改进垂直干旱指数法在灌溉面积反演中的应用.pdf

2023年第4期水科学与工程技术21改进垂直干旱指数法在灌溉面积反演中的应用时启军（中国南水北调集团中线有限公司河北分公司，石家庄0 50 0 0 0）摘要：采用卫星遥感监测手段，以多源多时相遥感数据为基础，以GIS技术为支撑，根据遥感指数对不同土壤土壤湿度响应不同，计算改进的垂直干旱指数，结合现场实际灌溉信息，确定灌溉前后提取阈值，提出一种基于低空间分辨率遥感数据的低成本灌区灌溉面积提取的精确计量技术，补充灌区信息化建设内容，能够快速有效地提高灌区水资源管理的能力。该技术在灌区进行应用,经与地面实测数据对比，精度在0.8 5左右，可在大中型灌区推广应用。关键词：改进的垂直干旱指数；灌溉面积计算；遥感技术中图分类号：S162D01:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.06Application of modified perpendicular drought index method in irrigated(South-to-North Water Diversion Group of China Middle Line Co.,Ltd.Hebei Branch,Shijiazhuang 050000,China)Abstract:Using satellite remote sensing monitoring methods,based on multi-source and multi-temporal remote sensing dataand supported by GIS technology,according to the dfferent responses of the remote sensing index to dfferent soil moisture,theimproved vertical drought index is calculated,and the actual irrigation information is combined to determine the extractionbefore and after irrigation.This paper proposes an accurate measurement technology for the extraction of low-cost rrigationarea in irrigation areas based on low spatial resolution remote sensing data.The technology has been applied in irrigationareas,and its accuracy is about 85%,which can be popularized and applied in other larger and medium-sized irrigation areas.Key words:modified perpendicular drought index;irrigated area calculation;remote sensing technology作为华北农田粮食的重要生产基地的河北省，灌区斗渠以下(田间)的土质农毛渠基本不具备水力学测流条件，大部分未安装计量设施，计量设施配备率仅为2%，且完好率仅为17.6%，“按亩收费”“按时收费”“交平摊水费”的现象普遍存在，灌溉面积依靠人工统计，费时费力，且不具备客观性，呕待利用先进技术，对灌溉面积进行统计提取。1基础理论1.1基本原理遥感技术是获取地表信息的一种有效手段，可从定性到定量、从宏观到微观地反映出地面物体（如土壤)的特性及其变化(如含水率）,具有覆盖范围广、时效性强、数据客观、经济效益高等优点1。因此，可以借助遥感测量，利用不同土壤湿度对光谱反射率的不同,将遥感数据进行解译，提取灌溉面积，作为用水计量和末级渠道水费收取的参考依据。收稿日期 2 0 2 2-0 8-0 9【作者简介 时启军（19 8 3 一），男（汉族），山东菏泽人，高级工程师，主要从事水资源管理工作。E-mail:文献标识码：Barea inversionSHI Qijun1.2垂直干早指数法根据光学理论研究，不同地表含水率在红光波段及近红外波段,表现出强吸收或强发射的特征，基于灌溉前后土壤光谱反射率有所不同，遥感数据能够在一定层面上反映出土壤含水率的变化情况2 。