基于植被供水指数的锡林浩特市干旱监测分析*

杨 莎

(内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特010022)

通常来说，干旱就是该地区土壤含水量少，满足不了人的正常生存和社会经济发展的气候现象。这种长期异常干燥的气候现象，涉及范围广，持续时间长，会造成农业、生态和水文的严重失衡，并对环境、社会和经济造成不良影响[1]。据计算，每年因干旱造成的全球经济损失高达80亿美元，它严重影响了人类社会的可持续发展，并且威胁着人类赖以生活的自然环境。据统计，自1949年后我国每年平均旱情受灾面积约2022万hm2，占全国各种气候灾害总面积的59.3%[2]。为了促使农业可持续发展,保证国民粮食安全和减少经济损失，我们应及时制定防灾措施，尽快提出减灾对策。通过对之前发生的旱灾产生的原因和导致的结果以及自身特点的分析，制定相应的对策来预防干旱，以减少干旱产生的负面影响。传统的方法是利用气象站的点数据来监测干旱，数据比较准确，但也存在气象站点设置数量不足、站点空间分布不均和数据采集周期长等问题。而遥感干旱监测，通过其具有多波段且可以真实准确反应目标地物的特征，对旱情变化监测和评估具有快速、宏观的优势。干旱监测的方法大致可分为基于植被供水指数、基于地表温度以及融合两种方法的干旱指数[3]，其中植被供水指数法适用于高植被覆盖情况下的土壤水分监测，该方法资料获取容易，对植被覆盖度和土壤水分条件变化大的情况监测效果明显，能够迅速地为决策者提供科学依据并有效指导抗旱救灾工作。MODIS传感器有着高时相性和高灵敏度的特点，使其对温度的灵敏度达到0.01，因此在生产实践中监测效果较好[4]。为此，基于植被供水指数，利用遥感技术对呼和浩特市2009～2017年的干旱情况进行了监测分析。

1 研究区概况

研究区域为内蒙古自治区锡林郭勒盟锡林浩特市，地处内蒙古自治区中部地区，地理位置为43°02′～ 44°52′N、115°13′～ 117°06′E，东邻西乌珠穆沁旗，西靠阿巴嘎旗，北部同东乌珠穆沁旗为邻，南部与正蓝旗和克什克腾旗相接。该市南北长208km，东西长143km，总面积15758km2。大陆性半干旱气候，夏季高温、多雨且集中，冬季低温、干燥，降水分布不均匀，1月平均气温-18.8℃，7月平均气温21.2℃，年平均气温2.6℃。

2 研究方法

2.1 数据来源与处理

MODIS卫星是一种传感器，其位于Terra和Aqua卫星上最终以图像的形式反映全球信息。其地面分辨率分别为250m、500m和1000m，最高空间分辨率为250m。MODIS具有36个波段，由于其数据的多样性，可以全面、准确地反映出不同地物的特征。本研究的数据来源于NASA官网，根据所需研究区的位置和时间等要素下载。下载完成后在ARCGIS中进行投影转换和图像裁剪。NASA官网(https://www.nasa.gov)提供了Terra卫星平台的NDVI产品(MODIS13Q1)和陆地地表温度产品(MOD11A2)，本研究选用了2009～2017年7～9月的MODIS三期遥感影像数据，该NDVI产品是16d合成的、空间分辨率为1000m、时间分辨率为24h、大小为1200行×1200列、投影方式为Sinusoidal投影的归一化植被指数产品，MOD11A2是由8d合成的、空间分辨率为1000m、时间分辨率为24h、大小为1200行×1200列、投影方式为Sinusoidal投影的地表温度产品。从NASA官网(https://www.nasa.gov)上下载MODIS产品数据，根据所研究区特点进行镶嵌和裁剪，得到归一化植被指数和陆地的地表温度，运用植被供水指数获得旱情分布情况，最后总结三期对该研究区域的研究，依次进行对比和干旱分析。

2.2 植被供水指数

2.2.1归一化植被指数

运用归一化植被指数进行干旱监测是目前所使用的最普遍的办法。据研究表明，归一化植被指数可以比较准确的反映出土壤中水分的状况。而土壤中水分因子又与植物的生长状态有密切的关系，植被的生长状态可以间接的反映出该土壤所生长的作物的干旱情况。植被的光谱曲线的不同是由其体内叶绿素的含量所决定的。NDVI就是根据其反应出的光谱曲线来反映植被生长和发育情况的指数。因此归一化指数与植被覆盖度存在密切的关系，根据NDVI值可以清晰的反映出植被的生长情况。鉴于植被依次在近红外波段和红外波段具有的高反射率和低反射率的光谱特征，因此植被指数值可以较明显地反映地物特征。NDVI值越高，表示该地区植被的覆盖度越高，植被生长状况越好[5]。

2.2.2陆地表面温度

地表温度主要包括两种类型：裸地区域下的裸地温度和有植被覆盖度的植被冠层温度。陆地的表面温度是衡量干旱的一个十分重要的因素。当某地遭遇干旱时，对于裸地来说土壤的含水量减小，土壤的温度会迅速增加，因此陆地的地表温度也会增加；对于有植物覆盖的区域来说，当遭遇土壤中的水分流失或干旱时，植被生长所需的水分供给远远不足，植被的叶子会关闭气孔，以此来减少植被生长时体内的热量散失，导致植被冠面的温度升高，由此地表温度也随之升高；相反，当该地区土壤中的水分充足，足够满足植被生长所需要的水分时，植被的叶片会正常的打开气孔进行蒸腾作用，植被可以正常进行热量的散失，所以植被冠面温度将有所降低，因此所反映的地表温度也会降低。对于裸地温度，它是地表无植被直接测得的温度。对于有植被覆盖的地区来说，它所测得温度就是植被的冠面温度，当土壤出现干旱的情况则表现为植被的冠面温度的提高[6]。

