黑龙江省旱情遥感监测系统应用现状分析

朱丽娟，杨奇鹤，黄 彦，郑文生

(1.林甸县排灌服务中心，黑龙江 林甸 166300；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江省寒区农业节水工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 黑龙江省旱情及监测状况

长期以来，我国始终把粮食安全问题摆在“三农”工作的重要位置，致力于粮食综合生产能力提升[1]。黑龙江省土地资源丰富，2019年，全省粮食作物播种面积1433.00万hm2，其中，旱田粮食作物面积占73.5%。全省粮食总产量占全国粮食总产量11.3%，而区域耕地水资源的亩均占有量不足全国平均水平的1/3，全省农业用水量占总用水量的85%以上。干旱和水资源不足，已经成为制约黑龙江农业经济发展和我国粮食安全的主要障碍。

黑龙江省作为我国耕地面积、粮食总产量“双第一”的农业大省，是确保我国粮食安全的重要基地。全省实际灌溉面积617.73万hm2，其中旱田灌溉面积为236.47万hm2，占比38.3%，而旱田粮食作物产量占全省总产的64.5%，对粮食安全的保障作用极其重大。通过旱情遥感监测系统的研发，建立监测运行平台，及时预测预报旱情信息，可以为抗旱减灾提供决策依据，降低干旱影响，减少干旱损失。

我国农业旱情预测主要依靠地面站点数据，通过墒情站或气象站获取土壤湿度和降雨量等信息来划分旱情等级[2]。地面站点监测虽然真实性较高，但对于区域空间尺度的监测精度受控于地面站分布密度，很难反映大面积发生的农业干旱状况，且监测成本较高[3]。近年来，遥感技术以其客观、及时、经济、覆盖范围广、数据连续等优点，弥补了地面站点的不足，已被证明是农业干旱监测中最具前景的技术手段[4]。

黑龙江省耕地主要分在松嫩、三江两大平原，作物集中连片，地势平坦开阔。针对农业耕作区特点及自然环境特征，采取遥感监测与地面墒情站点相结合的形式，开发建立旱情遥感监测系统，解决生育期全时段区域性大面积连片种植区的旱情遥感监测关键技术问题，以达到实时监测、及时预警，有效抗旱的目的，应对区域干旱频发、水资源紧缺的实际状况，为解决全省范围内抗旱减灾问题提供技术支持。

本研究结合2020年旱田墒情站点数据和遥感监测分析结果，针对黑龙江省旱情监测系统现阶段应用成果和存在的问题作出简要分析。

2 旱情监测系统建立与应用

2.1 旱情监测系统

黑龙江省旱情监测系统包括旱情遥感监测系统和土壤墒情监测系统两部分内容。

遥感监测采用热红外遥感监测方法，综合植被和温度信息，以温度植被多项式监测模型(TVPM)为基础，根据黑龙江省两大平原不同的旱情特点和环境条件，按分区、季节进行模型参数率定与验证。模型率定数据采取黑龙江省历史墒情数据和遥感数据，实测与反演的土壤含水量相等比例为89.4%，具体结果如图1所示。数据表明，旱情监测系统的旱情监测精度较高，能够满足抗旱管理的使用要求。

图1 TVPM模型计算结果

地面墒情监测站点覆盖全省，共布设72处，布设范围涉及全部地级行政区和主要产粮县，同时在9个农垦管理局各布设一点监测站点。地面墒情站点监测10 cm、20 cm、40 cm深度的土壤含水率。

在以上两部分正常运行基础上，根据每旬地面墒情站点测得土壤墒情数据结合遥感监测结果，通过模型计算得到全省旱田墒情分布状况、旱情分析结果，形成监测简报，为全省抗旱工作提供技术支持。

2.2 地面站点应用情况分析

如图2为6月18日黑龙江省地面墒情站点监测值与取土测量值对比图，数值为根据之前标定的田间持水率转化后的土壤相对含水率。结果表明设备监测值与取土实测值相关系数为0.87，P值在2.5%水平上显著相关，可以认为地面墒情站点监测值有很好的准确性。因此，依据地面墒情站自动传输的监测结果分析，可以提早发现旱情，及时预警。存在的不足是系统误差会造成监测旱情发生范围与程度与实际受旱情况的偏差等问题。具体问题有待进一步研究。

