ENVI支持下的旱情監(jiān)測(cè)方案

ENVI支持下的旱情監(jiān)測(cè)方案干旱作為一種緩變的現(xiàn)象，其嚴(yán)重程度也是逐漸積累的結(jié)果，這就為干旱的監(jiān)測(cè)和早期的預(yù)警帶來(lái)了方便和可能。干旱監(jiān)測(cè)方法分為地面監(jiān)測(cè)方法和空間監(jiān)測(cè)方法。地面監(jiān)測(cè)方法是利用地面點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)，此類方法不能及時(shí)的對(duì)旱情信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)?？臻g監(jiān)測(cè)方法是隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展而來(lái)并逐漸趨于成熟，不僅可以得到土壤濕度在空間上的分布狀況和時(shí)間上的變化情況，而且可以進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有監(jiān)測(cè)范圍廣，速度快，成本低等特點(diǎn)。遙感已經(jīng)成為區(qū)域尺度旱情監(jiān)測(cè)的主要手段根據(jù)數(shù)據(jù)類型分為可見光/紅外波段和微波波段的監(jiān)測(cè)類型。在可見光/近紅外波段，不同濕度的土壤具有不同的地表反照率，通常濕土的地表反照率比干土低。可見光/紅外波段遙感正是利用地表溫度獲得土壤熱慣量，從而進(jìn)行估測(cè)土壤濕度。微波遙感是近代興起來(lái)一項(xiàng)新技術(shù)，相對(duì)于可見光/紅外波段的遙感，微波波段不受光照條件限制，具有全天候觀測(cè)的能力。常見監(jiān)測(cè)方法基于可見光/紅外通過(guò)測(cè)量土壤表面反射或發(fā)射的電磁能量，得到遙感獲取的信息與土壤濕度之間的關(guān)系，從而反演出地表土壤濕度。較成熟、使用較廣的方法可分為三類：植被指數(shù)法、溫度法和綜合法，詳細(xì)如下表所示。類要S名稱表達(dá)式作者植被指數(shù)法L距平植被［指數(shù)DVI=(NDVI-NDVI)AVI=DVI/NDVIaVSavg肖乾廣等，1994式中：DVI為偏差植被指數(shù)(DifferenceVegetationIndex)，AVI為距平植被指數(shù)(AnomalyVegetationIndex)，NDVIavg為多年的歸一化植被指數(shù)平均值；NDVI為特定某月或者旬的歸一化植被指數(shù)i值。在積累多年氣象衛(wèi)星資料基礎(chǔ)上，可以得到各個(gè)地方各個(gè)時(shí)間的NDVI的平均值，這個(gè)平均值大致可反映土壤供水的平均狀況。當(dāng)時(shí)值與該平均值的離差或相對(duì)離差，反映了偏旱或偏濕的程度，由此可確定各地的旱情等級(jí)。距平植被指數(shù)法在應(yīng)用中需要注意平均植被指數(shù)的計(jì)算，各地的旱情等級(jí)不僅要注意資料累積期在長(zhǎng)系列中是處于氣候的正常期、枯水期還是豐水期，而且不能忽視近年種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、播種期變化、播種面積比例變化加快對(duì)當(dāng)年混合象元植被指數(shù)的影響，在冬季該方法仍存在較明顯的局限性，且植被指數(shù)與土壤含水狀況在時(shí)間上有一定的滯后。

