一种干旱过程网格化旱情综合监测、预警与评估方法

技术领域

本发明属于遥感监测技术领域，具体涉及一种干旱过程网格化旱情综合监 测、预警与评估方法。

背景技术

干旱是一种长期、渐变的自然灾害,这种灾害具有时间长、非正常水分短缺 等特点。传统的干旱监测主要是应用气象和水文数据，基于地面单点观测资料, 对干旱有关的参数进行观测。由于测点少，反映的是测点的土壤水分信息，而 不是面上土壤水分的总体状况，难以满足抗旱决策对面上灾害情况快速了解的 需求。

随着遥感技术的迅速发展，多时相、多光谱遥感数据从定性、定量等方面 反映了大范围的地表信息，与传统的干旱监测手段相比具有很大的优势，为实 时动态的干旱遥感监测提供了有效的数据来源，为旱情监测开辟了全新的途径。

传统的遥感监测是对某一特定区域的干旱情况进行检测，但在实际应用中， 同一地区会出现不同的地表特征，不同的地表特征变化可能会产生不同的遥感 信号，进而使得不同遥感干旱指数在描述农业干旱时存在差异，因此需要将其 区别对待。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明提供一种干旱过程网格化旱情综合监测、 预警与评估方法，集成了区域的气候特点和作物生育规律，得到更为作物地区 更为准确的旱情等级，为科学灌溉提供指导，具体的技术方案如下：

一种干旱过程网格化旱情综合监测、预警与评估方法，包括以下步骤：

S1、根据地表特征变化建立农业旱情遥感监测指数的分类体系，构建干旱 过程综合监测指数模型SPDI：

SPDI＝a1×ATI+a2×NDWI+a3×TVDI+a4×NDVI

式中：ATI为表观热惯量；NDWI为归一化差异水分指数；TVDI为温度植 被干旱指数；NDVI为归一化植被指数。

a1，a2，a3，a4为待定系数，满足a1+a2+a3+a4＝1，可根据每种指数相对 于土壤墒情的线性相关系数的大小进行调整。

S2、根据土壤属性数据、土壤有效持水能力、土壤水分胁迫信息确定旱情 综合分析因子，以农作物在不同生育阶段的缺水指数作为旱与不旱的判断标准。

S3、根据农气站点实测土壤含水量数据和由土壤水分平衡方程估算的土壤 含水量数据进行实时校正，利用校正后的土壤含水量根据农业干旱等级和区域 干旱等级标准，确定旱情等级并进行预警。

S4、以农作物减产百分率、生长季降水总量和生长季DI指数为评估要素 进行分析和研究，最终以农作物生育期旱情进行灾损评估等级的划分。

进一步地，步骤S1中，所述分类体系包括土壤水分变化、作物形态及绿度 变化、冠层温度变化、植被水分变化。

进一步地，步骤S1中，所述a1，a2，a3，a4待定系数的设定原则为：

(1)地表植被覆盖较小时，a1所占权重较大，a2，a4所占权重较小；地 表植被覆盖度较大时，a1所占权重较小，a2，a4所占权重较大；

(2)干旱发生初期，a1所占权重较大，a3较小，a4次之，a2最小，随着 干旱的持续，系数设置则逐渐成相反的趋势；一般情况下，可参照植被健康指 数的系数设定方案，即设定a1＝a2＝a3＝a4＝0.25。

进一步地，步骤S2中，所述旱情综合分析因子来自自然因素和社会经济因 素，所述自然因素包括气象、水文、土壤、植被：所述社会经济因素包括作物、 水库、土地利用、经济发展水平。

进一步地，步骤S2中，所述缺水指数的计算公式为：T＝aR-Rc，式中，T 为作物缺水指数，R为作物该生育阶段的累计降水量，a为自然降水的有效系数， Rc为为作物该生育阶段的需水量。

进一步地，所述旱情判断标准为：当土壤相对湿度小于60％，作物缺水率 大于5％，此时出现旱象；当土壤相对湿度小于50％，作物缺水率大于20％， 此时发生旱情；当土壤相对湿度小于40％，作物缺水率大于35％，此时为旱灾。

进一步地，步骤S3中，所述土壤水分平衡方程为：

WT+1＝WT+a*P+G+I-ET

式中，WT+1为时段末的土壤含水量，单位为mm；P为时段内的有效降水 量单位为mm；a为自然降水的有效系数，一般采用地域多年平均值代替，如丘 陵山区为0.7～0.9，平原地区为0.9～1.0；I为供水保证率在p＝75％的条件下的灌 溉量；WT为时段初的土壤含水量，单位为mm，时段初土壤含水量WT由实测 土壤湿度m得到，计算公式为：

