基于Sentinel-3条件植被温度指数的关中平原干旱监测

董 磊，刘 艳，周西嘉，王鹏新，张树誉，

(1.陕西省气象局机关服务中心，西安 710014；2. 咸阳市气象局，陕西咸阳 712000；3.中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083；4.国家卫星气象中心，北京 100081；5.陕西省气象局，西安 710014)

干旱是影响作物产量的重要因素之一，严重威胁水资源和粮食的安全。我国国土面积广大，水资源分布不均，因此快速准确的干旱监测对于我国的粮食生产非常重要。目前，归一化植被指数(normalized difference vegetation index，INDV)和地表温度(land surface temperature，TLS)已成功用于全球干旱监测。基于INDV和TLS，研究人员发现INDV和TLS的散点图呈三角形或梯形分布，并且土壤含水量相同的点近似在一条直线上。根据此发现，王鹏新等[8]提出了条件植被温度指数(vegetation temperature condition index，IVTC)，该指数能够准确反映区域的相对干湿程度。为了获得定量的IVTC干旱监测结果，Sun等[9]进一步开发了基于多年遥感数据确定INDV-TLS散点图中多年热边界和冷边界的方法，进而得到多年可比较的定量干旱监测指数。为了确定IVTC在不同时间尺度上的适用性，林巧等[10]分析了不同时间尺度IVTC与降水量和土壤含水量的相关性，结果表明旬尺度的IVTC的干旱监测准确性最高。近20 a来，IVTC已成功用于陕西省关中平原、美国大平原、巴基斯坦旁遮普地区等区域的干旱监测，这些研究的结果表明，IVTC与土壤含水量和累积降水量都有良好的相关性。

迄今为止，先进的甚高分辨率辐射计(advanced very high resolution radiometer，AVHRR)和中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)图像已成功地应用于基于IVTC的干旱监测，其中MODIS传感器已运行了近 20 a仍在运行，亟需进一步开发基于新发射卫星传感器的IVTC计算方法并测试其干旱监测能力。Sentinel-3A和-3B是由欧洲航天局(European Space Agency，ESA)开发并于近几年发射的具有高时间分辨率的卫星，搭载海洋和陆地彩色成像仪(ocean and land colour instrument，OLCI)以及海洋和陆地表面温度辐射计(sea and land surface temperature radiometer，SLSTR)，具有与MODIS相似的空间分辨率(300～1 000 m)和时间分辨率(大约1.4 d)。Sentinel-3A卫星产品自 2017年 9月8 日起可用，Sentinel-3B卫星产品自2019年1月22日起可用。在撰写本文时，只有两年可以同时获取Sentinel-3A和-3B产品。目前无法直接计算多年Sentinel-3IVTC并获得定量的干旱监测结果，因此有必要结合多年MODIS数据，分析基于多年MODIS数据来计算多年Sentinel-3IVTC的可行性。研究结合多年Terra MODIS 数据计算多年Sentinel-3IVTC的方法，并使用累积降水量数据测试多年Sentinel-3IVTC的干旱监测能力。主要研究内容包括：对比单年Sentinel-3IVTC和单年Terra MODISIVTC之间的一致性；结合多年Terra MODIS数据计算多年Sentinel-3IVTC，并与多年Terra MODISIVTC进行对比；建立多年Sentinel-3IVTC与累积降水量之间的线性回归模型，进而检验多年Sentinel-3IVTC的干旱监测能力。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

研究区关中平原位于陕西省中部(106°22′～110°24′E，33°57′～35°39′N)，东西长约360 km，南北宽约80 km，平均海拔约500 m，地势西部高、东部低。气候属温带大陆性季风气候，年平均气温约13 ℃，年平均降水量在500～700 mm之间。区域内四季分明，冬季寒冷干燥，春季少雨并常有春旱，夏季温暖多雨，秋季气温变化幅度较大并且降水量在四季中仅次于夏季。在农业方面，关中平原约70%的土地为耕地，主要包括谷物地、果园和蔬菜地。夏季之前，谷物地种植的主要作物是冬小麦。通常，关中平原的冬小麦在10月播种，次年6月上旬收获。由于关中平原春季少雨并且气温逐渐升高，因此春季和夏季初期发生干旱的频率较高。然而春季刚好处于冬小麦的拔节期和抽穗—灌浆期，为冬小麦生长和生产的关键时期，区域内的降水量经常难以满足旱作农田中冬小麦等作物在整个生育期的水分需求。目前，关中平原50%以上的农田为旱田，干旱已成为关中平原地区农业增产增收的主要制约因素，在此期间进行作物长势监测对该地区的农业管理非常重要。

