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。     

华北小麦-玉米轮作净灌溉需水量变化趋势——以大兴区为例

【目的】开展不同时间序列华北小麦-玉米轮作净灌溉需水量变化趋势研究,为未来农业用水规划提供决策参考。【方法】采用Mann-Kendall非参数检验法分析了近60 a(1961―2017年)与近30 a(1988―2017年)小麦-玉米轮作的作物需水量、有效降水量、净灌溉需水量的变化趋势。【结果】不同时间序列小麦-玉米轮作的作物需水量、有效降水量及净灌溉需水量的变化趋势存在较大差异,1961―2017年小麦-玉米轮作作物需水量与有效降水量整体呈显著增加趋势,变化倾向率分别为5.3、7.8 mm/10 a;而净灌溉需水量呈不显著减少趋势,变化倾向率为-2.5 mm/10 a。1988―2017年小麦-玉米轮作作物需水量整体呈显著增加趋势,变化倾向率为11.0 mm/10 a;有效降水量整体呈显著减少趋势,变化倾向率为-7.3 mm/10 a;净灌溉需水量整体呈显著增加趋势,变化倾向率为18.3 mm/10 a。【结论】1961―2017年小麦-玉米轮作的净灌溉需水量减少,主要是平均风速与日照时间减少所致;而1988―2017年小麦-玉米轮作净灌溉需水量增加,主要是气温升高与相对湿度减少所致,且序列越短其变化趋势越显著。因而在进行灌溉用水规划时,合理选择序列长度尤为重要。     

基于MODIS-EVI的内蒙古沿黄平原区作物种植结构分析

【目的】获取内蒙古沿黄平原区农业资源信息,提高大区域中低分辨率遥感影像上作物种植结构分类的效率和精度。【方法】利用多时相作物分类方法在内蒙古沿黄平原区构建增强型植被指数(EVI)时间序列曲线,依据不同农作物EVI时间序列曲线的差异对6种主要农作物小麦、玉米、葵花、西葫芦、番茄和苜蓿的种植结构进行了分析。【结果】小麦、玉米、葵花、西葫芦、番茄、苜蓿和其他作物的用户精度分别为:79.59%、80%、83.67%、78.18%、75.93%、82.22%、68.75%,制图精度分别为78%、80%、82%、86%、82%、74%、66%,农作物总体分类精度达到78.29%,Kappa系数为0.747。经统计沿黄灌区种植的玉米实地统计面积合计为7912.17 km²,文中提取出的面积为7412.75 km²,相对误差为6.31%。【结论】通过对MODIS-EVI时间序列的分析可以较为准确地识别大尺度测区内的主要作物,该方法能够在大区域中低分辨率影像上实现较好的分类结果。     

基于Sentinel-2破碎化地块灌区作物种植结构的提取

【目的】探究基于Sentinel-2遥感影像的决策树分类模型提取破碎化地块灌区作物种植结构的适用性。【方法】选取新疆阿拉沟灌区为研究区,以2021年覆盖作物全生育期的Sentinel-2遥感影像为数据源,结合田间调查和Google高清影像目视解译采样,基于主要作物物候信息、NDVI时序特征等分析确定作物识别的关键期阈值,构建决策树模型进行灌区主要作物分类,并对分类结果精度验证。【结果】基于Sentinel-2提取的灌区种植结构分布图地块纹理清晰,能够满足灌区用水管理需要;构建的决策树分类模型可在灌区尺度实现作物分类,方法简便易行,总体精度达到81.56%,Kappa系数为0.716 6。【结论】采用Sentinel-2遥感影像和决策树分类方法识别破碎化地块灌区复杂作物分类是可行的,可为灌区输配水决策和农业用水精细化管理提供基础信息。     

