农田灌溉遥感监测技术的发展与前景北大核心

农田灌溉遥感监测旨在通过遥感技术监测灌区作物的灌溉面积和种植结构,来实施高效的灌溉用水管理,达到建设节水型农业和对灌区现代化管理的目的。科学客观地总结农田灌溉面积遥感提取相关的研究进展,能为开展该方面的研究提供一定的参考。通过系统全面的查阅国内外相关文献资料,总结当前研究所采用的原理与方法,具体操作过程,存在问题等,并对未来发展趋势进行了展望。值得肯定的是,目前已具有初步的理论和探索,对局部和区域农田灌溉面积的遥感提取具有了一定成效。不足之处在于,基于灌溉前后土壤水分和温度变化的原理与方法受降水影响大;地表实测数据收集困难;数据源单一,高"时空"分辨率数据少。在未来研究中,农田灌溉面积的多时相动态提取是趋势所在。还应注重以下几个方面:①提取原理和方法需进一步完善和补充;②注重多源数据和多种因素整合分析;③注重灌区基础资料库的建立和更新,注重大数据技术的应用。     

江西省农田灌溉水有效利用系数影响因素分析

为发展节水农业,制定农田节水政策,进一步提高农田灌溉水有效利用系数提供理论依据,对以江西省近几年2008-2013年农田灌溉水有效利用系数测算分析成果进行总结为对象。通过分析不同灌区规模、灌溉水源类型、土壤、管理水平、节水灌溉工程对灌溉水有效利用系数的影响,并且分析不同年份间农田灌溉水有效利用系数的变化规律。结果表明,灌区规模越大,农田灌溉水有效利用系数越小;提水灌区大于自流引水灌区;土壤渗漏强度大,农田灌溉水有效利用系数越低;灌区渠道防渗一定程度能提高农田灌溉水有效利用系数,但总体提高幅度不是很大;灌区管理机构比较完善,管理资金和农业水费落实到位,有助于提高农田灌溉水有效利用系数;2008-2013年间农田灌溉水有效利用系数呈逐年增长趋势,但后期增速缓于前期。     

区域农田灌溉用水量测算方法研究分析

农田灌溉用水是农业用水重要组成部分,区域灌溉水量数据是国家开展农田水利基本建设和用水调度管理的基础。灌区是农田灌溉的基础单元,因此需以灌区来开展区域农田灌溉用水统计。针对区域灌区数量多、受益范围大、水源众多等特点,对不同规模灌区分别提出了用水量计算方法及典型灌区选取要求,并根据灌区特点提出渠首计量点的设置思路。以浙江省为例,采用点面转化方法,基于不同规模的典型灌区测算全省灌溉用水量,为最严格水资源管理制度和水资源公报编制提供依据。     

咸阳市农田灌溉水有效利用系数测算与分析

农田灌溉水有效利用系数是衡量水的利用效率的一项重要指标。为了获得咸阳市农田灌溉水有效利用系数,利用首尾测算法来对咸阳市农田灌溉水有效利用系数进行了测算分析,即通过作物典型田块的每公顷平均净灌溉定额和典型田块的田块面积加权平均,确定片区的作物净灌溉定额,再利用整个灌区作物种植面积和净灌溉定额,确定灌区的年净灌溉用水量。分析了2016年咸阳市40个样点灌区的基本数据,计算出各类型灌区的农田灌溉水有效利用系数。计算表明:咸阳市大型灌区、中型灌区、小型灌区、井灌区农田灌溉水有效利用系数分别为:0.577 7、0.565 0、0.599 0、0.761 3,咸阳市的综合农田灌溉水有效利用系数为0.577 0。结果表明:咸阳市农田灌溉水有效利用系数有很大的提升潜力。提出了测算过程中存在的问题及解决办法,计算成果为提高农田灌溉水有效利用系数的提供了依据。     

基于NDVI时序数据的不同水源灌溉面积分类研究--以人民胜利渠灌区为例

灌溉面积是水土资源利用的重要指标,灌溉面积监测是灌区和农业水资源管理的基础。【目的】探索不同水源的灌溉面积的遥感分类方法。【方法】基于人民胜利渠灌区2017年的Landsat8卫星数据和2012年的MODIS卫星数据,提取了灌区NDVI时序数据曲线,分别采用监督分类和非监督分类方法对灌区不同水源的灌溉面积进行分类,并结合实地调查资料对分类结果进行验证。【结果】非监督分类方法并不适用于灌区尺度的灌溉水源分类;基于MODIS数据的分类效果较差,分类精度为57.14%;基于Landsat8数据的NDVI时序数据和监督分类的结果较好,分类精度达到73.58%。【结论】空间分辨率较高的NDVI时序数据可对灌区灌溉水源进行分类。     