1.2 遥感数据与降水量数据

选取2020年3月上旬—5月下旬Sentinel-3数据，以及2000—2020年的Terra MODIS数据计算IVTC并进行干旱监测。其中，Sentinel-3数据包括空间分辨率为300 m的Level-2 OLCI陆地产品(OL_2_LFR)和空间分辨率为1 000 m的Level-2 SLSTRTLS产品。Terra MODIS数据产品包括空间分辨率为500 m的Terra MODIS反射率产品(MOD09GA)和空间分辨率为1 000 m的Terra MODISTLS产品(MOD11A1)，用于在计算多年Sentinel-3IVTC的过程中提供过去十几年的干旱程度和冷、热边界，以及检验多年Sentinel-3IVTC的干旱监测能力。在利用INDV和TLS数据计算IVTC的过程中，将Sentinel-3数据转换为Lambert方位等积投影并重采样为1 000 m空间分辨率，进而在相同空间尺度上计算IVTC。

关中平原研究区内共有32个县级气象站。从中选取20个以旱作农田为主的2020年3—5月的日降水量数据，用于评估多年Sentinel-3IVTC的干旱监测能力。为了与旬尺度IVTC的时间尺度保持一致，参考Sun等[9]的方法，将日降水量数据处理为近20 d的累积降水量数据，并建立旬尺度多年Sentinel-3IVTC与过去20 d累积降水量之间的线性回归模型。

1.3 多年Sentinel-3 IVTC干旱监测方法

多年Sentinel-3IVTC干旱监测包括两部分(图1)：Sentinel-3IVTC的计算和基于Sentinel-3IVTC的定量干旱监测。首先，分别利用每日上午获取的Sentinel-3 OLCI level-2产品和SLSTR level-2TLS产品计算每日INDV和TLS数据。为了减少太阳入射角、卫星观测角、轨道漂移以及云层和阴影的影响，使用最大值合成(maximum value composite, MVC)方法计算2020年3月上旬—5月下旬的旬尺度INDV和TLS，进而计算旬尺度的单年Sentinel-3IVTC。为了计算多年Sentinel-3IVTC，在单年Sentinel-3IVTC的基础上结合多年的Terra MODIS数据，进而得到多年Sentinel-3IVTC。最后，通过将多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC进行比较，并与过去20 d累积降水量数据建立线性回归模型，进而评估多年Sentinel-3IVTC的干旱监测能力。

图1 多年Sentinel-3 IVTC计算和干旱监测流程图

1.3.1 Sentinel-3IVTC的计算IVTC的计算公式为

(1)

TLSmax(INDVi)=a+bINDVi，

(2)

(3)

其中，TLSmax(INDVi)和TLSmin(INDVi)分别代表INDVi对应的最大TLS和最小TLS，分别称为热边界和冷边界。TLS(INDVi)代表INDVi对应的TLS。a、b，a′、b′为系数，根据土壤含水量从萎蔫含水量到田间持水量的研究区估算得到。

由于面积较小区域的干旱程度在短期内可能无法包含极度干旱和湿润，因此基于单年热边界和冷边界计算的IVTC(以下称为单年IVTC)只能反映相对干湿状况。基于多年热边界和冷边界计算的IVTC(以下称为多年IVTC)可以反映多年间的干旱程度。由于研究区在多年内更加有可能包含极度干旱和湿润，因此多年IVTC是一种可以进行不同年间对比的定量干旱监测结果。根据Sun等[9]的方法确定用于计算IVTC的热边界和冷边界。对于单年Sentinel-3IVTC的计算，使用2020年研究期间的各旬MVCINDV和TLS确定每旬的热边界和冷边界。对于多年Terra MODISIVTC的计算，使用多年各旬的MVCINDV和TLS确定每旬的热边界，使用多年的MVCINDV和多年的最大-最小值合成TLS确定冷边界[9]。对于多年Sentinel-3IVTC的计算，如果单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC之间存在显著的线性相关性，并且单年Sentinel-3IVTC与单年Terra MODISIVTC之间不存在明显的系统偏差，则可以根据二者之间的线性回归模型将单年Sentinel-3IVTC转换为多年Sentinel-3IVTC。

1.3.2 Sentinel-3IVTC与累积降水量相关性检验 建立2020年3—5月各旬的多年Sentinel-3IVTC与近20 d累积降水量之间的线性回归模型，用于评估多年Sentinel-3IVTC的定量干旱监测能力。利用决定系数(R2)对多年Sentinel-3IVTC与累积降水量之间的相关性进行描述。此外，使用假设检验对线性回归分析中样本的代表性进行评估。在假设检验中，P用于反映样本之间的差异由抽样误差引起的概率。通常，当P<0.05时，可认为相关性显着；当P<0.01时，可认为相关性非常显着。