基于GF-1/WFV与MODIS时空融合的森林覆盖定量提取

森林作为陆地生态系统的重要组成部分,因其巨大的碳储量和固碳能力而备受关注,利用高分1号卫星的NDVI数据(GF-1 NDVI)可实现森林覆盖的定量提取。然而,由于受阴雨天气、运行成本等因素的影响,难以形成GF-1 NDVI时间序列数据,无法满足森林覆盖高精度提取的需求,为此,以河南省嵩山部分地区为实验区,应用STAVFM算法融合GF-1/WFV NDVI与MODIS NDVI,生成8 d步长的GF-1/WFV NDVI时间序列数据,在此基础上,提取NDVI特征并与GF-1/WFV的光谱特征进行组合,最后,采用SVM分类方法实现研究区森林覆盖的定量提取。研究结果表明,利用STAVFM算法生成的GF-1/WFV NDVI时序数据效果理想,很好地解决了GF-1 NDVI时序数据的缺失问题,由其NDVI特征与GF-1/WFV光谱特征构成的组合能够实现森林覆盖的有效提取,基于SVM分类后的总体分类精度为94.72%,与未融入NDVI特征的GF-1/WFV原始影像的分类结果相比,提高了4.90个百分点。     

基于SEBS模型的岔口小流域蒸散量特征及影响因子研究

【目的】确定黄土丘陵沟壑区地表蒸散量及其影响因素,为岔口流域的干旱监测和水资源管理提供数据支持,并为大面积获取黄土丘陵沟壑区的蒸散量情况提供一定理论依据。【方法】基于SEBS模型,以永和县岔口流域为例,运用遥感方法,结合气象资料,对作物生长期4―10月遥感影像进行处理,估算出岔口流域的日蒸散量,分析了蒸散的分布规律,并对蒸散量与气候、地表温度、NDVI、地形参数等的关系进行了分析。【结果】遥感反演得到4月21日、6月8日、7月26日、8月27日、9月12日的流域平均日蒸散量分别为3.34、5.22、5.49、4.22和3.76 mm,反演蒸散量与Penman-Monteith公式计算流域参考作物蒸散量的平均相对误差为5.57%;流域土地利用类型的蒸散量均值排序为:林地草地耕地园地水域居民点;时间序列上,蒸散量呈单峰型分布,7月蒸散量最高,且日蒸散量的变化与气温、地表温度呈较好的正相关,与NDVI间的关系表现不明显;空间尺度上蒸散量空间分布为:西北地区东南地区中部地区,且蒸散量分布与地表温度负相关关系,与NDVI之间有较好的正相关关系,与地形参数之间的相关关系不明确。【结论】基于SEBS模型对黄土丘陵沟壑区蒸散量的遥感反演具有较高的精度,影响日蒸散量变化的主要影响因素为气温和地表温度,而地表温度和NDVI则是影响岔口流域蒸散量空间分布主要因子。     

河南省冬小麦种植面积遥感监测及其时空特征研究

【目的】准确实现河南省冬小麦种植面积的遥感提取,并探索河南省冬小麦种植面积的变化过程。【方法】将遥感监测与统计数据结合,以多时相MODIS遥感影像作为数据源,分析制定了冬小麦信息的提取规则,利用统计数据辅助确定规则中的阈值选取,以减少阈值选取的主观性,提取出河南省2004—2013年冬小麦种植面积,并分析了河南省2004—2013年冬小麦种植面积的时空变化。【结果】遥感监测结果与各地市统计值具有较高的相关性(R2=0.938 5),在平原地区具有较高的精度,监测精度为89.5%,而在受到地形等因素影响的地区,冬小麦种植面积的分布相对破碎,监测精度具有较大误差,个别地区甚至不足50%。从空间上看,河南省冬小麦种植面积的空间分布总体较为集中,主要分布在河南中东部的黄河平原和淮河平原地区和豫西南的南阳盆地地区。从时间上看,河南省冬小麦种植区域总体变化较小,种植年份较为稳定的区域主要分布于豫东平原地区,累积种植年数显著增加地区主要分布于南阳盆地地区,累积种植年数显著减少地区的分布较为分散,无明显的分布趋势。【结论】基于遥感和统计数据相结合的方法可准确监测平原区冬小麦种植面积,河南省冬小麦种植面积的时空变化均较为稳定,为保障我国粮食安全发挥着重要作用。     

