基于多源数据的遥感旱情监测方法研究

发布时间：2020-05-24 22:34

【摘要】：干旱是一种复杂的自然灾害,影响因素很多。随着气候变暖等因素影响,干旱灾害更是频繁发生,影响范围不断扩大,给人类生活特别是农业生产带来巨大的影响和损失。对干旱问题展开深入研究,为决策部门提供决策依据,对我国的国民生产,尤其是农业生产,有着非常重要的意义。遥感技术作为农业物联网信息感知关键技术之一,能快速获取大面积地物信息,是监测农业旱情的一种重要手段,本文以农业干旱作为研究对象,在分析总结已有遥感旱情监测工作的基础上,对基于多源数据的遥感旱情监测方法展开深入研究,从干旱时空变化特征着手,利用气象因子以及旱情指标变化特征对长时序全国范围内的旱情特征进行系统全面的分析。基于短波红外光谱特征空间、旱情多因子信息挖掘等多个角度建立高精度实用旱情监测方法,并利用实测数据对提出的多种旱情监测方法进行检验。本文的主要结论包括：(1)利用不同时间尺度的SPI和SPEI气象干旱指数评估1961年到2012年全国范围以及不同区域范围内的旱情形势,发现两种干旱指数反映的全国旱情形势基本类似,都能反映出区域旱情信息,但与SPI指数相比,SPEI指数表现出的旱情形势更为严重,这主要是因为SPEI指数综合考虑降水量和气温两种气象因子,而SPI指数仅参考降水量数据,当前全球气温上升趋势会对SPEI值大小造成影响。利用Mann-Kendal非参数检验方法对气象数据变化趋势进行估测,发现全国范围内有38个站点的月均降水量呈现显著下降趋势,有277个站点的月降水量呈现下降趋势但不显著；绝大部分站点平均气温都呈现出显著的上升趋势；绝大部分站点的SPEI值表现出下降趋势,这些站点分布主要集中在华北(内蒙古、河北、山西)、东北(辽宁、吉林、黑龙江)、西北(陕西、甘肃、宁夏、青海北部、新疆东南部)以及西南(四川东南部、云南、重庆、贵州)地区,干旱趋势明显。(2)植被土壤水分状态的微小变化能引起短波红外光谱反射率的巨大变化。利用MODIS第6波段和第7波段构建短波红外光谱特征空间,分析不同土地覆盖类型在特征空间中的分布规律,构建MODIS短波红外水分胁迫指数MSIWSI。利用20cm实测土壤相对湿度验证MSIWSI、EVI以及MPDI与实测数据相关性并对比分析不同指数敏感性,发现与其他指数相比,MSIWSI模型与实测土壤湿度的相关性更高。利用农业气象灾情数据、实测站点降水量和平均气温数据与MSIWSI指数旱情分布图进行对比以评估MSIWSI模型旱情监测可靠性,发现MSIWSI反映的干旱分布与实际干旱情况吻合度高,能合理反演区域旱情状况。(3)基于遥感旱情指数与实测数据相关性对模型输入数据进行选择并对输入数据进行SMOTE过采样处理,利用神经网络、支持向量机、分类回归树三种单分类器对不同月份训练样本进行学习并对研究区旱情等级进行判断,发现三种单分类器中,BP神经网络方法在所有4月到10月训练样本和测试样本上的分类精度都高于另外两种方法,支持向量机方法的训练样本总体精度高于分类回归树方法,但其测试样本总体精度低于分类回归树方法,不同分类器在不同时间分类效果也存在差别。构建阈值技术优化的模糊投票法FMVT对三种单分类器分类结果进行决策级融合,建立一种高精度区域旱情等级评估方法,并选择另外两种常用融合方法(经典投票法和模糊投票法)与FMVT方法进行对比,发现与三种单分类器相比,三种融合方法在测试集和训练集上的分类精度均有所提高,尤其是FMVT方法在测试样本中的总体分类精度分别比BP神经网络、支持向量机、分类回归树高出约3.4、5.6和4个百分点,而且FMVT方法在7个不同月份样本上的总体精度均高于三类单分类器分类精度,可用于实际区域旱情等级分类研究中。(4)利用多种遥感指数分别与实测指数SPEI进行相关性分析并选择相应指数作为不同时期模型输入参数,利用随机森林回归方法对气候分类信息、高程信息、土地覆盖类型以及不同遥感旱情因子等多种特征进行集成,建立一种多因子集成旱情状态指数IDCI。利用VCI、TCI、PCI、SMCI以及VHI与IDCI进行对比,发现与其他指数相比,IDCI指数与实测指数的相关性更高,均方根误差相对较小,而且所有相关性都通过0.05显著性检验。利用研究区9个主要省份的IDCI值与实测指数SPEI-3值进行散点图分析和相关性验证,发现IDCI指数在不同省份都能很好地拟合实测指数,所有相关关系都通过0.005显著性检验。对比研究区21个代表性站点位置处的IDCI值与实测指数变化趋势,发现绝大部分站点处的IDCI指数变化规律能与实测指数SPEI-3的变化规律保持一致。将IDCI空间分布图、站点实测指数分布情况以及实测气象数据变化趋势进行对比分析,发现由IDCI空间分布图反映的研究区旱情状态与实测指数SPEI-3分布特征有较好的一致性,IDCI旱情空间分布图能较精确的指出干旱受灾区域,与实测气象数据吻合度高,在实际大范围旱情监测业务中具有较大的应用潜力。
【图文】：