2 结果与讨论

2.1 单年Sentinel-3 IVTC与单年Terra MODIS IVTC的对比分析

按照1.3.1节的方法分别计算单年Sentinel-3IVTC和单年Terra MODISIVTC。表1为研究时期内各旬单年Sentinel-3IVTC与单年Terra MODISIVTC的R2和平均偏差。在研究时期的各旬，单年Sentinel-3IVTC和单年Terra MODISIVTC之间的R2在0.19～0.57之间，表明二者之间存在一定的随机偏差，这种随机偏差可能与Sentinel-3和Terra卫星的过境日期和时间不同有关。然而，单年Sentinel-3IVTC和单年Terra MODISIVTC之间的平均偏差的绝对值非常接近于0，表明单年Sentinel-3IVTC与单年Terra MODISIVTC之间的系统偏差较小，因此单年Sentinel-3IVTC与单年Terra MODISIVTC之间的均方根误差主要来自二者的随机偏差。

表1 2020年3—5月关中平原单年Sentinel-3 IVTC和单年Terra MODIS IVTC的一致性检验

2.2 多年Sentinel-3 IVTC与多年Terra MODIS IVTC的对比分析

按照1.3.1节的方法计算多年Terra MODISIVTC。表2为研究时期内各旬单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC的线性关系和R2。在研究时期的各旬，二者之间的R2在0.84～0.99之间，表明单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC之间具有较高的线性相关性。由于单年Sentinel-3IVTC与单年Terra MODISIVTC之间的系统偏差较小，因此单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC之间的线性回归模型可以用于将单年Sentinel-3IVTC转换为多年Sentinel-3IVTC。

表2 关中平原单年Terra MODIS IVTC与多年Terra MODIS IVTC的线性回归模型与R2

利用表2中单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC的线性回归模型计算研究时期各旬多年Sentinel-3IVTC。表3为多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC之间的R2和平均偏差。多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC之间的R2在0.18～0.50之间，表明多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC之间的随机偏差较大。然而，多年Sentinel-3IVTC和多年Terra MODISIVTC之间的平均偏差的绝对值非常小，均不超过0.02，表明多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC之间的系统偏差较小，二者反映的研究区整体干旱程度基本相同。

表3 关中平原多年Sentinel-3 IVTC与多年Terra MODIS IVTC的一致性检验

图2为使用表2所示的线性回归模型计算的研究时期各旬多年Sentinel-3IVTC，可以看出，关中平原西部和中部冬小麦种植区的干旱程度在整个研究区内相对较低，尤其在4月上旬—5月上旬之间。多年Sentinel-3IVTC反映的干旱分布状况与先前基于多年Terra MODISIVTC的干旱监测结果[9-10]基本相同，表明结合多年Terra MODIS数据计算的多年Sentinel-3IVTC能够准确地反映关中平原地干旱分布状况。此外，2020年3月上旬—下旬，多年Sentinel-3IVTC整体逐渐减小，反映研究区干旱程度逐渐加深；3月下旬—4月中旬，多年Sentinel-3IVTC整体明显增大，反映此时研究区内降水量增加，干旱明显缓解；多年Sentinel-3IVTC从4月下旬开始整体减小，并且在5月上旬达到研究时期的最小值，反映研究区的干旱程度从4月下旬开始逐渐加深，降水量明显减少，并在5月上旬发生比较严重的干旱，在5月中旬得到缓解。

图2 关中平原旬尺度多年Sentinel-3 IVTC

2.3 多年Sentinel-3 IVTC与累积降水量的相关性分析

利用累积降水量数据对多年Sentinel-3IVTC的干旱监测结果进行检验。在研究时期内，由于3月上旬、3月中旬和4月下旬可用的Sentinel-3数据较多，并且计算的多年Sentinel-3IVTC整体变化较大，选择以上3个旬的多年Sentinel-3IVTC与过去20 d累积降水量建立线性回归模型(图3)。从图中可以看出，旬尺度的多年Sentinel-3IVTC与过去20 d的累积降水量具有显著相关性(R2=0.65，P<0.01)，与林巧等[10]和Khan等[11]的研究结果类似。结果表明，多年Sentinel-3IVTC可以为陕西省关中平原提供接近实时的干旱监测结果。

图3 多年Sentinel-3 IVTC与过去20 d累积降水量的线性回归模型与R2

3 结论

在单年Sentinel-3IVTC的基础上，利用单年Terra MODISIVTC与多年Terra MODISIVTC之间的线性回归模型计算多年Sentinel-3IVTC是可行的，并且计算的多年Sentinel-3IVTC与多年Terra MODISIVTC之间没有明显的系统偏差。此外，使用本文提出的方法计算的多年Sentinel-3IVTC与过去20 d累积降水量具有显著的线性相关关系(P<0.01)，R2达到0.65，表明多年Sentinel-3IVTC可以近实时地反映陕西省关中平原的定量干旱结果，该结果与前人基于MODIS数据的多年IVTC定量干旱监测精度基本一致。因此，本文提出的方法为基于近几年发射的遥感卫星数据进行多年IVTC定量干旱监测提供了可行的方案。随着Sentinel-3数据量的增加，将进一步研究单独基于Sentinel-3数据的多年IVTC计算方法，并与本文结合Terra MODIS数据的多年Sentinel-3IVTC计算方法进行对比分析。