区域灌溉需水量时空变化特征及其影响因素研究 ——以鲁西北地区为例

[目的]探寻鲁西北地区灌溉需水量时空分布特征及影响因素.[方法]选取冬小麦为研究对象,利用Penman-Monteith公式对鲁西北地区灌溉需水量进行计算,应用Mann-Kendall突变检验法分析其变化趋势,得出鲁西北地区灌溉需水量的时间分布规律,使用反距离权重插值法得出灌溉需水量空间分布规律,并利用Pearson相...     

开都河流域农业灌溉区地下水化学时空分布特征研究

【目的】研究开都河流域农业灌溉区地下水化学时空分布规律及其影响因素。【方法】采用描述性统计、空间插值、Piper三线图示法和Gibbs图示法,基于2016年1月(冬季)、3月(春季)、7月(夏季)和9月(秋季)的4次开都河流域农业灌溉区地下水样品的采集及水化学主要参数的分析测试,开展了开都河流域农业灌区地下水化学特征方面的研究。【结果】①开都河流域农业灌溉区地下水整体水质良好,矿化度较低,地下水中主要离子为HCO3-、Na+、Ca2+、SO42-,溶解性固体总量(TDS)冬季高夏季低;地下水埋深与TDS变化具有一定的程度的关联性,灌溉季节地下水埋深变浅、水体TDS相对降低;②研究区地下水阳离子中Na+和Ca2+时空分布特征差异性较为明显,阴离子中SO42-时空分布差异较为明显;③研究区地下水主要水化学类型为HCO3--SO42--Na+-Ca2+型,水化学类型季节性差异较小;④地下水离子组成主要受岩石风化作用控制,在春季、夏季和秋季的绿洲区与滨湖区的地下水化学离子组成受人为干扰较明显,灌溉力度较小的区域和非灌溉季节的地下水受人为干扰较小。【结论】灌区在农作物灌溉季节应适当合理开采地下水并加强对地下水水质的监管工作。     

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。     

石羊河流域小麦净灌溉需水量全局敏感性分析

为了研究小麦净灌溉需水量对气象要素的敏感性,采用Penman-Monteith公式结合单作物系数法计算了石羊河流域小麦的净灌溉需水量;基于泰勒展开式推导了小麦净灌溉需水量对6个关键气象要素的全局敏感性公式,并结合敏感性分析结果对敏感度空间分布规律进行了对比分析。结果表明,小麦净灌溉需水量对有效降雨最敏感,其次为水汽压、太阳辐射、风速,对最高气温和最低气温敏感性最小。在空间分布上,受气候和地形条件的影响,流域内各区域小麦净灌溉需水量对气象要素的敏感性存在差异,除风速外上游气象要素的敏感性均大于中下游,上游对有效降雨的敏感性大于对ET0的敏感性,下游则相反。     

基于灰色神经网络与模糊控制的寒地水稻灌溉制度

【目的】精确判断寒地水稻的灌溉水量并建立适当的灌溉管理方式,保证作物正常生长需求,起到节水效果。【方法】根据寒地水稻特殊的生长环境和作物各生育期需水量,设计了基于灰色神经网络与模糊控制的寒地水稻灌溉制度,该智能灌溉制度通过建立微型气象站监测、传输稻田环境数据,并通过灰色神经网络预测理论预测出作物灌溉需水量和灌溉制度影响因子;以预测作物灌水量和作物最佳灌水量的差值及差值变化率作为模糊控制器的输入,灌溉时间长度为输出,驱动电磁阀,达到适时适量灌溉的目的。【结果】MATLAB仿真结果表明,该灌溉控制方式比传统控制方式响应速度快、超调量小、控制效果好。在东北农业大学水稻试验田的试验结果表明该灌溉控制制度的节水率为11.59%,水稻产量和结实率也有所提高;在黑龙江省建三江农场的田间试验表明该灌溉制度的节水率高达13.54%。【结论】该灌溉制度与传统控制方式相比具有很好的节水效果,能对作物各生育期灌溉需水量进行综合判断和管理,对提高水资源利用率、降低农业生产成本、实现精细农业有重要意义。     