图2 土壤相对含水率监测值与取土值对比

随机选取双鸭山市四方台区站点和农垦绥化管局站点，2020年4月1日—8月31日的地面站点平均相对含水率变化，以相对含水率60%作为旱情标准，如图3所示。

图3 绥化站和双鸭山站生育期含水率变化图

依据黑龙江省生态与农业气象中心制定的旱情标准，生育期内土壤相对含水率60%～70%为轻旱，50%～60%为中旱，40%～50%为重旱，小于40%为特旱，土壤相对含水率70%为适宜含水率。由图可知，双鸭山市四方台区旱情主要集中在4月和7月上中旬。其中4月旱情持续时间较长，但程度较低，为轻旱；7月上旬旱情强度较大，达到中旱、重旱程度。绥化管局站3月下旬和7月下旬出现旱情，旱情强度较低均为轻旱且持续时间较短。结合地方实际上报旱情情况，证明地面墒情站点旱情监测在长时间段内有较好的稳定性和准确率。

2.3 遥感系统应用情况分析

黑龙江省旱情监测系统自2016年陆续投入使用，已于2019年完成总体验收。现将2020年3月18日—7月18日，总计13期旬度墒情简报数据分析如下。

图4反映黑龙江省各地市年内累积受旱面积。受旱情况最严重的三个地级市分别为黑河市、齐齐哈尔市和绥化市，其中黑河市年内累积受旱面积48.41万hm2，齐齐哈尔市为24.50万hm2，绥化市22.92万hm2。上述三个地级市为省内主要旱作农业生产区，且均分布在省内中西部，年均降雨较少，实测结果与往年旱灾反馈情况基本相符。2020年全省监测的最大干旱面积发生在4月中旬，4月中旬全省总受旱面积为51.58万hm2，黑龙江省作物受旱比例为4.89%。

图4 黑龙江省各地市2020年累积受旱面积

2020年黑龙江省旱情监测运行中总受旱面积较大的地市为黑河市、齐齐哈尔市和绥化市，生育期内三地市受旱面积变化如图5。黑河市年度极值受旱面积为17.41万hm2，旱作物受旱比例约为种植面积的9.04%，主要受旱时间集中在4月和6月中上旬，主要受旱程度为轻旱；齐齐哈尔市主要受旱时期集中在4—5月，受旱面积累积达19.55万hm2，平均每旬受旱比例约为3.91%，部分时间段内存在中旱、重旱程度的旱情；绥化市主要受旱时期集中在4月、6月和7月，年度极值受旱面积4.79万hm2，干旱程度以轻旱为主，受旱比例约为3.54%。

图5 生育期内西部三地市受旱面积变化

综合分析黑河市、齐齐哈尔市和绥化市全年受旱情况。黑河市旱情特点为分布面积大，干旱程度低，抗旱应以区域综合防范为主，主要考虑空间分布广的特点，采取蓄水保墒耕作措施。齐齐哈尔市旱情特点为受旱区域集中，干旱程度较高，抗旱应以面对短时间强烈度旱情为主，增强极端情况处理能力，增加高效节水灌溉工程覆盖度，并结合蓄水保墒耕作措施。绥化市旱情特点为持续时间长，干旱程度低，抗旱应以持续防范为主，主要考虑时间分布广的特点，适时采取保墒蓄墒耕作与水土保持措施，提高天然降水利用率。

实践证明，黑龙江省地面墒情监测体系和遥感旱情监测系统运行有较好的实时性和准确性，适合黑龙江省旱田大范围、长时间的旱情变化监测。

3 结 论

黑龙江省旱情监测系统自2016年陆续投入使用以来，能够及时准确地反映出全省受旱区域和受旱程度，给全省旱情监测和预报分析工作提供了很好技术支持。地面监测站点和空间遥感模型的准确率都达到了预期水平。监测显示，2020年全省最大受旱面积出现在4月中旬，4月中旬全省总受旱面积为51.58万hm2，受旱比例为4.89%。黑河市、齐齐哈尔市和绥化市全年遭受旱情最为严重；黑河市受旱面积大，受旱时间集中在4月和6月中上旬，主要受旱程度为轻旱；齐齐哈尔市干旱程度高，主要受旱时期集中在4—5月，部分时间段内存在中旱、重旱程度的旱情；绥化市干旱持续时间长，主要受旱时期集中在4月、6月和7月，干旱程度以轻旱为主。