An approach for precision farming under pivot irrigation system using remote sensing and GIS techniques

The current work is aimed to realizing land and water use efficiency and determining the profitability of precision farming economically and environmentally. The studied area is represented by an experimental pivot irrigation field cultivated with maize in Ismailia province, Egypt. Two field practices were carried out during the successive summer growing seasons (2008 and 2009) to study the response of maize plants single hybrid 10 (S.H.10) to traditional and precision farming practices. Traditional farming (TF) as handled by the farm workers were observed and noted carefully. On the other hand precision farming (PF) practices included field scouting, grid soil sampling, variable rate technology and its applications. After applying PF a dramatic change in management zones was noticed and three management zones (of total four) were merged to be more homogenous representing 84.3% of the pivot irrigation field.Under PF Remote Sensing and Geographic Information System techniques have played a vital role in the variable rate applications that were defined due to management zones requirements. Fertilizers were added in variable rates, so that rationalization of fertilizers saved 23.566 tonnes/experimental pivot area. Natural drainage system was improved by designing vertical holes to break down massive soil layers and to leach excessive salts. Crop water requirements were determined in variable rate according to the actual plant requirements using SEBAL model with the aid of FAO Cropwat model. Irrigation schedule of maize was adopted considering soil water retention, depletion, gross and net irrigation saving an amount of water equal to 93,718 m³ in the pivot irrigation field (153.79 acre). However costs of applying PF were much higher than TF, the economic profitability (returns-costs) achieved remarkable increase of 29.89% as a result of crop yield increment by 1000, 2100, 800 and 200 kg/acre in the management zones 1, 2, 3 and 4, respectively. Finally applying adequate amounts of fertilizers beside water control the environmental hazards was reduced to the acceptable limits.     

基于陆面能量平衡方程的遥感模型

介绍了卫星遥感反演水文气象模式所需的一些基本地面参数,进而得到整个流域尺度上的ET的方法,特别是基于陆面能量平衡方程的SEBAL模型的原理及工作流程,指出了模型的优点和不足,并研究探讨了利用SEBAL模型在海河流域水资源管理中的应用。     

基于SEBAL模型和Landsat-8遥感数据的农田蒸散发估算

【目的】及时准确地获取农田蒸散发量,为科学管理农田灌溉、精准估算作物产量和预报土壤水分动态、合理开发水资源等提供有效依据。【方法】以广利灌区为研究对象,基于SEBAL模型利用Landsat-8数据对研究区域农田蒸散发进行估算,通过地表参数计算净辐射通量、土壤热通量和感热通量,利用余项法求得潜热通量及瞬时蒸散发。假定24 h内蒸散比不变,由瞬时蒸散发扩展到日蒸散发量,最终求得研究区的日平均蒸散发量,将模型计算结果与彭曼公式进行了对比,同时结合灌区提供数据对计算结果进行了验证。【结果】彭曼公式计算2014年5月6日和2015年9月14日蒸散量与实测结果相差分别为5.2%和9.4%,SEBAL模型估算得到2014年5月6日和2015年9月14日的日蒸散量与灌区提供日蒸散量相差4.5%、6.0%,且冬小麦及夏玉米蒸散发在空间上存在一定的差异性,主要集中在灌区中部区域及西南区域。【结论】SEBAL模型计算结果具有较高的精度,而且方法相对快捷高效。     

基于SEBAL模型的农牧交错区蒸散演变及生态需水规律

[目的]对典型农牧交错区的蒸散格局、演变特征及其生态系统需水规律进行研究,为区域生态治理和水资源管理提供科学依据。[方法]以宁夏回族自治区盐池县为例,选择2000—2017年的4期Landsat遥感数据和气象资料等辅助数据,利用SEBAL模型反演该县不同时期秋季初的日蒸散,结合同期土地利用类型数据进行分析研究。[结果]①秋季初的日蒸散量由2000年的0.89 mm/d增加到了2017年的1.71 mm/d,增幅为92.1%,增强趋势显著。②日蒸散具有较强的空间异质性,总体呈南高北低的格局,尤以东南部的黄土丘陵区蒸散最高;近17 a蒸散的年增幅也表现出南高北低的特征,但不同时段的年增幅空间格局存在较大差异。③不同地类的蒸散存在差异,耕地、林地和草地的平均蒸散量分别为1.42,1.33,1.27 mm/d,但蒸散量年增幅最大的是草地。④近17 a盐池县生态需水总量和各地类的生态需水量都在增加,各地类生态需水量由高到低依次是草地、耕地和林地,但单位生态需水量最高的是耕地,最小的是草地;近17 a耕地和林地的生态需水量占总生态需水量的比例在下降,而草地生态需水量的比例则呈上升趋势。[结论]在盐池县大力实行生态治理工程的背景下,区域蒸散显著增强,植被生态系统的需水量明显增加,不同地类的蒸散和需水结构也发生变化。     

基于能量平衡算法的精河流域绿洲蒸散发时空变化模拟

基于1998、2007年和2011年三期遥感影像数据,利用SEBAL模型对研究区蒸散发进行了估算,并采用morlet小波分析和M-K突变检验,对实际蒸散量时空格局、变化特征及周期性进行了研究。结果表明:1998—2011年,研究区实际日蒸散发从4.90 mm下降到4.46 mm,总体呈下降趋势;研究区中部艾比湖湖面为极高值,其范围为7.3~9.32 mm,西北部、北部和东部为蒸散量低值区,其范围为0.53~1.27 mm;研究区不同土地类型的日蒸散量中未利用地最小,其次是建设用地,除水体外林地和耕地最高;研究区蒸散量存在26~30 a的周期变化规律,预测2022年将再次转入下降,而2030年蒸散量则将再次进入上升周期。     