2.2.3植被供水指数

植被供水指数法表达了当植被生长时所需水分供给正常时，植被指数与植被冠层温度存在一定的联系。当作物受旱或者供水不足时，冠层通过关闭气孔减少蒸腾量，植被指数数据就会降低，而作物冠层温度由于气孔的关闭而升高[7]。此方法一般适合于植被生长状态较好的区域。

植被供水指数定义为：VSWI=NDVI/ LST

式中：NDVI表示归一化植被指数；LST表示陆地地表面温度；VSWI的数值表示植被受旱程度的大小。

一般地，当植被生长缺少水分时，冠层的温度就会升高，即LST值高，植被的生长受到影响，反映植被生长的植被指数就会降低，即NDVI值低，所以VSWI值小。当下垫面是湿润土壤时，植被指数较高，即NDVI升高，温度相对较低，即LST降低，所以VSWI值越大。VSWI受NDVI的影响大，通过NDVI、LST两者相互运算得到的VSWI值越小，表示土壤含水量越低，即该区域干旱程度严重；相反，运算得到的VSWI值越大，表示土壤含水量越高，干旱程度不明显[8～10]。

3 基于GIS的动态分析结果

3.1 旱情等级反演与空间分析

根据前人研究结果[10]，以内蒙古旱情统计数据为依据，结合锡林浩特市当地的气候情况，大致将干旱分为3个等级(表1)，分别为基本不旱、中旱和重旱，即植被供水指数0.02～0.03为基本不旱，0.01～0.02为中旱，0～0.01为重旱，VSWI的数值越小，气候的干旱程度就越重；VSWI的数值越大，气候的干旱程度就越轻，湿润程度就越明显。

根据干旱等级，得到锡林浩特市2009年、2013年和2017年的干旱分布情况，具体详见图2、图3和图4。

表1 植被供水指数(VSWI)干旱等级标准

图2 2009 年干旱分布图

图3 2013年干旱分布图

图4 2017年干旱分布图

3.2 旱情动态分析

2009年锡林浩特市的西部和中部处于重旱。位于锡林浩特市西部的阿尔善宝拉格镇、伊利勒特苏木和达布希勒图苏木，位于中部的锡林浩特市以及巴音锡勒镇的中南部，位于北部的朝克乌拉苏木和毛敦牧场的部分地区干旱程度最严重；位于锡林浩特市东部的巴音锡勒镇东部部分地区和南部的贝里克牧场部分北部地区基本不旱；其余地区为中旱。整体来说，锡林浩特市地区重旱分布较多，基本不旱分布较少，全区较干旱。

2013年锡林浩特市的西部和中部依旧处于重旱。相比2009年的干旱情况，重旱分布集中在中西部和北部，如地处锡林浩特市西部的阿尔善宝拉格镇、伊利勒特苏木以及达布希勒图苏木，地处中部的锡林浩特和巴彦宝拉格苏木，位于北部的朝克乌拉苏木和毛敦牧场等地区干旱程度最严重；东部部分地区基本不旱；其余为中旱。整体来说，干旱区域分布较多且集中，基本不旱分布较少。与2009年相比，重旱区域有所增加，中旱区域有所减少，基本不旱区域没有明显变化。

2017年重旱区域主要分布于锡林浩特市北部的阿尔善宝拉格镇、朝克乌拉苏木的北部、巴彦宝拉格苏木的部分地区和中西部的伊利勒特苏木、达布希勒图苏木、贝力克牧场的北部、锡林浩特的大部分地区和巴音锡勒镇的西部。与2009年和2013年相比，重旱区域有所减少，中旱区域有所增加，基本不旱区域有明显增加。总体来看，干旱情况仍然严重，但整体有所好转。

4 讨论

以锡林浩特市2009年、2013年和2017年的MODIS数据数据为基础，使用植被供水法，通过计算获得了植被指数和地表温度，得到2009年、2013年和2017年的干旱情况，并且对干旱情况进行了等级划分与分析。由于干旱是一种由多种因素引起的非常复杂的自然现象，它不仅与植被和地表温度有关，也与下垫面差异有关，而下垫面的差异不仅会造成地表温度的不同，也会造成植被指数的不同，所以本研究所得出的数据精度还有待提高。其原因是(1)植被指数在干旱初期很难被监测出来，因此植被指数的滞后性也会影响最终结果的准确性；(2)所选用的两个产品数据的空间分辨率不同，修改空间分辨率会导致数据具有一定的误差性；(3)植被供水指数法适用于植被覆盖度较高的地区，但研究区部分植被覆盖度较低，因此运用此算法得出的部分地区的结果可能无法完全反映研究区的真实情况。

5 结论

5.1在空间上研究区2009年干旱主要分布在锡林浩特市的西北部，东南部干旱程度较轻；2013年干旱主要集中分布在锡林浩特市的中西部和北部，东部干旱程度较轻；2017年干旱主要分布在锡林浩特市的北部和中西部地区，东部干旱程度较轻且零星分布在各个旗县。

5.2在时间上研究区2013年干旱分布区域比2009年有所增加，显示出干旱程度加重；2017年干旱情况比前两年有明显好转，重旱区域明显减少，基本不旱区域有所增加。

5.3锡林浩特市2009年、2013年和2017年的植被指数呈逐年增加的趋势，地表温度呈逐年降低的趋势；研究区大部分为干旱程度严重，但随着时间推移重旱明显减少且干旱程度有所好转。