基于MWatNet模型的河套灌区解放闸灌域灌溉水体提取

为提高灌溉农田中灌溉水体的识别精度,以河套灌区解放闸灌域作为研究区,基于Sentinel-2遥感影像,结合灌区实际情况对地表水体提取模型(WatNet)进行改进,得到MWatNet模型并提取灌溉水体。采用总体精度（Overall accuracy,OA）、平均交并比（Mean intersection over union,MIoU）、F1值等水体提取精度指标进行综合评价。结果表明：改进后的地表水体提取模型(MWatNet)在解放闸灌域农田灌溉水体的提取上具有较好的识别精度,模型总体精度达到96%,平均交并比达到83%,F1值为80%,实地调研验证准确度为85.7%;对比原WatNet、水体语义分割模型(Deeplabv3_plus)和水体提取模型(Deepwatermapv2),MWatNet在灌溉水体提取的连结性、剔除道路和城镇干扰等方面,均表现出更好的效果和模型运行效率。利用该模型可以实现灌溉水体定量化表征,为灌溉用水调度提供了数据支撑。     

基于遥感的宝鸡峡灌区作物面积信息提取

灌区中不同作物的种植面积是分配灌溉用水的重要依据,遥感方法不仅可以提取各作物种植面积,而且可以获取其空间分布情况。基于2009年Landsat5-TM影像,综合分析宝鸡峡灌区农作物种植特点和光谱特征,运用决策树分类法获取灌区各作物面积。并由地面实际调查数据和高分辨率影像对分类精度进行评价,各地物精度均达85%以上。结果表明该方法适合灌区的作物分类。     

基于无人机遥感数据的生态渠系信息提取

针对河套灌区引水灌溉中存在粗放型灌溉,且当地为提高产量,仅注重扩大种植面积的问题,提出了一种渠系信息精准提取的方法.基于无人机遥感图像,运用ENVI 5.1软件,对遥感图像进行预处理,对图像RGB3个通道分别进行拉伸显示,经组合以增强其对比度;运用面向对象法进行图像分割,用基于规则的分类方法,基于不同规则进行单独及组合分析,确定了“光谱平均值小于98、最小包围矩形长宽比处于其最小值与0.85之间、延长线大于1 m”的最优组合规则,提取了内蒙古河套灌区某部分生态渠系信息,对于生态渠道的识别精度达到毛沟级,并对提取结果进行了评价,其中组合辅助解译正确率达96.4%,为精准灌溉运行管理提供了较准确的渠系信息.     

泾惠渠灌区作物种植结构变化对灌溉需水量的影响

研究种植结构变化对灌区作物需水量和灌溉需水量的影响,能够为作物生育期的灌溉用水管理和农业水资源规划提供基础数据。依据泾惠渠灌区实测降水和蒸发蒸腾等气象数据,采用FAO推荐的Penman-Monteith公式和作物系数法计算灌区主要作物需水量;通过频率计算和配线法确定灌区丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)的有效降水量;根据1988—2014年Landsat卫星遥感影像提取的泾惠渠灌区不同历史时期农业种植结构数据,计算典型水文年份灌区总灌溉需水量,并分析作物需水量和灌溉需水量在不同典型水文年的年际和月际变化。结果表明,随着泾惠渠灌区农业种植结构的变化,灌区总的作物需水量和灌溉需水量都呈现显著下降趋势。但泾惠渠灌区在1988—2005年间,单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量都基本保持不变,随后均呈小幅下降趋势。各月份作物总需水量和总灌溉需水量除6月份之外,其余各月份都呈现显著下降趋势;但在此期间,灌区单位面积平均作物需水量和平均灌溉需水量除在4、8、9月份呈下降趋势,而6月份呈显著增加趋势外,其余各月份基本保持不变。灌区总的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由农作物种植面积大量减少所致,种植结构的变化对其影响较小,但灌区种植结构调整后的作物需水量状况更符合区域有效降水特点。     

河南省农田灌溉水有效利用系数测算分析

农田灌溉水有效利用系数是国家实行最严格水资源管理"三条红线"考核指标之一。综合考虑河南省地形地貌、土壤类型、灌区管理水平、水源类型及作物种植结构等因素,2015年从全省选取112处样点灌区,采用"首尾测算分析法"得到样点灌区灌溉水有效利用系数在0.412~0.873范围内;分析得到不同规模与类型灌区灌溉水有效利用系数平均值,即大型灌区0.479、中型灌区0.482、小型灌区0.559和纯井灌区0.709;按不同规模与类型灌区年毛灌溉用水量加权平均,推算出河南省现状农田灌溉水有效利用系数为0.601。上述测算成果为有关部门进行水资源管理及研究制定相关政策提供参考依据。     