般-0.1<AVI<-0.2，表示干旱的出現(xiàn)，-0.3<AVI<-0.6表示重旱。標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)4=SVhjfjV(2；a)dZ+m.ira齊述華，2004Z,O分別為均值和標(biāo)準(zhǔn)差。SVI取值在0~1之間，表示多年NDVI的標(biāo)準(zhǔn)差，其他同上。植被狀態(tài)指數(shù)該圖片僅限白度用戶父流使用更多圖片話訪1'可hi.baidu.cQmKogan，1990"玖％、叫"扇政枷叫M分別是經(jīng)平滑的某個(gè)時(shí)期（月或旬）、多年絕對(duì)最大、多年絕對(duì)最小的歸一化植被指數(shù)。VCI可以反映出NDVI隨氣候變化而產(chǎn)生的影響，每點(diǎn)的NVDImax和NDVImin本身就隱含了區(qū)域背景的影響，因此這樣的描述方法在一定程度上消除或弱化了地理環(huán)境條件差異對(duì)NDVI的影響，用其表達(dá)出的大范圍干旱狀況尤其適合于制作低于50°緯度地區(qū)的干旱分布圖。供水植被指數(shù)WSVI=NDVI/LSTNDVI為歸一化植被指數(shù)，LST為地表溫度。當(dāng)作物受旱時(shí)，為減少水分損失，葉面氣孔會(huì)部分關(guān)閉，從而導(dǎo)致了葉面溫度的增高。越干旱葉面溫度越高。同時(shí)作物生長(zhǎng)也受到干旱的影響，導(dǎo)致葉面積指數(shù)（LAI）減少，葉子在溫度高時(shí)也會(huì)枯萎，這一切都會(huì)使歸一化植被指數(shù)減小。供水植被指數(shù)越小，旱情越嚴(yán)重。供水植被指數(shù)方法實(shí)用化的主要障礙是：從表達(dá)式中雖無(wú)氣象參數(shù)的引入，但在實(shí)際運(yùn)用中為了與地面實(shí)際干旱情況相吻合，仍然要引用地面氣象參數(shù)作為區(qū)域訂正之需，其規(guī)律性尚未得到普遍掌握；評(píng)估結(jié)果所反映的干旱環(huán)境背景與農(nóng)業(yè)干旱的界線模糊。歸一化水指數(shù)法（NDWI）NDWI=(p(0.86pm)-p(1.2,pm)}/(p(0.86pm)+p(1.2卻m)}4式中，p（入）是在波長(zhǎng)為入的反射率。這里使用了兩個(gè)通道，一個(gè)是在0.86pm附近，另一個(gè)是在1.24pm附近。這兩個(gè)波段均位于植被冠層的高反射區(qū)，他們感知的植被冠層的深度相似。在0.86pm植被液態(tài)水的吸收可以忽略不計(jì)，而在1.24pm有水的弱吸收。

散布的冠層增強(qiáng)了水的吸收，從而NDWI可以很靈敏的反應(yīng)植被冠層水的含量。大氣氣溶膠的散射作用在0.86-1.24mo是很弱的。NDWI比NDVI對(duì)大氣的靈敏度低。與NDVI一樣，NDWI沒有完全去除土壤背景的影響溫度法L溫度狀態(tài):指數(shù)丁011口_丁11113￡Kogan,1995T是像兀地表溫度，分別表示某個(gè)時(shí)期地表溫度的最大和最小值。水分虧缺指數(shù)WDI=1-ET/PETMoran,1994ET,PET分別代表實(shí)際蒸發(fā)量和潛在的蒸發(fā)量。作物水分虧缺指數(shù)Idso等，1981由冠層溫度和水汽壓差技術(shù)。dT為作物冠層溫度與氣溫差，dT.表示作物冠層溫度與氣溫差上限（作物完全停止蒸騰的狀態(tài)），表示作物冠層溫度與氣溫差下限（作物水分充足，處在潛在蒸發(fā)量的狀態(tài)）。歸一化溫度指數(shù)ndti=^^LST^-LETnMcvicar等，1992和Jupp，1998該圖片僅限百度用戶交流使用更多圖片請(qǐng)?jiān)L問(wèn)分別表示地表阻抗無(wú)限大和為零時(shí)模擬的地表溫度；是理論上當(dāng)沒有水分可利用時(shí)出現(xiàn)的地表溫度-即阻抗為無(wú)窮大時(shí)出現(xiàn)的地表溫度。是土壤水分達(dá)到飽和時(shí)的地表溫度-即阻抗為零時(shí)出現(xiàn)的地表溫度，它是與潛在蒸散相對(duì)應(yīng)的。兩個(gè)值被認(rèn)為地表阻抗下的土地表面溫度的上限（干條件）和下限（濕條件）蒸散比模型EF號(hào)美瞄等壓曲十（1-心壽嚇J□=H+ET=Rji-G<JRJUVLNishida等，2003ET為蒸散發(fā)量；EFveg、EFsoil分別為植被蒸發(fā)比和土壤蒸發(fā)比；Q分別是潛熱通量或顯熱通量的形式傳輸?shù)酱髿獾哪芰?；Qveg、Qsoil分別為Q植被分量和土壤分量；H表示顯熱通量；G為

