基于日光诱导叶绿素荧光遥感...南省干旱监测与时空变化研究_张兆旭.pdf

农业大数据学报 2023,5(1):76-86 Journal of Agricultural Big Data DOI:10.19788/j.issn.2096-6369.230116 收稿日期：2023-01-18 基金项目：北京未名福科技有限公司开放基金(22-02-01018A-0017)，海水资源利用技术发展研究与报告编制(22-02-01018A-0023)作者简介：第一作者兼通信作者张兆旭，男，博士研究生，研究方向：定量遥感与 GIS 建模;E-mail:。基于日光诱导叶绿素荧光遥感的河南省干旱监测与时空变化研究 张兆旭*，肖月，苟文涛，崔津 天津工业大学环境科学与工程学院，天津 300387 摘要：干旱这一自然灾害在近几十年内频繁发生，不仅造成土壤退化等自然环境的破坏，还会对经济发展形成巨大的影响。干旱的发生是一个长期、连续且复杂的过程，是大气、土壤以及农作物综合作用的结果。文章选取 20012020 年的日光诱导叶绿素荧光遥感数据，以河南省作为研究区域，以研究区多年叶绿素荧光异常指数作为干旱指标，基于分位数思想划分了干旱等级。论文最后利用产量、受灾面积和成灾面积等多种统计数据，分析叶绿素荧光异常指数与统计数据的相关关系，以及研究区多年干旱情况的时空变化特征，最终形成科学、有效的抗旱防旱建议。结果表明，叶绿素荧光干旱指数和小麦产量、玉米产量、受灾面积以及成灾面积的相关系数分别为 0.93、0.89、-0.54 和-0.58。叶绿素荧光干旱指数和小麦产量、玉米产量呈现出高的正相关关系，叶绿素荧光干旱指数和受灾面积、成灾面积呈现出负相关关系，表明叶绿素荧光指数监测干旱是可行的。基于叶绿素荧光干旱指数，从时间和空间两个维度计算了河南省干旱情况，分析研究区 20012020 年的干旱指标，发现河南省干旱程度总体减轻，干旱范围也大幅度缩小，干旱程度缓解，最后基于干旱监测结果为河南省抗旱防旱提出了 4 条建议性措施。本文基于日光诱导叶绿素荧光遥感的河南省干旱监测与分析研究为河南省的防旱抗旱提供了科学的依据。关键词：日光诱导叶绿素荧光；干旱监测；时空变化；遥感 引用格式：张兆旭,肖月,苟文涛,等.基于日光诱导叶绿素荧光遥感的河南省干旱监测与时空变化研究J.农业大数据学报,2023,5(1):76-86.ZHANG Zhaoxu,XIAO Yue,GOU Wentao,et al.Study on drought monitoring and spatiotemporal change in Henan Province based on sun/solar-induced chlorophyll fluorescence remote sensingJ.Journal of Agricultural Big Data,2023,5(1):76-86.Study on Drought Monitoring and Spatiotemporal Change in Henan Province Based on Sun/solar-induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing ZHANG Zhaoxu*,XIAO Yue,GOU Wentao,CUI Jin School of Environmental Science and Engineering,Tiangong University,Tianjin 300387,China Abstract:Drought,a natural disaster that has occurred frequently in recent decades,not only causes damage to the natural environment such as soil degradation,but also has a huge impact on economic development.The occurrence of drought is a 第 1 期 张兆旭等：基于日光诱导叶绿素荧光遥感的河南省干旱监测与时空变化研究 77 long-term,continuous and complex process,which is the result of the combined effect of the atmosphere,soil and crops.This paper selected sun/solar-induced chlorophyll fluorescence remote sensing data from 2001 to 2020,took Henan Province as the study area,used the multi-year chlorophyll fluorescence anomaly index as the drought index,and classified drought classes based on the idea of quantile.Finally,the correlations between chlorophyll fluorescence anomaly index and statistical data(yield,affected area and disaster area)were calculated,and the spatial and temporal variation characteristics of the multi-year drought situation were analyzed,to provide scientific and effective suggestions for drought resistance and