WT＝10mρh

式中，m为用烘干法测得的重量土壤湿度％的分子项；ρ为土壤容重g/cm3； h为土层厚度m，模型中取1m；10为单位换算系数。

G＝ET/e2H

式中，H为地下水埋深，单位为m；ET为时段内作物实际蒸散量，单位为 m；计算方法为

ET＝kc·ET0

式中，kc为作物系数，是土壤含水量和叶面积的函数，不同的作物，其计 算公式不同；ET0为时段内作物潜在蒸散量，单位为m，用1979年经FAO修 订的Penman公式计算：

ET0＝[(P0/P)·(Δ/γ)·Rn+Ea]/[(P0/P)·(Δ/γ)+1.00

式中，ET0为未来某日的潜在蒸散，mm/d，P0和P分别为海平面气压和本 站气压，hPa；Rn为辐射差额，mm/d；Ea为空气动力学项，mm/d；Δ为饱和 水汽压斜率，hPa/℃；γ为干湿球湿度公式常数，0.66hPa/℃。

进一步地，步骤S4中，所述旱情等级的划分标准是根据1km栅格土壤凋 萎点含水量数据或土壤质地数据提取或估算单点或区域的土壤凋萎点含水量， 再根据农气站点实测土壤含水量数据，依据《农业干旱等级标准》判断农业干 旱情况，具体为：

1)农气站点土壤含水量数据Rsm≥70％FMC，不干旱；

2)农气站点土壤含水量数据Rsm≤WC，严重或特大干旱；

3)若WC≤Rsm≤70％FMC，依据《农业干旱等级标准》判断农业干旱；

其中，FMC为田间持水量，cm3/cm3；WC为凋萎系数，cm3/cm3；

土壤凋萎系数估算公式为：WC＝-0.000059×Sand+0.001142×Silt+ 0.005766×Clay+0.002228×OM+0.02671×Bulk_Density

土壤田间持水量估算公式为：FMC＝0.003075×Sand+0.005886×Silt+ 0.008039×Clay+0.002208×OM-0.14340×Bulk_Density

式中，Sand为土壤砂粒含量％；Silt为土壤粉砂粒含量％；Clay为土壤粘 粒含量％；OM为土壤有机质SOM含量％；Bulk_Density为土壤容重，g cm-3；

4)根据历史同期降水量和历史同期灾情资料比较，判断干旱发生严重程度；

5)根据气象插值结果，统计前10天累计降水量，判断干旱发生严重程度。

进一步地，步骤S4中，所述DI指数可用来评估生长季和主要发育阶段是 否干旱，其指标由相对气象产量减产率和生长季降水总量以及各发育阶段降水 总量来确定，所述灾损评估等级的划分包括无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱， 共5个等级。

本发明的有益效果为：本发明综合模型集成了区域的气候特点和作物生育 规律，可以结合气象数值预报产品，输入遥感墒情或站点实测墒情，计算出实 时或未来时段内的逐日格点化土壤湿度变化，并将该结果与作物相应的发育期 适宜水分指标和干旱指标对比分析，根据农业干旱等级和区域干旱等级标准得 到相应的旱情等级，为实现节水灌溉，提高水分利用率，制定科学合理的指导 方案。

附图说明

图1是本发明土壤旱情等级确定的方法流程图。

图中：

具体实施方式

一种基于干旱过程网格化旱情综合监测、预警与评估方法，包括以下步骤：

S1、根据地表特征变化建立干旱过程综合监测指数模型SPDI的分类体系， 用于为干旱过程综合监测指数模型SPDI的构建提供参考；具体干旱遥感监测 指数分类体系如表1所示：

