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1、 卫星遥感在2022年长江流域旱情监测中的应用 文郜源冰 张红艳 彭国樟 冷伟 陈淑敏 张磊武汉珈和科技有限公司一、前言2022 年610 月，中国南方经历了史无前例的高温干旱过程，长江流域尤为突出。根据国家气候中心监测评估，综合考虑高温热浪事件的平均强度、影响范围和持续时间，从2022 年6 月13 日开始的区域性高温事件综合强度，已达到1961 年有完整气象观测记录以来最强。此次高温旱情，对长江流域的农业灌溉用水和作物正常生长造成较大影响。本文利用卫星遥感监测技术结合Sentinel-2A影像数据，GPM、SMAP 气象数据和MODIS 全球250m 分辨率16 天合成的植被指数对2021
2、 和2022两年的79 月长江流域重点水域面积、主要省份/市（包括重庆、四川、江西、湖南、安徽和湖北）降雨、气温及作物长势情况进行对比分析，展现出卫星遥感在气温降水、水域面积、农作物旱情等方面的旱情监测应用。二、技术背景在全球气候变化和人类活动增加的背景下，干旱的发生频率、强度和持续时间有可能增加。提高干旱监测和旱期预警技术水平，从而更好地应对、管理干旱和减轻干旱脆弱性，避免干旱带来的一系列影响，是国际干旱领域的一项重要内容。及时、准确地评价干旱对作物生长的影响，对实现水资源合理调度和有效抗旱减灾决策都具有重要意义。传统的干旱监测是利用气象和水文观测站获得降水、气温、蒸发、径流等气象和水文数据
3、，以及农业气象观测的墒情，依据各种干旱指标进行监测。随着全球对地观测技术的迅速发展，卫星遥感以其独特优势发挥着越来越重要的作用，卫星遥感干旱监测已成为全球抗旱减灾中不可或缺的手段。干旱过程是一个由大气降水减少导致进入土壤的水量降低，植被因供水不足造成生长受挫而减产、江河湖泊因蓄水不足而面积萎缩（或水位下降），进而对经济、社会产生影响的复杂过程。卫星遥感监测干旱是通过建立遥感获得植被状况、地表温度、热惯量等参数与地面干旱监测指标（如土壤湿度）的关系来间接监测干旱。可见光近红外遥感记录的是地球表面对太阳辐射能的反射辐射值，是利用地物对太阳短波辐射的反射强度信息来判别地物的类型。由于绿色植物在这段光
4、谱区间具有独特的光谱反射特点，是最易被识别的地类。根据植被的光谱特征，通过对可见光和近红外的波段组合，构建出了多种植被指数（VI）。当土壤供水不足导致植被发生水分胁迫时，植被会出现叶绿素含量下降，光合作用速率降低、植被叶面积和覆盖度减少的现象，这些变化均可导致卫星遥感植被指数下降。监测旱灾发生期间植被长势指数并进行统计分析，可直观反映出植被长势受旱情的影响情况。三、遥感监测应用长江流域是我国农业主产区，耕地20 多万平方千米，以种植水稻为主，兼产棉、麻、油菜、蚕丝、茶等，其中水稻产量约占全国的70%，棉花产量约占全国的33%。地跨我国西南、华中、华东三大经济区，在我国社会经济的可持续发展中起着
5、举足轻重的作用。由于流域独特的地理位置和气候条件，长江流域干旱灾害频繁发生，给国民经济和人民生命财产带来了严重的损失，已成为影响国家中长期发展战略的重要风险之一。如何有效监测农业干旱，选择适宜的监测指标，及时准确地了解农业旱情发生、发展、消退情况已成为当地政府抗旱减灾部门和农业管理部门面临的一项紧迫任务。2022 年710 月，长江流域水位明显下降，主要支流鄱阳湖、洞庭湖水位更是下降至历史新低，流域内各省份遭受不同程度旱情，武汉珈和科技有限公司结合遥感通平台从宏观角度分析评估此次旱情影响。1.长江流域气温降水遥感监测长江流域气温降水遥感监测卫星数据源为SMAP 和GMP 卫星。SMAP 卫星是