基于多光谱卫星模拟波段反射率的冬小麦水分状况评估

为及时掌握作物水分利用状况、评估作物水分亏缺和提高作物水分利用效率,在2012—2016年期间进行了不同水分处理的冬小麦田间试验,获取了冬小麦主要生育期冠层光谱和叶片含水量等数据。利用冬小麦冠层光谱以及Quickbird、IKONOS、GF-2、GF-1、Landsat8、HJ-1A/B、GF-4和MODIS卫星传感器光谱响应函数模拟卫星多波段反射率,参照归一化植被指数(Normalized vegetation index, NDVI)、比值植被指数(Ratio vegetation index, RVI)和差值植被指数(Difference vegetation index, DVI)的形式,将各卫星波段反射率两两组合,系统分析构建的植被指数与叶片含水量的相关性,探讨不同空间分辨率(2.44、4、8、30、50、250m)波段组合及植被指数对作物水分状况和灌溉活动的响应能力。结果表明,NDVI、RVI和DVI 3种指数对作物水分敏感区域的分布类似;8个卫星的近红外波段与叶片含水量的相关系数为正,其余几个波段与叶片含水量的相关系数为负;NDVI(GF-1绿波段,GF-2绿波段)、RVI(GF-1绿波段,GF-2绿波段)和DVI(GF-2蓝波段,GF-4蓝波段)与叶片含水量相关性较好,决定系数R2分别为0.776、0.774和0.886,以DVI形式构建的植被指数对叶片含水量的估算效果最好。本研究可为区域作物水分状况评估以及作物灌溉活动监测提供技术和方法支持。     

基于遥感的沙壕渠控制区作物种植结构与空间分布研究

河套灌区作物种植分类是在河套灌区进行灌溉农业研究的基础,但是仅利用遥感影像提取作物种植结构及种植面积时其精度远远不够,往往难以满足农业遥感在应用上的需求。通常多利用多元影像融合、多时相遥感影像以及遥感影像结合地面采样点来进行作物分类,以提高分类精度。本文以河套灌区内部的沙壕渠控制区为试验区,采用TM遥感影像,以实际地面采样点作为感兴趣区创建训练样本,利用最大似然法进行分类,成功提取了小麦、玉米、葵花及其他作物的种植结构及种植面积,分类总体精度达到了85.87%,Kappa系数为0.769 6。     

西藏拉萨河谷灌溉供需水分析

以拉萨河下游河谷地区为研究对象,依据1989-2010年拉萨、墨竹工卡气象站气象资料和Landsat卫星遥感影像提取的主要作物(青稞、冬小麦及油菜)种植面积,计算不同典型年份研究区总灌溉需水量;结合拉萨水文站1989-2010年径流序列资料,分析区域灌溉用水的供需平衡.结果表明:拉萨河谷地区的种植模式以粮食作物为主,河谷区种植面积在1990-2010年间增长约8%,作物种植结构没有发生显著性的变化.农作物种植面积的增加引致灌溉需水量大幅度增加,2010年的灌溉需水量达到16亿m³,比1990年增长约35%,青稞为灌溉需求最大的作物.河流径流量及灌溉用水需求的季节性变化存在差异,每年4-6月灌溉供需关系较为紧张,灌溉量占径流量近10%~20%,每年12月至次年4月正值河流枯水季,尽管该期间灌溉需水量较低,但对水资源造成的压力也是不容忽视的.拉萨河谷地区水资源供需关系较为紧张.     