表1干旱过程综合监测指数分类体系

所述干旱过程综合监测指数模型SPDI为：

SPDI＝a1×ATI+a2×NDWI+a3×TVDI+a4×NDVI

式中：ATI、NDWI、TVDI、NDVI均为农业干旱遥感监测指数，其中， ATI为表观热惯量；NDWI为归一化差异水分指数；TVDI为温度植被干旱指数； NDVI为归一化植被指数；

a1，a2，a3，a4为待定系数，并满足a1+a2+a3+a4＝1，可根据每种指数相对 于土壤墒情的线性相关系数的大小进行调整；系数的设定原则为：

(1)地表植被覆盖较小时，a1所占权重较大，a2，a4所占权重较小；地表 植被覆盖度较大时，a1所占权重较小，a2，a4所占权重较大；

干旱发生初期，a1所占权重较大，a3较小，a4次之，a2最小，随着干旱的 持续，系数设置则逐渐成相反的趋势；一般情况下，可参照植被健康指数的系 数设定方案，即设定a1＝a2＝a3＝a4＝0.25。

S2、根据土壤属性数据、土壤有效持水能力、土壤水分胁迫信息确定旱情 综合分析因子，以农作物在不同生育阶段的缺水指数作为旱与不旱的判断标准； 所述旱情综合分析因子来自自然因素和社会经济因素，所述自然因素包括气象、 水文、土壤、植被：所述社会经济因素包括作物、水库、土地利用、经济发展 水平。情综合分析因子具体见表2；

表2 情综合分析因子

以雨养农业为例，在作物生育期内，随着降水的持续减少，甚至长时间无 降水，使得土壤含水量与蒸散发量的偏离程度大于多年平均值，土壤相对湿度 小于60％，作物缺水率大于5％，此时出现旱象；随着土壤水分得不到降水和 地下水的适量补给，偏离程度加大，土壤相对湿度小于50％，作物缺水率大于 20％，农作物从土壤中吸收的水分不能满足正常生长要求，作物体内出现水分 胁迫，此时发生旱情；作物本身虽具有一定的抗旱能力，但土壤水分仍得不到 适量补给，土壤相对湿度小于40％，作物缺水率大于35％，旱情不断发展，作 物生长受到抑制，甚至死亡，此时即为旱灾；接下来若土壤水分能得到适量补 给，则旱情会慢慢得到缓解，直至土壤含水量与蒸散发量的偏离程度达到多年 平均值，则旱情解除；然而即使旱情解除了，由于旱情和旱灾起止时间以及影 响程度的不同，作物的受旱程度亦不同。若旱象不是发生在作物生育期内，则 可能不会发展成为旱情和旱灾，这取决于旱象的强度和持续时间。

作物在不同生长阶段，缺雨的敏感度是不同的。因此，在不同阶段出现的 干旱对灾情的影响也不相同。一般说来，播种期必须有一定的降水才能保证出 苗，而出苗以后，苗期的作物需水少，抗旱能力最强。而且“蹲苗阶段”出现的 轻旱还能保证促进根系深扎，增强作物的抗逆行，为生殖生长阶段接受水肥准 备好生态基础。在苗期之后的营养生育期，作物的需水逐渐增大，但对缺水仍 不敏感。多数作物在生殖生育期对干旱最敏感，需水量也最大。华北地区雨水 最多的季节，也正是本区多数作物的生殖生育期。这时出现的干旱会严重影响 作物花器的生长发育及开花灌浆，造成严重减产。作物进入成熟期以后，需水量又明显减少，对缺水的敏感度也大幅度下降。如果作物仅单独在某一个生长 阶段遭受缺雨危害，所受到的影响通常是有限的，所造成的粮食减产一般不超 过3～4成。

以内蒙古为例，内蒙古适种作物各生长阶段的缺雨敏感度如表3所示。

表3 内蒙古适种作物各生长阶段的缺雨敏感度

由于不同生育阶段农作物水分的亏缺量对产量的影响是不同的，而水分亏 缺的时期比水分的亏缺量影响更大。需要识别作物需水的关键期，尽量保障关 键期的需水量。因此在干旱的情况下，从优化用水的角度看，适时适量地灌溉 以充分考虑水的利用效率，是在干旱缺水的条件下尤其应着重考虑的问题。解 决了农作物在某一生育阶段所需灌溉水总量的问题，解决在确定的某一时刻进 行灌溉时所需水量多少的问题。

通过以上分析，旱情旱与不旱判断标准：作物该生育阶段的累计降水能否 满足作物生长需要，尤其是需水临界期。缺水指数的计算公式为：ΔT＝aR-Rc， 式中，ΔT为作物缺水指数，R为作物该生育阶段的累计降水量，a为自然降水 的有效系数，一般采用地域多年平均值代替，如丘陵山区为0.7～0.9，平原地区 为0.9-1.0。Rc为为作物该生育阶段的需水量，Rc需水数据通过表2换算得来 (除以666.67m