可以利用灌溉前后土壤湿度的变化,判定地块灌溉与否,进而进行实际灌溉面积提取和灌溉进度监测3 。垂直干旱指数PDI(perpendicular drought index)就是利用影像光谱对不同土壤湿度的响应、基于近红光反射率和红光反射率构建特征空间，来表征土壤含水量的变化4。在Nir-Red散点图上,遥感影像各像素点的分布近似于一个三角形(如图1)：L为土壤基线的法线;PDI为直线L的垂线，用以描述在Nir-Red光谱特征空间上，水分含量的分布规律,离直线L越近代表水分含量越高，越远代表土壤水分含量越低；任取一点E,从点E到直线L的距离EF，即为垂直干旱指数PDI。即垂直干旱指数计算公式文章编号：16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 2 1-0 322为：PDI=1/VM+1(RRED+MRNIR)式中PDI为垂直干旱指数;RRED为红光波段反射率;RNIR为近红外光波段的反射率；M为土壤基线BC的斜率。图1Nir-Red特征空间和PDI示意图当土壤湿度状态未发生变化时,M值也不会发生变化。在灌溉时，土壤会随着灌溉，含水量信息发生变化。1.3改进垂直干早指数MPDI计算时，为了减小或消除植被光谱对土壤含水量的影响，引人植被覆盖度概念5,改进PDI,从特征空间混合元素中去除植被反射率等信息的影响，减从而形成改进的垂直干旱指数MPDI(modifiedperpendiculardrought index)。改进的垂直干旱指数计算公式：式中Rv.RED为植被红光波段反射率;Rv.NIR为植被近红光波段反射率；M为土壤线斜率;fu为植被覆盖度。1.4灌溉面积提取(1)数据来源。针对灌区实际灌溉面积监测信息的需求，本文使用的遥感影像来自环境减灾卫星HJ-1A/1BCCD，可由中国资源卫星应用网站下载，进而进行遥感指数反演，计算改进的垂直干旱指数。(2)计算过程。对下载的遥感数据,经过去除热噪声、辐射定标6 、相干斑滤波、地形校正预处理后得到水体和高植被区掩膜，大气校正后，利用不同波段的反射率，选取目标区域，进行波段合成，结合实际实际灌溉面积的监测情况，构建Nir-Red特征空间，利用线性回归求出土壤线斜率M,根据M和归一化植被指数，分别计算区域灌溉前后的改进垂直干旱指数，在Erdasmodel中构建MPDI阈值提取区域实际灌溉面积监测模型：I=MPDIi-MPDI2式中为研究区域某个像元的垂直干旱指数差值；MPDIi为灌溉前土壤垂直干旱指数；MPDIz为灌溉后土壤垂直干旱指数。当灌溉结束后，发生灌溉的区域土壤含水量增时启军：改进垂直干旱指数法在灌溉面积反演中的应用0.52AFullcover0.39EPartial cover0.26Bare soif-PDI0.13WetsurfaceB0.00.1红光反射率L(1-fi)VM+12023年第4期加,MPDI减小；未发生灌溉的区域土壤含水量减小，MPDI增大，可利用灌溉前MPDI值减去灌溉后Dry surfaccMPDI值判断土壤含水量变化情况，构建基于干旱指数差异阈值的灌溉面积监测模型。I值越大，代表区域发生灌溉的可能性越大。如上所述，土壤湿度发生Soil line变化时，其光谱特征信息也会改变，因此理论上只要某一像元前后MPDI存在差值,即I0,该像元就有0.20.30.4发生灌溉可能性。但土壤含水量的变化可能不是因为灌溉所造成的，也可能是由于风速等其他因素干扰,差值可能存在一定无效空间,因此需要设定一个阈值7 ,只有1变化程度大于该阈值时，才认为该像元的土壤水分变化是由灌溉造成的。2实践应用2.1灌区概况河北省某灌区始建于19 59 年，设计灌溉面积5300hm,有效灌溉面积3 0 0 0 hm,经过多年发展,形成了1总、4干，16 支、9 2 斗渠的灌溉工程系统。灌区实行渠系专业三级组织管理：灌区管理处一渠道管理所一村农民用水户协会。根据现状调查,在斗口以下的田间,该灌区未配套计量设施，目前按亩或按时收费，存在灌溉面积统计不准确、农户认可度较低等缺点，一定程度上增加了水费征收的难度，不能满足精确配水、合理灌溉的需要，管理部门调配用水和用水户之间经常有矛盾发生，巫待采用客观公正的方法，提取、识别灌溉面积。该灌区2 0 2 0 年4月2 11日5月1 9 日，分别进行冬小麦拔节期、抽穗扬花期灌水。