应用RS技术建立估算蒸散发模型的研究

蒸散发是水资源分配利用的依据,能够估算出不同气候环境、不同区域的蒸散发是目前研究的重点。这些年运用遥感手段建立模型,结合地面气象站的气象数据、卫星影像等信息,提取参数建立模型来估算蒸散发的方法已经有了较为广泛的运用。其中,利用能量平衡来建立模型尤为广泛,不同的模型,选取参数、处理方法上有所不同,着重针对SEBAL、SEBS估算模型进行详细的对比介绍,SEBAL模型是具有较为坚实的物理基础,已经在平原、盆地、流域等区域进行了成功的应用,SEBS模型与SEBAL模型在模型建立原理上一致,但在计算感热通量H时,采用总体大气的相似理论,引入了热传输粗糙度长度。对这两模型进行了系统学习分析,并针对在新疆未来可开展的工作进行展望。     

利用SEBAL模型估算不同水土保持措施下的流域蒸腾蒸发量——以韭园沟、裴家峁流域为例

区域蒸腾蒸发量是重要的地表水分运动过程,水土保持措施改变了下垫面特征,从而影响了这一过程。为了揭示不同水土保持措施下的区域蒸腾蒸发特点,本文选取黄土高原丘陵沟壑区韭园沟治理流域以及其对比流域裴家峁,运用基于能量平衡原理的SEBAL遥感模型,计算了不同下垫面的蒸散发量,结果表明:研究区地表反照率多集中于0.1～0.2之间;不同水土保持治理度下的流域归一化植被指数NDVI呈现出不同的季节变化特点;净辐射集中在400～800 W m-2,感热通量集中在50～200 W m-2之间,土壤热通量集中在100～200 W m-2之间;治理度高的韭园沟流域日蒸腾蒸发量略小于裴家峁流域,不同土地利用类型下的日蒸腾蒸发量顺序为坝地>果园及林地>草地>梯田>坡耕地。文章最后,作者从多个角度对计算结果的合理性进行了分析,表明SEBAL模型估算的流域蒸散发是可信的。     

利用SEBAL 模型与P—M 公式估算乌裕尔河下游地表蒸散

先通过SEBAL模型估算了乌裕尔河下游沼泽旱地交错区1992年7月9日、1994年7月15日、1995年7月18日、1999年7月13日4个时相的日蒸散量,并通过P-M公式与作物系数进行时间尺度扩展得到了这4个时相所处月份的蒸散量,最后对日蒸散量、作物系数、月蒸散量的特征及其影响因素进行分析.结果表明:日蒸散量的频率分布图呈双峰结构,分别体现了旱地的蒸散特征、湿地与水体的蒸散特征;平均日蒸散量依照1994-07-15、1999-07-13、1995-07-18、1992-07-09的顺序依次降低;时相1994-07-15的平均日蒸散量与平均作物系数最高;通过逐步回归分析发现日平均风速、日照时数、日最低气温对参考作物日蒸散量的影响较为明显.     

基于SEBAL模型的北京市日蒸散发区域分布规律

为了对北京市地表水转换过程中的分量-蒸散发进行定量研究，基于Landsat7 ETM+遥感影像信息并结合气象数据，通过ERDAS构建了SEBAL模型，并通过模型计算得到北京市2014 年7 月26 日的平均蒸散发为2.49 mm，同时利用彭曼公式和MOD16 产品数据对SEBAL 反演结果的可靠性进行验证。结果表明，通过SEBAL 模型计算得到的蒸散发与彭曼公式法和MOD16 数据产品的误差分别为3.2%和3.3%，其结果具有一定的可靠性，且通过Landsat7 数据反演具有数据获取便捷、空间分辨率高的优点。通过对比各区域蒸散发分布，得出北京市蒸散发整体呈现西北山区高、东南平原低的趋势，西北山区林草植被覆盖率较高是导致这一趋势的主要原因。通过统计分析，水域的蒸散发最高，硬化面积及建筑物的蒸散发接近于0，在除去水体及硬化面积后，蒸散发的大小与NDVI呈现极显著的正相关关系，两者的决定系数达到0.9233，故下垫面类型是影响某一时刻区域蒸散发大小的主要因素之一。     

基于MODIS产品和SEBAL模型的三江平原日蒸散量估算

在SEBAL模型的基础上,集成MODIS产品和气象数据进行了三江平原的日蒸散量估算,然后以2005年6月22日的蒸散量估算结果为例,在ArcGIS空间分析模块的支持下对不同土地覆盖类型的日蒸散量进行统计分析。结果表明:遥感估算的蒸散量与利用涡度相关系统实测的蒸散量的相对误差较小且相关性较好,平均相对误差为11.2%;不同土地利用类型的日蒸散量间差别显著。水体和林地的蒸散量较大,平均蒸散量分别为8.2mm和6.5mm;湿地和水田次之,平均分别为5.2mm和4.8mm;旱田的蒸散量最低,平均仅为3.7mm,基本符合蒸散规律。