI值空间分布

图5 2018年1月5日平顶山市TVDI值空间分布

春季平顶山市干旱多发生于北部，南部湿润度整体大于北部，大致可从西北到东南做一条30°的平分线，在此线以北，农业干旱情况整体严重于南部，春季干旱较为严重的县区集中分布于汝州市、宝丰县、郏县及叶县北部地区。其中，汝州市北部因山脉阻挡，加之裸地较多，因此易形成干旱。

图3 2016年平顶山市TVDI值空间分布

图4 2017年平顶山市TVDI值空间分布

夏季平顶山市干旱中心由北部转移至中部，其中心位置为石龙地区。

秋季平顶山市大部分地区遭受了不同程度的农业干旱，主要集中区域由夏季的中西部转移至东部，东部大部分地区为特旱灾区，西部为重旱灾区，只有极少数西南部和南部为无旱区。其原因主要是降水稀少，同时由于试验选取日期为初秋时节，温度依然较高，蒸发量较大，加之季风已经南下，因此产生了大面积干旱。

冬季平顶山市干旱中心由上一年秋季的东部转移至30°平分线的下半部分。其产生原因主要可归结为冬季时西南部山区大多数植被和农作物干枯，属于含水量较少的时节，因此该地区干旱程度较重，成为新的干旱中心，反而是之前夏季干旱较为严重的中北部地区干旱程度较其他地区而言较轻。但是，整体干旱趋势较上一年秋季有所减轻，进入春季后期随着降水的增加，整体干旱程度进一步减轻。

5 平顶山市干旱时间变化

平顶山市春季与冬季干旱情况相对较轻，夏秋两季干旱情况相对较严重，干旱时间演变趋势可归结为春季到秋季呈干旱逐步加重趋势，秋季至次年春季干旱情况有所好转，呈逐渐减轻趋势。

根据表1至表3的遥感图像TVDI值及气象资料可知，平顶山市不同干旱区的时间变化不同。其中，无旱区的变化特点是春季到夏季呈减少趋势，夏季到秋季情况依然不乐观，变动幅度较小，冬季情况有所好转，无旱区面积增大。轻旱区的变化趋势是2015年4月至2016年2月逐步减小，这4个季度大部分面积还是由中旱和特旱面积构成；2016年夏季至秋季轻旱区面积在不断减小（借助历史气象资料总结），到冬季有所上升；2017年春至2018年1月，除2018年春季面积有所扩大，其他季节依然类似轻旱区上一年时间的变化规律，因此可归纳为轻旱区的面积从春季到秋季逐步减少，冬季则有所增加。2015年，中旱区秋季所占面积为4个季度中的最小值，其余3季度皆为所占面积最大值，除2015年秋季面积有所减小外，其他3季度面积整体变化情况不大；2016年，中旱区在该地区依然占据主导位置，除了2016年夏季和秋季面积有所减小外（结合气象资料），其余大部分时间中旱区为当地面积最大的区域；2017年中旱区面积从春季到秋季呈小范围减小趋势，但整体所占面积依然为5个干旱划分区中最大。重旱区和特旱区整体变化趋势为春季至秋季逐步增强，冬季有所好转。

表1 2015年平顶山市TVDI值

表3 2017—2018年平顶山市TVDI值

平顶山市春季与冬季干旱情况相对较轻，夏秋两季干旱情况相对较严重。平顶山市干旱时间演变趋势可归结为春季至秋季呈干旱逐步加重趋势，秋季至次年春季干旱情况有所好转，呈逐渐减轻趋势。

表2 2016年平顶山市TVDI值

6 结论

根据试验数据及统计分析，可归纳出2015年春季至2018年春季平顶山市农业干旱问题严重，因此需做好防御工作。平顶山市主要农作物有水稻、小麦、玉米、棉花、大豆、油菜、马铃薯和花生等，其中水稻需要的灌溉水资源较多，因此做好水库蓄水工作十分重要。2015年春季至2018年春季平顶山市秋旱十分严重，易造成农作物生长需水不足，产量降低，因此需加强利用高新科技及其他方法弥补水资源不足的问题。如今跨流域调水已在此地实现，但在灌溉技术方面还需继续更新，要大规模采用滴灌模式，减少水资源浪费。平顶山市整体干旱演变情况可归纳为春季至秋季逐渐严重，冬季至次年春季有所缓解。因此，有关部门要制订相关计划，有针对性地预防干旱，同时结合当地的气候特点有目的、有计划地种植农作物。