基于MODIS数据的天山北坡经济带农田生态质量气象评价研究

摘要 以2007―2015年4―9月EOS/MODIS卫星数据为基本数据源，并结合气象观测数据，采用3S技术，对天山北坡经济带各县（市）的湿润指数、水覆盖指数、植被覆盖指数以及农田（干旱）灾害指数进行了研究，并通过农田生态质量综合评价指数分析该地区的生态质量状况。结果表明：2007―2015年天山北坡经济带各县（市）的农田生态质量综合评价综合指数分别在32.18～37.72之间，近9年的农田生态质量状况没有发生明显的变化，但总体趋势是逐渐增加的，说明生态环境有所好转，本研究可为有关部门开展生态建设规划和环境保护提供科学决策依据。

关键词 EOS/MODIS；天山北坡经济带；农田；生态质量；气象评价

中图分类号 X826 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）09-0210-03

Abstract Using the satellite data of EOS/MODIS during 2007 to 2015（April to September）as the basic data sources，and combined with meteorological observation data，by using 3S technology，farmland economic belt in north slope of Tianshan Mountains were studied，selecting the four indexes such as moisture index，vegetation cover index，water coverage index and disaster index.The ecological quality of farmland in the area was analyzed through comprehensive index. The results showed that：During 2007 to 2015，economic belt in north slope of Tianshan Mountains counties（cities）of the ecological quality of farmland comprehensive evaluation index between 32.18 and 37.72，nearly nine years of farmland ecological quality of no obvious change，but the overall trend increased，indicating that the ecological environment is improved. This study may be relevant departments to carry out ecological construction and environmental protection plan to provide a scientific basis for decision making.

Key words EOS/MODIS；economic belt in north slope of Tianshan Mountains；farmland；ecological quality；meteorology evaluation

生态环境是以人类为中心的自然要素和社会要素相互联系、相互制约而构成的综合体，是人类生存与发展的物质基础和空间条件[1-4]。气象因子作为生态系统的重要自然属性，很大程度上影响着区域生态环境背景和生态环境适宜度[5-8]。

遥感技术具有宏观、多谱段、多时相等优点。近几年，遥感技术开始应用于生态质量气象评价的研究中，但以MODIS数据为数据源的生态质量气象评价的研究较少[9-12]。本文以2007―2015年4―9月的MODIS数据为主要的遥感数据源，依据《生态气象观测规范（施行）》和《生态质量气象评价规范（试行）》，选取湿润指数、水覆盖指数、植被覆盖指数以及农田（干旱）灾害指数4个指标进行提取研究，结合气象资料开展了天山北坡经济带的农田生态质量气象评价研究。天山北坡经济带区位条件优越，是我国西北地区最重要的粮食基地。因此，客观、准确地评价天山北坡经济带的农田生态环境状况有重要的意义[13]。

1 研究区概况及资料来源

1.1 研究区概况

天山北坡经济带是形成于冲积扇的条带状绿洲城镇带，其东西长约300 km，南北宽约260 km，区域总面积8.8万km2，地貌上属于河流形成的冲积扇或淤积平原，地形由东南向西北略倾斜，南高北低，海拔高度在450～1 200 m之间，有大量的泉水在扇缘带溢出，也是现代主要的绿洲区。年平均气温7.4～9.1 ℃，最低气温-37.2～-33.6 ℃，最高气温32.4～38.2 ℃，年无霜期150～179 d[14]。

1.2 数据资料来源

影像数据来源于新疆地区2007―2015年4―9月的EOS/MODIS 1B数据，由于EOS/MODIS 1B数据存在几何上的畸变[15]，所以通过EOS/MODIS用户软件EOSSHOP，对MODIS数据进行几何纠正，生成等经纬度投影的局地文件LD2（Local Data Version2）。气象数据来源于同期气象观测站的平均气温、降水、气压等气象数据。

