【摘要】：干旱是一種復(fù)雜的自然災(zāi)害,影響因素很多。隨著氣候變暖等因素影響,干旱災(zāi)害更是頻繁發(fā)生,影響范圍不斷擴(kuò)大,給人類生活特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的影響和損失。對干旱問題展開深入研究,為決策部門提供決策依據(jù),對我國的國民生產(chǎn),尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn),有著非常重要的意義。遙感技術(shù)作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息感知關(guān)鍵技術(shù)之一,能快速獲取大面積地物信息,是監(jiān)測農(nóng)業(yè)旱情的一種重要手段,本文以農(nóng)業(yè)干旱作為研究對象,在分析總結(jié)已有遙感旱情監(jiān)測工作的基礎(chǔ)上,對基于多源數(shù)據(jù)的遙感旱情監(jiān)測方法展開深入研究,從干旱時空變化特征著手,利用氣象因子以及旱情指標(biāo)變化特征對長時序全國范圍內(nèi)的旱情特征進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析�；诙滩t外光譜特征空間、旱情多因子信息挖掘等多個角度建立高精度實(shí)用旱情監(jiān)測方法,并利用實(shí)測數(shù)據(jù)對提出的多種旱情監(jiān)測方法進(jìn)行檢驗(yàn)。本文的主要結(jié)論包括：(1)利用不同時間尺度的SPI和SPEI氣象干旱指數(shù)評估1961年到2012年全國范圍以及不同區(qū)域范圍內(nèi)的旱情形勢,發(fā)現(xiàn)兩種干旱指數(shù)反映的全國旱情形勢基本類似,都能反映出區(qū)域旱情信息,但與SPI指數(shù)相比,SPEI指數(shù)表現(xiàn)出的旱情形勢更為嚴(yán)重,這主要是因?yàn)镾PEI指數(shù)綜合考慮降水量和氣溫兩種氣象因子,而SPI指數(shù)僅參考降水量數(shù)據(jù),當(dāng)前全球氣溫上升趨勢會對SPEI值大小造成影響。利用Mann-Kendal非參數(shù)檢驗(yàn)方法對氣象數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行估測,發(fā)現(xiàn)全國范圍內(nèi)有38個站點(diǎn)的月均降水量呈現(xiàn)顯著下降趨勢,有277個站點(diǎn)的月降水量呈現(xiàn)下降趨勢但不顯著；絕大部分站點(diǎn)平均氣溫都呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢；絕大部分站點(diǎn)的SPEI值表現(xiàn)出下降趨勢,這些站點(diǎn)分布主要集中在華北(內(nèi)蒙古、河北、山西)、東北(遼寧、吉林、黑龍江)、西北(陜西、甘肅、寧夏、青海北部、新疆東南部)以及西南(四川東南部、云南、重慶、貴州)地區(qū),干旱趨勢明顯。(2)植被土壤水分狀態(tài)的微小變化能引起短波紅外光譜反射率的巨大變化。利用MODIS第6波段和第7波段構(gòu)建短波紅外光譜特征空間,分析不同土地覆蓋類型在特征空間中的分布規(guī)律,構(gòu)建MODIS短波紅外水分脅迫指數(shù)MSIWSI。利用20cm實(shí)測土壤相對濕度驗(yàn)證MSIWSI、EVI以及MPDI與實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)性并對比分析不同指數(shù)敏感性,發(fā)現(xiàn)與其他指數(shù)相比,MSIWSI模型與實(shí)測土壤濕度的相關(guān)性更高。利用農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)情數(shù)據(jù)、實(shí)測站點(diǎn)降水量和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)與MSIWSI指數(shù)旱情分布圖進(jìn)行對比以評估MSIWSI模型旱情監(jiān)測可靠性,發(fā)現(xiàn)MSIWSI反映的干旱分布與實(shí)際干旱情況吻合度高,能合理反演區(qū)域旱情狀況。(3)基于遙感旱情指數(shù)與實(shí)測數(shù)據(jù)相關(guān)性對模型輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇并對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行SMOTE過采樣處理,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、分類回歸樹三種單分類器對不同月份訓(xùn)練樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)并對研究區(qū)旱情等級進(jìn)行判斷,發(fā)現(xiàn)三種單分類器中,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在所有4月到10月訓(xùn)練樣本和測試樣本上的分類精度都高于另外兩種方法,支持向量機(jī)方法的訓(xùn)練樣本總體精度高于分類回歸樹方法,但其測試樣本總體精度低于分類回歸樹方法,不同分類器在不同時間分類效果也存在差別。構(gòu)建閾值技術(shù)優(yōu)化的模糊投票法FMVT對三種單分類器分類結(jié)果進(jìn)行決策級融合,建立一種高精度區(qū)域旱情等級評估方法,并選擇另外兩種常用融合方法(經(jīng)典投票法和模糊投票法)與FMVT方法進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)與三種單分類器相比,三種融合方法在測試集和訓(xùn)練集上的分類精度均有所提高,尤其是FMVT方法在測試樣本中的總體分類精度分別比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、分類回歸樹高出約3.4、5.6和4個百分點(diǎn),而且FMVT方法在7個不同月份樣本上的總體精度均高于三類單分類器分類精度,可用于實(shí)際區(qū)域旱情等級分類研究中。(4)利用多種遙感指數(shù)分別與實(shí)測指數(shù)SPEI進(jìn)行相關(guān)性分析并選擇相應(yīng)指數(shù)作為不同時期模型輸入?yún)?shù),利用隨機(jī)森林回歸方法對氣候分類信息、高程信息、土地覆蓋類型以及不同遙感旱情因子等多種特征進(jìn)行集成,建立一種多因子集成旱情狀態(tài)指數(shù)IDCI。利用VCI、TCI、PCI、SMCI以及VHI與IDCI進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)與其他指數(shù)相比,IDCI指數(shù)與實(shí)測指數(shù)的相關(guān)性更高,均方根誤差相對較小,而且所有相關(guān)性都通過0.05顯著性檢驗(yàn)。利用研究區(qū)9個主要省份的IDCI值與實(shí)測指數(shù)SPEI-3值進(jìn)行散點(diǎn)圖分析和相關(guān)性驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)IDCI指數(shù)在不同省份都能很好地?cái)M合實(shí)測指數(shù),所有相關(guān)關(guān)系都通過0.005顯著性檢驗(yàn)。對比研究區(qū)21個代表性站點(diǎn)位置處的IDCI值與實(shí)測指數(shù)變化趨勢,發(fā)現(xiàn)絕大部分站點(diǎn)處的IDCI指數(shù)變化規(guī)律能與實(shí)測指數(shù)SPEI-3的變化規(guī)律保持一致。將IDCI空間分布圖、站點(diǎn)實(shí)測指數(shù)分布情況以及實(shí)測氣象數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)由IDCI空間分布圖反映的研究區(qū)旱情狀態(tài)與實(shí)測指數(shù)SPEI-3分布特征有較好的一致性,IDCI旱情空間分布圖能較精確的指出干旱受災(zāi)區(qū)域,與實(shí)測氣象數(shù)據(jù)吻合度高,在實(shí)際大范圍旱情監(jiān)測業(yè)務(wù)中具有較大的應(yīng)用潛力。
【圖文】：