土壤熱通量；以上參數(shù)單位均為Wm-2；fveg為植被覆蓋度。綜合方法;VI,TS斜-率LST/NDVILambin&Ehrhich，1996在遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)中，植被指數(shù)與表面溫度具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，對(duì)植被指數(shù)與表面溫度組成的散點(diǎn)圖進(jìn)行擬和得到一條直線，該線的斜率與土壤濕度密切相關(guān)，這一現(xiàn)象在多種植被類型和傳感器上得到驗(yàn)證。在同一生長(zhǎng)季內(nèi)，根據(jù)不同日期圖像的LST/NDVI斜率，可以反映該區(qū)土壤濕度的時(shí)間變化。LST/NDVI斜率還可以反映年際土壤濕度變化。在實(shí)際應(yīng)用中，LST/NDVI斜率的確定有一定難度，它受地表覆蓋類型、提取窗口、圖像分辨率、地形、云等噪聲的影響。從土壤濕度估測(cè)的角度出發(fā)，理想狀態(tài)是，土壤濕度是決定LST/NDVI斜率的唯一重要因素。溫度植被角度指數(shù)Lambin&Ehrhich，1997，對(duì)LST/NDVI取arctangent函數(shù)，補(bǔ)充了LST/NDVI的缺陷。溫度植被干旱指數(shù)—『rtiFiT—江+BNDV!/T血二c+dNDWSandholt，2002TS表示地表溫度，Tmin表示某NDVI對(duì)應(yīng)的最低溫度，即濕邊°Tmax是，即干邊。a、b、c和b為地表溫度和NDVI的擬合方程的系數(shù)。在干邊上TVDI=1，在濕邊上TVDI=0。對(duì)于每個(gè)像元，利用NDVI確定TMIN和TMAX，根據(jù)T在NDVI/T梯形中的位置，計(jì)算TVDI。條件植被溫度指數(shù)町匚―一一-LSTifnyi-m.aj￡￡^rrvnv^-?m0*日即￥、函+bmdMh房丁海外rnimW+bZNDV*王鵬新等，2003分別表示在研究區(qū)域內(nèi)，當(dāng)NDVIi值等于某一個(gè)特定值時(shí)的土地表面溫度的最大值和最小值。a1、a2、b1、b2為地表溫度和NDVI的擬合方程的系數(shù)，可通過(guò)繪制研究區(qū)域的NDVI和LST的散點(diǎn)圖近似獲技術(shù)流程與關(guān)鍵技術(shù)旱情監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程大致可分為以下幾個(gè)步驟:圖：旱情監(jiān)測(cè)基本流程?數(shù)據(jù)預(yù)處理目前，常用于旱情監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有MODIS、NOAA（AVHRR）、風(fēng)云氣象衛(wèi)星等低分辨率影像；Landsat、ASTER、CBERS02B、HJ-1A/B等中等分辨率影像。這類數(shù)據(jù)預(yù)處理的主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)讀取、幾何校正、大氣校正等。ENVI不僅支持主流衛(wèi)星傳感器的讀取、幾何校正、大氣校正，還針對(duì)國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星的特點(diǎn)擴(kuò)展了很多實(shí)用工具，包括FY-3A影像的幾何校正工具、HJ-1A/BL2級(jí)數(shù)據(jù)預(yù)處理工具。圖像自動(dòng)配準(zhǔn)工具可實(shí)現(xiàn)Landsat、CBERS02B、HJ-1A/B等之間的快速幾何配準(zhǔn)?；贛ODTRAN4+模型精確大氣校正工具，可利用波譜響應(yīng)函數(shù)完成對(duì)CBERS02B、HJ-1A/B等精確大氣校正。?相關(guān)參數(shù)計(jì)算在圖像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)選擇的旱情監(jiān)測(cè)模型計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)，如植被指數(shù)、地表真實(shí)溫度、土壤指數(shù)等。ENVI植被指數(shù)計(jì)算器能夠根據(jù)影像信息自動(dòng)列出能夠計(jì)算的植被指數(shù)，并可自動(dòng)進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算，它提供了6類27種常用植被指數(shù)的計(jì)算。波段運(yùn)算（BandMath）工具，能夠執(zhí)行圖像中各個(gè)波段的加、減、乘、除、三角函數(shù)、指數(shù)、對(duì)數(shù)等數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算，也可以直接使用IDL自帶函數(shù)或自定義函數(shù)執(zhí)行波段之間的運(yùn)算，如線性代數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)、微積分等數(shù)學(xué)函數(shù)。利用這個(gè)工具可以方便計(jì)算復(fù)雜的自定義參數(shù)模型。?模型構(gòu)建比較常用的方式是分析相關(guān)參數(shù)之間的相關(guān)性或者空間特征，確定一種合適的模型。如構(gòu)建地表溫度LST和植被指數(shù)的散點(diǎn)圖以分析兩者之間的相關(guān)性。比較簡(jiǎn)單的模型就是線性模型，常用的方式是選擇一些離散的采樣點(diǎn)，這些采樣點(diǎn)包括坐標(biāo)值，如果是野外采樣點(diǎn)，還包括采樣數(shù)據(jù)值（濕度、溫度等），之后將這些采樣點(diǎn)與其他參數(shù)值——對(duì)應(yīng)起來(lái)。如在ENVI的ROITool中，可以將文本格式儲(chǔ)存的采樣點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入任意圖像中，之后利用OutputROIstoASCII工具將采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像值導(dǎo)出。有了采樣點(diǎn)與參數(shù)值對(duì)照表，就可以用線性回歸的方式構(gòu)建線性模型（如Excel表中的散點(diǎn)圖功能）。對(duì)于更復(fù)雜的模型，可基于IDL的函數(shù)獲取，函數(shù)包括多線型回歸、非線性最小二乘、梯度擴(kuò)張法、列文伯格一馬夸爾特法、奇異值分解法、多項(xiàng)式空間轉(zhuǎn)換、最小二乘方多項(xiàng)式等；假設(shè)檢驗(yàn)方法，如高斯正態(tài)分布、正態(tài)性檢驗(yàn)等。利用這些函數(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)模型的曲線擬合、最優(yōu)閾值選擇、最優(yōu)模型選擇、置信度檢驗(yàn)等模型的優(yōu)化。旱情定量分析很多旱情監(jiān)測(cè)模型得到的結(jié)果是一個(gè)相對(duì)量，如LST/NDVI值，需要根據(jù)實(shí)際情況確定閾值范圍內(nèi)與土壤水分之間的關(guān)系。確定好了關(guān)系表，如利用ENVI下的DensitySlice工具很容易將監(jiān)測(cè)結(jié)果分類。業(yè)務(wù)化遙感平臺(tái)及案例旱情遙感監(jiān)測(cè)與其他遙感應(yīng)用相比有本身的一些特點(diǎn)，如數(shù)據(jù)源要求可見光/近紅外/熱紅外波段，單景覆蓋范圍大，重返周期短等；數(shù)據(jù)預(yù)處理流程比較固定，使用遙感圖像處理功能較少；同時(shí)需要使用較復(fù)雜的差值算法、數(shù)學(xué)公式等。因此，非常有必要在通用遙感平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，去除不用功能，增加專業(yè)模型，同時(shí)對(duì)操作方式進(jìn)行業(yè)務(wù)化改造等。ENVI是使用IDL語(yǔ)言編寫的完整遙感圖像處理平臺(tái)，架構(gòu)非常靈活，提供一個(gè)功能全面的函數(shù)庫(kù)（API），可以滿足用戶的個(gè)性化需求。此外，可以與ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行無(wú)縫的一體化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)真正的GIS與遙感一體化集成系統(tǒng)。下面介紹幾個(gè)典型是旱情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化平臺(tái)。⑴全國(guó)旱情遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)此系統(tǒng)有中國(guó)科學(xué)研究院遙感應(yīng)用研究所，利用IDL作為開發(fā)語(yǔ)言，基于ENVI的基礎(chǔ)上開發(fā)的一套應(yīng)用系統(tǒng)。它集影像預(yù)處理、分析、旱情反演、監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)等功能為一體。圖：系統(tǒng)主界面