1.3 研究方法

在生态环境的遥感监测评价中，许多观测项目用作生态环境质量的指标来进行单因子或多因子综合的评价，但并无统一的评价方法。在此，农田生态质量气象评价是运用3S技术方法进行评价。按照中国气象局制定的《生态气象观测规范（施行）》和《生态质量气象评价规范（试行）》中提出的评价指标体系[16-17]，计算天山北坡经济带各县（市）生态环境遥感监测评价指数：湿润指数、农田植被覆盖指数、水覆盖指数、农田（干旱）灾害指数以及农田生态质量综合评价指数，突出考虑了气候湿润状况以及环境灾害方面的影响评价。由于不同的因素对农田生态环境的影响程度是不一样的，采用专家打分法，评价指数选择0～1之间的数，然后乘以100为各评价指数最终的分值。各指标计算方法如下：

1.3.1 湿润指数。湿润指数系指降水量与潜在蒸散量之比。计算公式如下：

K=AR/ET×R/ET（1）

式（1）中，AR/ET为湿润指数的归一化系数，R为降水量，ET为蒸散量。

1.3.2 农田植被覆盖指数。将不同土地利用/覆被类型赋以不同的权重，得出地表覆被状态值，作为生态状态的重要表征之一。计算公式如下：

农田植被覆盖指数=Aveg×（0.6×高覆盖农田面积×生长期+0.3×中覆盖农田面积×生长期+0.1×低覆盖农田面积×生长期）/区域面积（2）

式（2）中，Aveg为植被覆盖指数的归一化系数。

1.3.3 水覆盖指数。利用EOS/MODIS遥感资料提取天山北坡经济带内的水体，计算公式如下：

水覆盖指数=A1ak×（1.0×湖库水域面积+0.7×永久性冰雪面积+0.3×季节性积雪面积）/区域面积（3）

式（3）中：A1ak为水覆盖面积的归一化系数。

1.3.4 农田干旱灾害指数。农田干旱灾害指数是指被评价区域内农田生态系统遭受干旱灾害面积占被评价区域面积的比重。干旱指数是由反演出的土壤湿度按不同的权重系数计算出来的。农田干旱灾害等级分级标准及权重见表1。

1.3.5 农田生态质量综合评价指数。根据不同属性指标对农田生态系统的影响方向不同，依据以上4个分指标及其所占权重，计算出天山北坡经济带的农田生态质量综合评价指数，最后根据该指数进行评价，将农田生态质量综合评价指数划分为5个等级，即优、良、中、较差和差，分级标准见表2。

农田生态质量综合评价指数=湿润指数×0.25+农田植被覆盖指数×0.30+水覆盖指数×0.2+（1-农田干旱灾害指数）×0.25（4）

2 结果与分析

2.1 湿润指数

由天山北坡经济带气象观测站的气象资料可以计算出2007―2015年的湿润指数，湿润指数值在0.252～0.457 之间变动。天山北坡经济带年湿润指数值均小于1，表明每年大气降水小于植物生理过程需水量，年降水不足，不利于生态环境改善，但从这近9年湿润指数的线性趋势来看（图1），湿润指数有逐渐增大的趋势，2015年与近9年的湿润指数相比偏多20%，其中9月偏多1.1倍，8月偏多70%，6月偏多40%，7月偏少近60%，5月偏少近30%，4月接近常年。

2.2 农田植被覆盖指数

本研究利用2007―2015年4―9月的MODIS遥感数据，计算了天山北坡经济带的月和年的农田植被指数。从农田植被指数月变化曲线（图2）可以看出，2007―2015年的植被指数变化趋势是一致的，植被指数从4月开始逐渐增加，7月或8月达到最大值，然后开始逐渐下降，但2007年的植被指数明显高于其他年份；从农田植被指数年变化曲线（图3）可以看出，植被指数在0.073～0.046 3之间，其中2007年的植被指数最大为0.073，2008年最小为0.046 3，从年植被指数的线性变化趋势看是逐渐减小的。2015年农田植被指数与近9年相比接近常年略偏少，其中6月、7月偏少10%～20%，4月、5月、8月和9月接近常年。