2.2反演计算采用灌区矢量数据进行裁剪，利用IDL（I n t e r a c t i v e D a t a L a n g u a g e）语言建立MPDI计算模型，依据公式分别计算灌溉前（2 0 2 0 年5月1日）、后(2020年5月9 日）2 期影像的MPDI差值，利用无人机航飞，结合GPS点位信息，进行控制点布设，最终获取灌溉区域的点位等信息，确定差值阅值0.17，对冬小麦灌溉面积进行提取，形成矢量图及灌溉前后信息分布如图2 图5。2.3成果验证2.3.1土壤含水量地面监测点验证两期灌溉结束（4月11日、5月9 日）,在灌区选择2 0 个土壤含水量实测点0 2 0 cm深度平均土壤含水量的变化情况得出该时期各点是否灌溉。将提取的实际灌溉范围与土壤含水量实测值点上灌溉情况相比，可在点尺度上进行验证，如表1。两轮灌溉2023年第4期验证结果：4月11日灌溉范围与点上实测结果的精度达0.9；5月9 日灌溉范围与点上实测结果的精度达0.8 5。2.3.2土壤灌溉面积验证4月2 日，土壤干燥，冬小麦缺水，开始提闸灌溉；至4月11日，灌区完成冬小麦拔节期灌溉，对灌溉面积进行提取；5月1日陆续提闸放水，至5月9 日，完成抽穗扬花期灌水，再对灌溉面积进行提取。同时对灌区灌溉系统上报灌溉面积进行查询，得到结果如表2。2.3.3结果分析实地调查发现，灌溉面积的统计都是由人工上报所得，其结果存在一些人为误差，使统计灌溉面积会略小于真实灌溉面积，所以监测灌溉面积大于记录灌溉面积是符合实际情况的。同时，在5月3 日，灌区部分区域有小雨，对提取的灌溉面积造成一定影响。但总体来看，遥感提取灌溉面积与统计记录灌溉面积基本接近，可以作为统计灌溉面积的一项手段，为灌溉面积的计算节省大量的人力、物力、财力，提升灌区信息化管理水平，节省逐级上报的中间环节，提高管理运行效率。同时，可将遥感监测情况以一定方式，向用水单元发送，实现信息双向流动和透明化。3结语(1)针对传统灌溉面积上报、计算方式存在监测站点少、耗时费力、更新周期长等不足，充分发挥“3S技术可快速采集与处理海量空间信息数据的优势，以多源多时相遥感数据为基础,以GIS技术为支撑，进行灌溉地块识别,基于灌溉前后改进的垂直干旱指数变化规律，结合地面少量调查点，实现实际灌时启军：改进垂直干旱指数法在灌溉面积反演中的应用表1提取结果点验证点号实测估算点号实测估算1VV112V3V4VV14第一轮5(4月11日)678图2 灌区矢量化图形9101234第二轮5(5月9 日)678910图3 5月1日（灌溉前）灌溉信息分布注：灌水V,未灌。表2 遥感提取灌溉面积与统计记录灌溉面积比较遥感提取灌溉统计记录日期面积/hm4月11日28855月9 日3509溉时间和灌溉面积的监测，提出一种基于低空间分辨率遥感数据的低成本灌区灌溉面积提取的精确计量技术，为实现末级渠道分水计量提供技术支撑。图45月9 日（灌溉后）灌溉信息分布(2)结合现场低空摄像机拍摄实际灌溉信息，确定灌溉前后提取阈值，对研究区域灌溉面积进行提取，最终得到实际灌溉面积，用于校核上报的灌溉面积，计量末级渠道分水情况，提高农田中灌区面积提取方法的精度与效率。在灌区进行应用，其精度在0.85左右，可在大中型灌区推广应用。参考文献：1王啸天.大型灌区作物种植结构与实际灌溉面积遥感监测研究D.北京：中国水科学研究院，2 0 16.图5灌溉面积提取分布2易珍言.遥感技术在灌溉管理中的应用研究D.兰州：兰州交通大学2 0 14.3焦旭.石津灌区种植结构与灌溉面积信息提取D.邯郸：河北工程大学,2 0 16.4王啸天,路京选.基于垂直干旱指数(PDI)的灌区实际灌溉面积遥感监测方法J.南水北调与水利科技,2 0 16,14(3)：169-174,161.5李红红.基于多源数据的邯郸东部平原区灌溉面积信息提取D.邯郸：河北工程大学,2 0 2 0.6刘逸竹,吴文斌,李召良，等.基于时间序列NDVI的灌溉耕地空间分布提取J.农业工程学报,2 0 17,3 3(2 2):2 7 6-2 8 4.7宋文龙，李萌，路京选,等.基于GF-1卫星数据监测灌区灌溉面积方法研究以东雷二期抽黄灌区为例J.水利学报,2 0 19,50 (7):8 54-8 6 3.（责任编辑：尹健婷）23V12V13V15VVV16VV17V18VV19V20VV11V12V13VV14V15VV16VV17VV18V19V20差值灌溉面积/hm/hm25503353237272VVVVVVVVVVVVVVVVVVVV差值百分比/%13.18.4