无人机遥感技术在精量灌溉中应用的研究进展

以提高农业用水效率为目标的精量灌溉是未来农业灌溉的主要模式,精量灌溉的前提条件是对作物缺水的精准诊断和科学的灌溉决策。用于作物缺水诊断和灌溉决策定量指标的信息获取技术主要基于田间定点监测、地面车载移动监测及卫星遥感。无人机从根本上解决了卫星遥感由于时空分辨率低而导致的瞬时拓延、空间尺度转换、遥感参数与模型参数定量对应等技术难题,也克服了地面监测效率低、成本高、影响田间作业等问题。近几年的研究结果表明,无人机遥感系统可以高通量地获取多个地块的高时空分辨率图像,使精准分析农业气象条件、土壤条件、作物表型等参数的空间变异性及其相互关系成为可能,为大面积农田范围内快速感知作物缺水空间变异性提供了新手段,在精量灌溉技术应用中具有明显的优势和广阔的前景。无人机遥感系统已经应用在作物覆盖度、株高、倒伏面积、生物量、叶面积指数、冠层温度等农情信息的监测方面,但在作物缺水诊断和灌溉决策定量指标监测方面的研究才刚刚起步,目前主要集中在作物水分胁迫指数(CWSI)、作物系数、冠层结构相关指数、土壤含水率、叶黄素相关指数(PRI)等参数估算的研究,有些指标已经成功应用于监测多种作物的水分胁迫状况,但对于大多数作物和指标,模型的普适性还有待进一步研究。给出了无人机遥感在精准灌溉技术中应用的技术体系,并指出,为满足不同尺度的高效率监测和实现农业用水精准动态管理的需求,今后无人机遥感需要结合卫星遥感和地面监测系统,其中天空地一体化农业水信息监测网络优化布局方法与智能组网技术、多源信息时空融合与同化技术、作物缺水多指标综合诊断模型、农业灌溉大数据等将是未来重点研究内容。     

基于遥感技术的农田灌溉面积提取方法综述

近年来,农业干旱时有发生,准确、实时地监测农田灌溉面积对于干旱的预防、水资源利用的优化和水资源调控具有重要意义。传统的监测方法费时、费力,而遥感技术具有宏观、高效获取地物信息的优势,为快速、大面积提取农田灌溉面积提供了有效的技术手段。基于此,笔者详细介绍了蒸散发模型、光谱匹配、冠层温度以及光谱特征等四类国内外基于遥感技术的农田灌溉面积提取方法,并对其优势和不足进行了总结。     

宁夏青铜峡灌区主要农作物地面灌溉制度的分析研究

对宁夏青铜峡灌区春小麦、水稻的需水量开展试验研究;在总结群众高产灌溉经验的基础上,开展春小麦灌溉制度田间试验研究;在灌区推广应用水稻控制灌溉技术,并进行试验观测研究。在上述工作的基础上,分析总结出宁夏青铜峡灌区春小麦、水稻的需水量值和灌溉制度,分析结果为农田灌溉用水量计算和水利规划设计工作提供了依据。     

基于C#和ArcEngine技术的灌区需水量计算系统

为了及时准确获取灌区需水量数据,利用ArcEngine和C#作为开发平台和语言,结合GIS和RS的数据分析与影像处理功能,开发灌区需水量计算的应用系统。系统以遥感热红外波段反演的不同农作物土壤体积含水率与灌区的土地分类影像为依据,并根据不同作物的灌溉制度设置计算参数,经过系统运算可以快速得到灌区灌溉需水量的大小。通过对陕西泾惠渠灌区实例数据的计算结果分析表明,系统具有动态监测和实效性,为指导灌区进行水资源优化配置和精准灌溉提供重要的基础数据。     

基于无人机DEM的灌区渠系提取方法

大范围灌区渠系的制图对于现代节水灌溉技术以及合理配水、安全输水具有重要意义。但目前所获得的灌区遥感影像分辨率不高,渠系提取较难。本文以无人机航空摄影测量获得的数字高程模型(DEM)为基础,根据渠系特征,使用灌区坡度数据,采用改进的霍夫变换方法,实现了对灌区渠系网络的提取。与面向对象、监督分类方法和手绘结果进行对比,该方法提取的渠系连续、提取完整度可达85.61%。误差主要集中在无衬渠系中土壤沉积较多(坡度变化不明显)的位置以及相交渠系处理时保留渠堤位置而造成。该方法根据灌区地形特征,基于高精度高程数据进行渠系提取,是数字地形分析结合图像处理在精细农业中的一次有益探索。     