6、美国国家航空航天局（NASA）于2015 年1 月发射的一颗卫星，空间分辨率10km，每两到三天对全球土壤（最上5cm 层）湿度进行一次观测，主要应用于全球地面土壤湿度监测。SMAP 卫星包含多个级别的产品数据，探测获取的L1A、L1B、L1C 通过一定模型和算法反演分析得到更高级数据，共有十余种。卫星L4 级产品数据包含了土壤湿度、地表压力、地表温度与地面气温等产品信息。日美两国共同研制的GPM 卫星于2014 年2 月发射升空，卫星搭载了高性能雷达双频降水雷达（DPR），由Ka-band和Ku-band 两部频率不同的降水雷达组成。DPR 具有对降水三维观测和对降水物形态的探测能力，主要靠
7、两束雷达波对降水目标物进行更加透彻的解析而获得。DPR 能够通过捕捉大气水滴反射，观测到以往卫星雷达难以探查到的小规模雨雪天气。此次选择SMAP 卫星的L4 级地面气温产品数据和GPM的3 级IMERG 产品对2022 年旱情期间长江流域气温降水数据进行监测分析。2022 年79 月长江流域六省/市对比2021 年同期气温偏高，降水偏少。卫星遥感监测显示，2022 年79 月长江流域六省降雨总量比2021 年同期减少43.23%，平均气温比2021 年同期升高0.82。除7 月下旬外，2022 年79 月每旬降雨量均明显低于2021 年同时间段降雨量（图1）；2022 年78 月下旬平均气温均
8、高于2021 年同时间段旬平均气温（图2）。图1 长江中下游省份2021/2022 年7-9 月旬降雨量（mm）对比图图2 长江中下游省份2021/2022 年7-9 月旬平均气温()对比图2.长江支流水域面积遥感监测长江流域湖泊总面积约为15200km2，接近我国湖泊总面积的五分之一。鄱阳湖、洞庭湖是长江重要支流，在调节长江水位、涵养水源、抗旱蓄洪等方面起着重要的作用。长江支流水域面积遥感监测卫星数据源为哨兵二号卫星。哨兵二号多光谱成像卫星可用于陆地监测，可提供植被、土壤和水覆盖、内陆及海岸区域等图像。卫星携带一枚多光谱成像仪（MSI），空间分辨率10m，高度为786km，可覆盖13 个光谱
9、波段，幅宽达290km，一颗卫星的重访周期为10 天，两颗互补，重访周期为5 天。通过哨兵二号卫星遥感监测，2022 年9 月洞庭湖、鄱阳湖及其周边水域面积对比2021 年9 月明显缩减，河床裸露，水域几乎全部干涸（图3）。图3 洞庭湖及其周边水域2021 年9 月（左）与2022 年9 月（右）遥感影像图遥感监测2021 年9 月和2022 年9 月长江支流洞庭湖水域面积，结果显示：2022 年洞庭湖及其周边水域面积相比2021 年减少53.85%（图4）。图4 长江重要支流2021 年9 月与2022 年9 月水域面积变化图3.长江流域农作物旱情遥感监测根据历史年鉴信息可知四川、重庆、江西
10、、湖南、安徽和湖北六省份耕地面积总计约3.8 亿亩，占全国耕地总面积的20.5%。79 月是长江流域秋收作物的重要生长时期。8 月中旬，西南的四川、重庆等地区一季稻已开始灌浆结实，大部进入乳熟期、成熟期，部分处于抽穗扬花期，正是对温度、水分反应最敏感的时期，持续性重度少雨缺墒会导致结实率降低，不利一季稻产量的形成；位于长江中下游的江南华南地区一季稻处于拔节至孕穗期，部分早熟品种处于抽穗扬花至灌浆结实期，双季晚稻处于返青分蘖期，高温热害影响明显。另外，持续高温会加快幼穗分化进程，影响大穗形成。作物长势遥感监测是利用作物植株冠层在遥感影像上的光谱反射率，对作物的生长状况进行宏观估测，作物长势信息反