圖２－１xO究區(qū)及氣象站點(diǎn)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標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)逡逑標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)ＳＰＩ能反映不同時間不同地區(qū)的降水氣候特點(diǎn)，具有從不同逡逑時間尺度進(jìn)行干旱監(jiān)測的能力，可Ｗ滿足多種水分監(jiān)測需求，１個月時間尺度的逡逑ＳＰＩ邋適合監(jiān)測氣象干旱（Ｃａｃｃａｍｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１１；邋Ｚｈａｎｇ邋ａｎｄ邋Ｊｉａ邋２０１３）；邋３－６邋個月時間尺逡逑度的ＳＰＩ適合對農(nóng)業(yè)干旱狀態(tài)進(jìn)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個月時間尺度的Ｓ巧能反映長期降水變化，一般與河逡逑流水位、水庫水位，甚至地下水位具有較高相關(guān)性（Ｗｕ巧ａｌ．邋２００１；九ａｎｄ邋Ｐｅｔｅｒｓ逡逑２００３，民ａｚｉｄｅｔａｌ．邋２０１４），在國內(nèi)外旱情腔測中得到廣泛應(yīng)用。具體計(jì)算步驟為；逡逑（１）假設(shè)某時段降水量為隨機(jī)變量Ｊ，其Ｇａｍｍａ分布概率密度函數(shù)為：逡逑作）＝扁，—ｌｅ－ｗ邐ｘ＞0邐口．１）逡逑

２．３N１降水量特征逡逑全國５３７個降水?dāng)?shù)據(jù)完整的站點(diǎn)在１９６１年到２０１２年間平均年降水量介于逡逑１４．９２ｍｍ到２７３０．０３ｍｍ之間，所有站點(diǎn)的平均年降水量為８０７．１０ｍｍ。圖２－２所逡逑示為全國區(qū)域１９６１年至２０１２年間平均年降水量空間分布圖，可發(fā)現(xiàn)年均降水逡逑量呈現(xiàn)自東南向西北遞減的特點(diǎn)，華東地區(qū)江西、福建、浙江省份的大部分區(qū)域逡逑及華南地區(qū)廣西東部、廣東、海南省份的大部分區(qū)域內(nèi)的年均降水量均達(dá)到逡逑１５００ｍｍ邋上，其中廣東佛崗、陽江、上川島，，廣西東興、欽州，海南瓊中、瓊逡逑海等站點(diǎn)年均降水量超過２０００ｍｍ。而大部分西北內(nèi)陸地區(qū)年均降水量不足逡逑４００ｍｍ，新疆維吾爾自治區(qū)絕大部分區(qū)域、甘肅西北部等地區(qū)年均降水量不足逡逑２００ｍｍ，其中新疆吐魯番、且末，青海冷湖等站點(diǎn)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邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑0■邐Ｖ；＇逡逑Ｉ年均巧水Ｓ（ｎｉ）邐Ｉ邋＇邋＇邋／逡逑１１｜邋ｒ—邋１邐—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逡逑圖２－２邋１９６１年至２０１２年均降水量空間分布圖（單位：ｍｍ）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｓｐａｔｉａｌ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ邋（ＩＤＷ邋
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P426.616;P407

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2679099