基于嵌入式的农田灌溉管网漏损智能无线监测系统设计

农田灌溉对于提高农作物产量具有重要作用,灌溉管网漏损实时在线监测对提升农田用水效率具有积极的现实意义。本文设计基于嵌入式的农田灌溉管网漏损智能监测系统,通过压电加速度传感器、压力变送器和超声波流量计等传感器信号采集,获取农田灌溉管网的振动噪声、水压和流量等数据,通过嵌入式单片机自适应滤波处理后,应用4G无线数据通信模块,将传感器采集的数据传输到云平台,云平台应用管理软件系统对灌溉管网监测数据进行实时处理和分析,从而准确确定灌溉管网漏损情况。试验结果表明,在非灌溉时间测试管网漏损状态,系统能够有效采集噪声、水压和流量等传感器数据,噪声数值超过预警值80 dB并进行报警。数据在无线网络中传输稳定高效,数据无线传输延时小于1.8 s。云平台应用管理软件系统功能正常,数据查询平均响应时间小于1.2 s。系统部署实施快捷,可广泛应用于农田灌溉管网运行状态实时监测,有效提高农田灌溉用水效率进而实现用水精细化管理。     

再生水灌溉水质安全性分析与评价研究

对北京市主要污水处理厂出水的再生水常规(农田灌溉水质标准涉及的)水质指标、持久性有毒有机污染物进行了监测,结合国外再生水灌溉作物类型、发达国家的水质标准进行分析,得出北京市再生水的水质指标符合相关标准,持久性有毒有机污染物的毒性较小,风险极低。应制定与完善适合我国国情的再生水灌溉水质标准、再生水灌溉技术规范、再生水农业利用区划导则、再生水灌区环境影响评价规程、再生水灌区工程管理规范等标准规范,实现再生水安全利用。     

变化环境下泾惠渠灌区净灌溉需水的响应

灌溉需水是科学制定灌溉计划和水资源规划的依据,气候变化和种植结构等变化环境是灌区灌溉需水变化的驱动因素。基于泾惠渠灌区4个气象站近30年逐日气象资料和作物种植面积资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算灌区主要作物需水量、净灌溉定额及灌区净灌溉需水量,分析气候变化和种植结构调整对灌区净灌溉需水量的影响,采用多元线性回归法研究灌溉需水量变化的主要因子。结果表明:气候变化使灌区降雨呈减少趋势,ET0呈增加趋势,导致主要作物净灌溉定额呈增加趋势;种植结构的调整,减少了粮食作物和棉花的种植面积,增加了其他经济作物的种植面积,使灌区净灌溉需水量呈减少趋势;在总种植面积下降、种植结构调整和气候变化的综合作用下,灌区净灌溉需水量呈小幅度的增加趋势;影响净灌溉需水量变化的主要因子是ET0和种植面积;除1996和2003年湿润年份外,各年净灌溉需水量比实际灌溉水量大,灌区存在缺水。未来应进一步调整种植结构,以适应气候变化,缓解灌区水资源供需矛盾。     

遥感监测土壤水分研究进展

土壤水分是作物旱情诊断及灌溉管理的基础参数,监测土壤水分对于提高水分利用效率和效益具有重要意义。传统的土壤水分监测手段由于采样点的限制,难以经济、快速地获取大范围区域土壤水分。遥感技术可以频繁和持久地获取地表特征的面状信息,为快速经济地获取区域土壤水分提供了可能。根据遥感数据波段不同,从可见光-近红外遥感、热红外遥感、微波遥感和高光谱遥感4个方面概述了目前比较成熟和应用广泛的土壤水分遥感反演方法及相应的估算模型。对各种方法的优缺点和适用范围进行了总结,指出了遥感反演土壤水分方法与模型存在的不足,展望了遥感反演土壤水分的发展趋势。     

基于VSWI和TVDI差异的河套灌区沈乌灌域耕地灌溉面积遥感监测

【目的】尝试利用遥感数据实现对河套灌区沈乌灌域灌溉面积的提取,为沈乌灌域现代化管理提供理论依据。【方法】利用Landsat-8数据对研究区域的植被供水指数VSWI、温度干旱指数TVDI进行反演,根据实测数据,构建基于VSWI和TVDI差异的灌溉面积监测模型,对沈乌灌域的灌溉面积进行遥感提取。【结果】2种模型具有较高的一致性,基于VSWI和TVDI的灌溉面积监测模型反演精度分别为85.3%和89.7%。【结论】证明了2种监测模型的可行性,同时发现基于TVDI差异的灌溉面积监测模型精度高于基于VSWI差异的灌溉面积监测模型。