圖：旱情統(tǒng)計(jì)界面廠m料帝蹭傅：阿二g|s2JB&jmr茹虱鼻全國(guó)旱情監(jiān)瀏等級(jí)圖j

\2005年9月中旬廣/a.圖：旱情統(tǒng)計(jì)界面廠m料帝蹭傅：阿二g|s2JB&jmr茹虱鼻全國(guó)旱情監(jiān)瀏等級(jí)圖j

\2005年9月中旬廣/a.出(2)珠江流域片旱情遙感監(jiān)測(cè)處理系統(tǒng)由珠江水利科學(xué)研究院遙感與地理信息工程研究所研發(fā)。根據(jù)珠江流域干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程，利用ENVI/IDL二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了圖像鑲嵌、投影變換、植被指數(shù)、影像旬合成、影像掩模、溫度植被指數(shù)計(jì)算、云監(jiān)測(cè)等集成處理系統(tǒng)。

珠江^￡^早背毓敷留庫(kù)本文實(shí)時(shí)監(jiān)瀾做干學(xué)指標(biāo)■?■珠江^￡^早背毓敷留庫(kù)本文實(shí)時(shí)監(jiān)瀾做干學(xué)指標(biāo)■?■■*?.珠江血干早遙惑g哄【■s?.加t?<r格十隆江■惜吸引里輯”所圖：旱情遙感監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)流程圖：業(yè)務(wù)化系統(tǒng)主界面(3)基于TM-5影像的VTCI干旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院的朱鐘正、歐文浩、李琰民、蒲曉君研發(fā)，系統(tǒng)采用Visualstudio2005和ENVI/IDL平臺(tái)，基于IDL強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和Ar