S3、根据农气站点实测土壤含水量数据和由土壤水分平衡方程估算的土壤 含水量数据进行实时校正，利用校正后的土壤含水量根据农业干旱等级和区域 干旱等级标准，确定旱情等级并进行预警；

所述土壤水分平衡方程为：

W

式中，W

W

式中，m为用烘干法测得的重量土壤湿度％的分子项；ρ为土壤容重g/cm

G＝ET/e

式中，H为地下水埋深，单位为m；ET为时段内作物实际蒸散量，单位为 m；计算方法为

ET＝k

式中，k

ET

式中，ET

其中，所述旱情等级的划分标准是根据1km栅格土壤凋萎点含水量数据或 土壤质地数据提取或估算单点或区域的土壤凋萎点含水量，再根据农气站点实 测土壤含水量数据，依据《农业干旱等级标准》判断农业干旱情况，具体为：

1)农气站点土壤含水量数据Rsm≥70％FMC，不干旱；

2)农气站点土壤含水量数据Rsm≤WC，严重或特大干旱；

3)若WC≤Rsm≤70％FMC，依据《农业干旱等级标准》判断农业干旱；

其中，FMC为田间持水量，cm

土壤凋萎系数估算公式为：WC＝-0.000059×Sand+0.001142×Silt+ 0.005766×Clay+0.002228×OM+0.02671×Bulk_Density

土壤田间持水量估算公式为：FMC＝0.003075×Sand+0.005886×Silt+ 0.008039×Clay+0.002208×OM-0.14340×Bulk_Density

式中，Sand为土壤砂粒含量％；Silt为土壤粉砂粒含量％；Clay为土壤粘粒 含量％；OM为土壤有机质SOM含量％；Bulk_Density为土壤容重，g cm

4)根据历史同期降水量和历史同期灾情资料比较，判断干旱发生严重程度；

5)根据气象插值结果，统计前10天累计降水量，判断干旱发生严重程度。

S4、，以农作物减产百分率、生长季降水总量和生长季DI指数为评估要素 进行分析和研究，最终以农作物生育期旱情进行灾损评估等级的划分。

干旱等级的划分是灾损评估研究中必不可少的一步，对旱灾进行分级，能 够有效的评定作物受损状况、产量损失程度。本研究利用收集和整理的资料， 模拟了减产是以减产百分率为评估量，以阶段和生长季DI指数为评估要素进行 分析和研究，从而实现灾损评估指标的等级划分。

百分率，反演了DI指数，利用对比分析和相关分析的方法验证了两者成正 相关。由于减产百分率是利用实际单产求得，而实际单产的影响不只是与干旱 有关，还可能包涵其它因素的影响，研究只探讨干旱，即由降水所造成的减产， 于是在划分等级时，利用减产百分率、DI指数和降水总量，降水总量与DI指 数成明显的线性关系，综合考虑三者之间的关系。

利用发生过干旱年份的减产资料序列为研究序列进行干旱研究，即利用灾 害年中由干旱造成的减产率(相对气象减产率)、生长季降水总量和生长季DI 累积指标的关系，确定出最终的西北地区玉米生长季干旱DI指标的划分等级。 将气象干旱等级划分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱，共5个等级，然而农 业干旱的发生是指作物体内水分亏缺，农业干旱等级达到轻旱以上的标准。研 究探讨的是农业干旱，所以只给出轻旱以上的等级划分标准。DI可用来评估生 长季和主要发育阶段是否干旱，其指标由相对气象产量减产率和生长季降水总 量以及各发育阶段降水总量来确定。例如，玉米生长季累积DI指数等级划分标准如表3所示。

采用作物生长模型开展旱情综合监测与评估，作物模型综合了作物生长过 程中发生在土壤、作物、大气、管理之间的主要过程，可以水文模拟、气象模 拟、土壤侵蚀、影响循环、作物生长、土壤温度、耕作、经济效益模拟等多中 模拟。以日为时间步长模拟从一个生长季到上百年的农田水土资源及作物生产 力的动态变化。同时，能够有效地处理灌溉问题和灌溉效益评价。在干旱发生 时期，农田灌溉作为自然降雨处理因此农田降水包括自然降雨和灌溉。作物模 型能够分析作物对旱灾压力累进形成的水分胁迫所产生的响应，为科学地理解 和刻画农业旱灾成灾过程、机制和损失形成过程提供了一个重要的思路和方法。