2.3 水覆盖指数

本文利用2007―2015年的EOS/MODIS遥感资料提取出天山北坡经济带内的水体面积，然后根据公式计算出水覆盖指数。从水覆盖指数年变化曲线（图4）可以看出，2007―2015年的水覆盖指数在0.019 3～0.001 4之间，其中2007年的水覆盖指数达到最大值为0.019 3，2015年的水覆盖指数达到最小为0.001 4，其余年份在这之间波动；从这9年的水覆盖的线性趋势看，水覆盖指数是逐渐减小的，不利于植被的生长。2015年水覆盖指数与近9年相比偏少70%，其中6月、9月偏少60%，8月、5月、7月和4月偏少70%～80%。

2.4 农田干旱灾害指数

灾害指数主要考虑的是区域内农田生态系统遭受干旱灾害面积占区域总面积的比重，主要是根据反演的土壤湿度按不同的权重系数计算出来的。从2007―2015年天山北坡经济带的农田干旱灾害指数变化曲线（图5）可以看出，农田灾害指数是逐渐减小的，除了2010年有异常增加，说明总体干旱状况是逐渐转好的。2007―2015年的农田干旱灾害指数在0.012 7～0.038 6之间，其中2010年的干旱灾害指数最大为0.038 6，2015年的干旱灾害指数最小为0.012 7，其余年份在这之间波动，2015年的干旱灾害指数与近9年相比偏少50%，2015年的干旱灾害指数明显减小，干湿状况明显转好，其中8月偏小99%，5月偏小60%，4月和9月偏小近40%，6月干旱指数为0。

2.5 农田生态质量综合评价指数

根据湿润指数、农田植被覆盖指数、水覆盖指数和农田干旱灾害指数的权重，计算出天山北坡经济带2007―2015年的农田生态质量综合评价指数值介于0.322～0.379之间，都处于中等，从农田生态质量综合评价指数年变化曲线（图6）可以看出近9年的变化不是很大，但总体趋势是逐渐增加的，2015年的农田生态质量综合评价指数与近9年相比接近常年略偏多，其中4月和9月的农田生态质量综合评价等级为良，5月、6月和8月的农田生态质量综合评价等级为中，7月的农田生态质量综合评价等级为较差；2015年天山北坡经济带各县（市）的农田生态质量综合评价指数与近9年同期相比：全年农田生态质量综合评价指数接近常年略偏多，其中6月和8月偏多10%～20%，9月偏多近30%，5月和7月偏少近10%～20%，4月接近常年略偏少。

3 结论与讨论

（1）从各指数看，2007―2015年的湿润指数值在0.252～0.457之间变动，从近9年湿润指数的变化可以看出，湿润指数有逐渐增大的趋势；水覆盖指数在0.001 4～0.019 3之间，近9年水覆盖指数是逐渐减小的，不利于植被的生长；植被指数每年4―9月的变化趋势是一致的，从4月开始逐渐增加，7月或8月达到最大值，然后开始逐渐下降，但2007年的植被指数明显高于其他年份，其他年份变化不是很大，从近9年植被指数的线性变化趋势看是逐渐减小的；农田灾害指数在0.012 7～0.038 6之间，从近9年的变化可以看出农田灾害指数是逐渐减小的（除了2010年有异常增加），说明干旱状况是逐渐转好的。

（2）从总体上看，2007―2015年天山北坡经济带各县（市）的农田生态质量综合评价综合指数分别在32.18～37.72之间，农田生态质量综合评价等级均处于中等，近9年的农田生态质量综合评价状况没有发生明显的变化，但总体趋势是逐渐增加的，说明生态环境是有所好转的，因此要实现天山北坡经济带生态环境的可持续发展，就需长期监测和评价天山北坡经济带的农田生态环境质量状况。

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