prevention.Results showed that the correlation coefficients of chlorophyll fluorescence drought index and wheat yield,maize yield,affected area and disaster area were 0.93,0.89,-0.54 and-0.58,respectively.The correlation coefficients of chlorophyll fluorescence drought index and wheat yield and maize yield showed high positive correlation,while this index and affected area and disaster area showed negative correlation.This indicated the feasibility of chlorophyll fluorescence index in monitoring drought.Using the chlorophyll fluorescence drought index,the drought situation in Henan Province was calculated in practical and spatial dimensions,and the drought from 2001 to 2020 was analyzed.The overall degree of drought in Henan Province was reduced,and the extent of drought was significantly reduced.Finally,four measures were proposed for drought prevention based on the results.This paper provided a scientific basis for drought prevention and drought control based on remote sensing of sun/solar-induced chlorophyll fluorescence for drought monitoring and analysis in Henan Province.Key words:solar-induced chlorophyll fluorescence;drought monitoring;spatiotemporal variation;remote sensing 1 引言 干旱是指淡水总储备量相对较少，不足以满足植物生长和人类生产生活需要而产生的水分短缺现象1-2。严重的旱灾会对人类社会和自然环境产生一定程度的危害，例如会造成庄稼产量减少、人畜饮水困难，甚至可能会发生死亡现象3。同时干旱会引发一系列环境问题，例如土壤沙化等，从而导致人类社会及生态环境进入一个不良的循环。由于降水、植被、土壤等自然环境条件以及季节时间、地理位置上的差异，会影响干旱的严重程度和干旱的发生频率，同时在缺水区域内或是缺水时节，若长期无法获得充分的水资源缓解缺水状况，会导致干旱的持续发生。土壤长时间严重缺水将会造成大量植被死亡、植被覆盖率低的地区土壤逐渐荒漠化，严重影响社会的一般生活用水供应和基本生活生产，甚至危及经济社会的正常发展4。近年来叶绿素荧光遥感发展迅速，在干旱监测方面取得了诸多成果5-8。除此之外，叶绿素荧光更容易对植被光合作用进行表征，因为其对植被中所含水分非常敏感，而且与植物的光合作用、受胁迫的情况以及生理状态等方面密切相关9，植物叶片反射的光谱也包括了叶片生化组分对入射光线的吸收等方面的相关信息，这两个方面都能够为研究提供较多的植被信息10-11。传统并且广泛应用的干旱遥感监测方法主要包括可见光近红外、热红外和微波等，但是因为植被在感受到外界对其存在威胁时进行自我保护的调节机制，会导致干旱监测存在滞后现象，并不能及时地反映植被变化，只能间接反映植被的生理变化，从而使得监测出现误差。而叶绿素荧光可以用于衡量植物的光合作用状况，尤其日光诱导叶绿素荧光与农作物的光合作用密切相关，是植被在太阳光照射下吸收能量后在 650800 nm 范围内发射出来的一种长波信号，可以被用来监测植被生理状态以及水分胁迫的情况12。河南省是中国的重要农业省份，干旱灾害的频发严重危害了当地农业的正常作业与发展，导致粮食减收，故而对当地的旱情进行及时监测尤为重要。本文的研究目的有三：其一，选择河南省作为研究区，基于日光诱导叶绿素荧光(Solar Induced Chlorophy11 Fluorescence,SIF)遥感数据，提取研究区多年的 SIF图像，计算研究区叶绿素荧光异常指数，并对研究区的干旱程度进行合理有效的干旱等级划分；其二，分析多种统计数据与叶绿素荧光异常指数的相关关系，以此探究叶绿素荧光遥感在干旱监测中的可行性；其三，基于叶绿素荧光异常指数，在时间和空间两个维度分析研究区干旱发生程度以及干旱分布状况，得到研究区多年干旱情况的时空变化特征，以此对研究区抗旱提供科学合理建议。2 研究区概况 河南省位于北纬 31 2336 22，东经 110 2111639 之间，地处中国中东部、黄河中下游。河南省大部分地区地处暖温带，南部跨亚热带，属于大陆性季风78 农 业 大 数 据 学 报 第5卷 气候，同时还具有自东向西，由平原向丘陵山地气候过渡的气候特点，具有四季分明、雨热同期、复杂多样和自然气象灾害频繁的特征。全省自南向北年平均气温约为15.712.1，年平均降水量为1380.6532.5 mm，降雨以68 月份最多，年平均日照达1848.02488.7 h，有利于种植生产多种农作物13。研究