基于时空数据融合的县域水稻种植面积提取

受云雨天气和卫星自身回访周期的影响,县域尺度水稻种植面积的提取往往难以获取完整时间序列的高空间分辨率影像,利用单一MODIS数据导致提取精度不高。针对上述问题以河南省优良水稻种植区原阳县为例,采用增强型自适应反射率时空融合模型(Enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM),融合中高分辨率的Landsat数据和高时间分辨率的MODIS数据,获取完整时间序列的归一化植被指数（Normalized difference vegetation index,NDVI）数据,经过TIMESAT滤波平滑处理后,利用研究区内水稻与其他地物的时序NDVI曲线,设置合理的NDVI阈值,采用决策树分类的方法提取水稻种植面积。结果显示,总体分类精度为92.23%,Kappa系数为0.9043。提取的水稻制图精度为96.73%,用户精度为93.51%,说明ESTARFM模型能很好地融合出高空间分辨率影像,解决数据缺失问题,可为县域尺度水稻种植面积提取提供参考。     

气候变化对黑河流域典型作物灌溉需水量的影响

为研究气候变化对作物灌溉需水量的影响,在假定未来气温上升0.5~4℃,降水增加10%~30%的条件下,研究了黑河流域主要作物在不同种植条件下的作物需水量及灌溉需水量的变化。结果表明,生长期内气温每升高1℃,区域内小麦净作、玉米净作和小麦与玉米间作方式下作物需水量将分别增加3.1%(15.5 mm)、2.8%(18.5 mm)和3.0%(25.6 mm),黑河流域中游每年将增加灌溉量0.15×108m3,相当于国家给黑河干流区分水量的2.4%;降水每增加10%,灌溉需水量将分别减少1.9%(7.8 mm)2、.3%(12.4 mm)和1.8%(12.8 mm)。     

石羊河流域春小麦灌溉需水量时空分布研究

根据石羊河流域1960-2004年的气象资料,利用FAO的CROPWAT模型计算石羊河流域春小麦生育期多年平均蒸发蒸腾量、有效降水量和灌溉需水量;利用GIS建立流域空间和属性数据库,分析春小麦灌溉需水量空间分布规律。结果显示,春小麦蒸发蒸腾量、灌溉需水量空间分布趋势为从北往南逐渐降低,生育期降水量由北到南逐渐增大,其中春小麦多年平均蒸发蒸腾量为353.55~452.60 mm,生育期有效降水量为45.13~168.16 mm,雨养条件下石羊河流域春小麦产量减幅为27.90%~65.30%。因此,为保证春小麦产量需进行补充灌溉。利用CROPWAT模型计算,石羊河流域春小麦多年平均灌溉需水量为202.79~407.47 mm。     

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。     

不同滴灌灌溉制度对绿洲棉田土壤水热分布及产量的影响

【目的】探究不同滴灌灌溉制度对绿洲棉田土壤水热分布状况及对产量的影响。【方法】于2017年在策勒地区开展田间试验,设置了2种灌水模式:基于计算机模型的预报灌溉与基于土壤墒情的灌溉,每种灌水模式设置2种灌溉梯度:充分灌溉(100%)和非充分灌溉(75%的充分灌溉)。【结果】预报灌溉的土壤含水率和贮水量在花蕾与花铃期显著高于墒情灌溉;不同灌溉制度各剖面的土壤温度变化趋势一致,整个生育期的表层土壤平均温度表现为墒情亏缺最高,预报充分最低。作物产量在一定范围内随灌溉量的增加而增加,预报充分的产量较预报亏缺,墒情充分,墒情亏缺分别提高13.7%、12.1%、47.6%。水分利用效率表现为预报亏缺最高,且产量与预报充分的产量无显著差异。【结论】在策勒绿洲地区,预报亏缺灌溉可达到节水增产的目的。