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基于多源遥感信息的区域农业节水水平动态监测与评估 任 务 来 源:2021 年水利部重大科技项目执 行 期 限:2021 年 7 月至 2023 年 6 月牵 头 单 位:黄河勘测规划设计研究院有限公司课题负责人:刘豪杰 为了加快我国水利重大问题科技攻关,水利部2021 年启动了水利重大关键技术问题研究共42 项,包括从面向司局、科研单位和专家征集建议中遴选的相关课题,以及落实习近平总书记在科学家座谈会上重要讲话精神,解决“水资源空间分布带来不少问题”的相关任务。黄河勘测规划设计研究院有限公司承接了其中的“基于多源遥感信息的区域农业节水水平”(项目编号:SKR-2022025)研究课题,由单位自筹资金开展相关研究内容,经过项目组的不懈努力,项目于 2023 年 10 月顺利通过黄委国科局组织的综合评价,评价结果为优秀。1 研究背景水资源严重短缺是我国基本水情,是经济社会发展的重要瓶颈制约。推进节水型社会建设,全面提升水资源利用效率和效益,是深入贯彻落实习近平生态文明思想、习近平总书记关于节水工作的重要讲话和指示批示精神的具体行动,是缓解我国水资源供需矛盾、保障水安全的必然选择。当前农田灌溉水有效利用系数主要通过开展灌溉试验而测算得到,指标获取工作量大,需要大量人力、物力、材料消耗,尚未建立基于计量监测的区域节水量估算方法。综合评价灌区节水程度属于一项多要素复杂的系统性问题。针对当前研究存在的不足,本项目采用多源遥感信息结合区域相关资料,对影响和反映农业节水水平的相关要素进行了动态监测,并构建科学有效的农业用水效率指标体系,致力于提高区域性农业节水水平的监测能力,解决区域农业用水效率判别标准不清晰,难以真实有效、动态快捷地反映区域农业节水水平,以及典型区域农业节水水平提升与降水、气温干旱节水改造等多种因素的相关关系不明确等问题,为推动我国农业水资源高效利用提供技术支撑。2 项目进展情况及阶段性成果本项目自 2021 年正式立项实施,围绕研究目标,利用多源卫星遥感数据,收集历史气象资料数据、统计年鉴数据,提出多种模型与算法,以河套灌区、渭河流域、宁夏及黄河 9省为研究区展开了基于多源信息的作物种植范围和面积提取方法、基于双源蒸散发模型的农田蒸发量估算方法、结合时态和多源数据的农作物需水量预测算法、作物产量估算方法和区域农业用水效率指标体系构建技术等方面的研究。项目实施以来发表学术论文 4篇,其中 SCI 收录论文 3 篇,中文核心论文 1篇,申请发明专利2 件,取得软件著作权1 项。2.1 基于多源信息的作物种植范围和面积提取方法研究本研究基于贝叶斯算法优化随机森林模型构建机器学习分类器,探寻了经过贝叶斯算法优化后的参数对随机森林分类器分类精度的影响,经过贝叶斯优化后的随机森林分类器的分类精度最高,灌区平均总体分类精度(85.8%)分别比原始随机森林、支持向量机和 AdaBoost 分类器提高了 4.3%、9.1%和31科技项目进展20.9%。确定了用于种植结构提取的最优分类器,实现了河套灌区长时间序列农作物种植结构的提取。2.2 基于双源蒸散发模型的农田蒸发量估算方法研究本研究基于气象数据、遥感数据、地形数据、地表覆盖数据等多源数据,结合双源蒸散发模型 pyTSEB,定量模拟了杨凌站点尺度、渭河中游流域像元尺度蒸散发的时空演变特征。同时对双源蒸散发模型进行了改进,考虑了植物生长发育过程中绿度的动态变化情况,引入绿色植被覆盖度因子,使十二月高估蒸散发的现象得到明显改善,利用站点实测的蒸散发数据对比验证了模型改进情况,效果良好。2.3 结合时态和多源数据的农作物需水量预测算法研究本研究综合作物类型、生长状态、气象情况等要素,分析不同组合下各模型和参数对河套灌区短期需水量的预测结果,建立了基于随机森林和区域水量平衡方程的需水量预测模型,与灌溉制度计算的需水量进行对比验证。同时采用 CMIP5 的多模型平均结果预测未来 RCP4.5 和 RCP8.5 情景下河套灌区的灌溉需水量变化情况。基于短期和长期的灌区需水量预测结果,为河套灌区需水量调配与水利设施建设提供参考。2.4 作物产量估算方法研究本研究采用高时间分辨率遥感数据结合气象数据、再分析数据、统计数据等多源数据,进行相关分析,优选作物估产因子,建立结合传统经验模型和随机森林算法作物产量多指标的混合估算模型。利用传统经验模型分析筛选出作物产量的影响因子和关键影响时期,利用随机森林算法通过数据学习训练得到作物产量与影响因子(气象、作物和土壤因子)之间隐含、潜在的非线性关系,将传统经验模型与随机森林算法相结合,提高了区域实时估算作物产量的效率和预测的准确度。2.5 区域农业用水效率指标体系构建技术研究本研究采用层次分析法,考虑社会因素、经济因素、生态因素等 3 种因素,通过频次统计及整合、层次结构和区域特征分析、专家筛选等方法对指标及权重进行优选,最终构建了农业用水效率评价指标体系。基于该指标体系,评价了黄河流域 9 省长序列的农业用水效率的时空变化,并分析提出了提升农业用水效率的措施及建议。将本研究的成果与其他研究对比发现,结论较为一致,通过分析评价结果,可为黄河流域省份农业节水规划的制定和考核方法提供依据。3 推广示范情况基于多源遥感信息的区域农业节水水平动态监测与评估项目的成果已在多个地区进行了应用。其中构建的作物识别与分类模型对河套灌区 20182022 年典型作物进行了分类与面积统计,实现河套灌区种植面积的精确识别,同时也为河套灌区作物种植面积的快速检测提供了技术支撑;改进的双源蒸散发 pyTSEB 模型能够定量模拟渭河中游流域站点级别的小时尺度的蒸散发动态变化规律,同时也较好地模拟了渭河中游流域级别蒸散发的时空演变规律;构建了基于长短期气象数据的灌区需水量预测方法,对河套灌区进行了作物灌溉需水量的短期和长期的预测;利用提出的结合传统经验模型和随机森林算法的作物产量多指标混合估算模型,通过分析筛选出作物产量的关键影响因子和关键影响时期,利用该模型对宁夏 3 个农业区12 个县(区)的玉米产量预测结果进行分析;通过构建的农业用水效率评价指标体系,对黄河 9 省进行了大尺度长序列的农业用水效率的时空变化评价分析。本研究从农业用水的水循环角度分析,对区域农业节水水平进行了动态监测与评估,有效夯实了具有客观性和准确度的区域农业用水效率的数据基础,同时也提高了区域农业节水水平的监测能力,为逐步提升我国节约用水统计能力、推动我国农业水资源高效利用提供技术支撑。【供稿:设计院 朱光磊】41 治黄科技信息2023 年第 5 期