点分布,气象站,标准化降水指数,时间尺度

图２－１xO究区及气象站点分布逡逑Ｐ＾ｉｇｕｒｅ邋２－１邋Ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ邋ａｎｄ邋ｌｏｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｓｉ化Ｓ逡逑２．２．２标准化降水指数逡逑标准化降水指数ＳＰＩ能反映不同时间不同地区的降水气候特点，具有从不同逡逑时间尺度进行干旱监测的能力，可Ｗ满足多种水分监测需求，１个月时间尺度的逡逑ＳＰＩ邋适合监测气象干旱（Ｃａｃｃａｍｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１；邋Ｚｈａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｊｉａ邋２０１３）；邋３－６邋个月时间尺逡逑度的ＳＰＩ适合对农业干旱状态进行分析（Ｒｏｕａｕｌｔ邋ａｎｄ邋Ｒｉｃｈａｒｄ邋２００３；邋Ｒｈｅｅｅｔａｌ．邋２０１０；逡逑Ｇｅｂｒｅｈｉｗｏｔ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１）；邋１２个月时间尺度的Ｓ巧能反映长期降水变化，一般与河逡逑流水位、水库水位，甚至地下水位具有较高相关性（Ｗｕ巧ａｌ．邋２００１；九ａｎｄ邋Ｐｅｔｅｒｓ逡逑２００３，民ａｚｉｄｅｔａｌ．邋２０１４），在国内外旱情腔测中得到广泛应用。具体计算步骤为；逡逑（１）假设某时段降水量为随机变量Ｊ，其Ｇａｍｍａ分布概率密度函数为：逡逑作）＝扁，—ｌｅ－ｗ逦ｘ＞0逦口．１）逡逑

空间分布图,单位,平均年降水量,站点

２．３N１降水量特征逡逑全国５３７个降水数据完整的站点在１９６１年到２０１２年间平均年降水量介于逡逑１４．９２ｍｍ到２７３０．０３ｍｍ之间，所有站点的平均年降水量为８０７．１０ｍｍ。图２－２所逡逑示为全国区域１９６１年至２０１２年间平均年降水量空间分布图，可发现年均降水逡逑量呈现自东南向西北递减的特点，华东地区江西、福建、浙江省份的大部分区域逡逑及华南地区广西东部、广东、海南省份的大部分区域内的年均降水量均达到逡逑１５００ｍｍ邋上，其中广东佛岗、阳江、上川岛，，广西东兴、钦州，海南琼中、琼逡逑海等站点年均降水量超过２０００ｍｍ。而大部分西北内陆地区年均降水量不足逡逑４００ｍｍ，新疆维吾尔自治区绝大部分区域、甘肃西北部等地区年均降水量不足逡逑２００ｍｍ，其中新疆吐鲁番、且末，青海冷湖等站点降雨最少，年均降水不足３０ｍｍ。逡逑８０°邋Ｅ邋９０°邋Ｅ邋１００°邋Ｅ邋１１０°邋Ｅ邋１２０°邋Ｅ邋１３０°邋Ｅ逡逑Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑0■逦Ｖ；＇逡逑Ｉ年均巧水Ｓ（ｎｉ）逦Ｉ邋＇邋＇邋／逡逑１１｜邋ｒ—邋１逦—逡逑２００邋４００邋ｍ）邋８００邋ＵＸＫ）邋１２００邋１４００邋１６００邋１８００邋２０００邋２：００邋２４００逡逑图２－２邋１９６１年至２０１２年均降水量空间分布图（单位：ｍｍ）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｓｐａｔｉａｌ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ邋（ＩＤＷ邋
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P426.616;P407

【参考文献】