11、映作物的生长状况和趋势，是农情信息的重要组成部分，植被长势指数越高说明作物长势越好。长江流域农作物旱情遥感监测卫星数据源为Terra 和Aqua 卫星。中等分辨率成像光谱仪（MODIS）是Terra 和Aqua 卫星上搭载的主要传感器之一，两颗星相互配合每1 2 天可重复观测整个地球表面，得到36 个波段的观测数据，空间分辨率为250m、500m 和1000m，提供多种原始数据和不同等级的数据处理产品。此次监测工作采用MOD13Q1（全球250m 分辨率植被指数16 天合成）数据，对2022 年长江流域六省份79 月作物长势进行遥感监测和分析（图56），监测结果显示：除2022 年8 月中旬，
12、2022 年79 月长江流域（六省/市）作物长势指数均明显低于2021 年同期。其中重庆、四川作物受旱情影响最为严重，全省（市）范围内作物长势普遍受到影响长势明显变差；安徽、江西作物受旱情较为严重，部分区域作物长势受到影响长势明显变差；湖南、湖北作物受旱情影响较为轻微，只有小部分区域长势变差。结合气温降水遥感监测结果可知：7 月份的高温和降雨减少暂未对长江流域6 省份作物长势产生严重影响，8 月降雨量急剧减少加上持续高温，使得89 月作物长势持续变差。图5 长江中下游省份2022 年79 月耕地范围内作物长势遥感监测图图6 长江中下游省份2021/2022 年79 月耕地范围内作物植被指数对比
13、分析图结合以上遥感监测与分析可知：2022 年79月长江流域旱情期间，主要支流（鄱阳湖、洞庭湖等）水域面积对比2021 年同期水域面积明显变小；流域内各省（直辖市）降雨量对比2021 年同期均有明显减少，降雨量减少主要集中在8 月，六省/市（四川、重庆、湖南、湖北、安徽和江西）降水总量对比2021 年减少约43.23%，其中重庆市降水面积对比2021年减少55.56%，降水面积减少最多，六省/市（四川、重庆、湖南、湖北、安徽和江西）平均气温对比2021 年同期均有所升高，高温天气主要集中于8月，平均温度对比2021 年升高约0.8，安徽省平均气温对比2021 年升高1.47，平均温度上升最多。
14、作物长势方面，重庆、四川受旱情影响最为严重，作物长势明显低于2021 年同期，其次是江西、湖南，作物长势稍低于2021 年同期作物长势；安徽、湖北虽有旱情，分析原因在于当地农业灌溉条件较好，作物得到及时灌溉，使农作物较少受到水分和温度胁迫的影响，旱情分析结果见表1。表1 2022 年长江流域各省份79 月作物长势受旱情影响分析四、结语随着全球对地观测技术的迅速发展，遥感技术在干旱监测工作中发挥着越来越重要的作用，但是干旱是多学科交叉的复杂问题，发展过程缓慢、时间和空间表现特征差异很大，遥感监测干旱技术在应用中还存在许多的技术问题，对抗旱防灾提供支撑的力度仍不够。近年来，气候异常，极端天气事件多发频发。生态系统在以前所未有的速度恶化，而且预计未来几十年会加速恶化。长期来看，快速且有序地推进减排，降低自然灾害发生频率，当灾害发生的时候，通过卫星实时预警、监测灾害发生情况，将自然灾害对人类影响降至最低，是当务之急。此次通过SMAP、GPM、哨兵二号、Terra 和Aqua 遥感卫星，监测获取2022 年长江流域旱情期间降水、气温、水域面积、作物长势信息，分析旱情发生的特点并评估旱情对作物长势的影响。卫星遥感不仅可以在灾害发生后进行监测分析，还可以在灾害发生前进行预警，通过遥感数据，及时预测干旱、洪涝、台风、高温等灾害的发生趋势，避免灾害对人类社会生产活动造成更大影响。 -全文完-
