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SEBAL模型和环境卫星的区域蒸散发量及灌溉水利用系数估算研究

【目的】探索基于遥感技术建立准确快捷评估区域蒸散发量和灌溉水利用系数的方法。【方法】以河套灌区义长灌域为研究区,基于SEBAL(Surface Energy Balance Algorithm for Land)模型和较高时空分辨率的环境卫星影像,建立了SEBAL遥感蒸散发估算模型,并与降水量、灌水量和地下水位数据结合,计算了研究区的灌溉水利用系数。【结果】SEBAL模型反演的作物蒸散发量的平均绝对误差在5%以内;2013—2017年研究区灌溉水利用系数在0.427～0.572之间,平均值0.492,高于河套灌区的平均水平。人民支渠区的灌溉水利用系数在0.447～0.688之间,均值为0.516。研究区地下水补给量均值为52.13 mm,约占灌水量的3%～7%,忽略地下水补给量会对灌溉水利用系数准确计算带来0.03～0.08的误差。【结论】基于SEBAL遥感蒸散发模型快速测算了灌溉水利用系数,计算结果具有较好的精度和可信度。模型尺度差异性较小,在不同空间尺度的适用性较好。     

基于地统计分析的河套灌区地下水埋深与矿化度时空变异规律研究

【目的】研究河套灌区地下水埋深和矿化度的时空变异规律。【方法】以内蒙古河套灌区为研究区域,应用地统计学方法和ArcGIS等工具分别研究了1998—2017年灌区地下水埋深和矿化度的时空变异性和空间分布及其影响因素。【结果】①从1998—2017年灌区地下水埋深及其空间变异性逐渐增大,地下水矿化度及其空间变异性先增大后减小。地下水埋深和矿化度的块金系数均较小,表明其主要影响因素为灌区的环境。地下水矿化度块金系数逐渐增大,空间结构性变差,受人为因素影响造成的随机变异性增强。地下水埋深及矿化度的空间自相关性距离逐渐增大,空间连续性逐渐增强;②灌区西南部沿黄河附近地下水埋深相对较浅,基本在2 m以下;西北部和东北部沿狼山山前地下水埋深相对较深,部分区域埋深可达10 m以上,机电井的分布与地下水埋深高值区域的分布相似。矿化度较高的区域分布在灌区西北部和东南部地区,西南及中部局部地区地下水矿化度较低;③丰水年大量的降雨对灌区整体地下水的补给作用,使得丰水年地下水埋深较浅,地下水得到淡化使其矿化度减小。【结论】地下水矿化度较高的区域地下水埋深相对较小,地下水矿化度较低的区域地下水埋深相对较大。     

基于MODIS数据的土壤水分空间变异规律

以沧州地区为例,利用MODIS数据计算得到植被供水指数,分析构建植被供水指数与实测土壤含水率之间的相关模型,进而反演得到整个沧州地区的墒情状况,以此为基础运用经典统计学和地统计学理论,研究3种尺度下土壤含水率的空间变异性,确定各尺度下土壤水分监测点的合理采样数目。结果表明,小尺度下(采样间距250m)土壤水分具有较强的空间相关性,而大尺度(采样间距4 000m)和中尺度(采样间距1 000m)的土壤水分均呈中等的空间相关性;随着研究尺度的增大,土壤含水率的空间相关性减弱,由随机因素引起的空间变异性逐渐增强;根据空间变异规律,分别得到置信度为0.10、0.05情况下不同尺度的土壤水分监测点的合理采样数目,并发现采用数目随研究尺度的增大而增加。     

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。     

胶东丘陵区典型果园土壤水分蒸发空间变异性分析

利用微型蒸渗仪测量了烟台农科院苹果园内81个点处土壤6 d内的水分蒸发量,应用经典统计学和地统计学对土壤水分蒸发变异特性进行了分析。结果表明,该阶段内土壤水分蒸发量平均值为5.77 mm,最大值与最小值分别为10.45 mm和1.70 mm,变异系数Cv为0.324,属于中等变异强度;土壤水分蒸发空间变异符合球状模型,变程α为28.83 m,块金值与基台值之比为50.39%,属于中等空间相关性。     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

南方农田土壤容重空间变异性及其尺度效应

以南方典型农田作物生长地为试验区,利用经典统计与地统计学方法,分析研究了选定区域不同深度土层(0~10,10~20 cm)土壤容重的空间异质性及其尺度效应,并对试验区农田土壤容重进行空间插值估算.结果表明农田土壤容重变异系数较小,为弱变异.半方差函数分析表明土壤容重的块基比小于10%,田间土壤容重由空间自相关部分引起的异质性程度很大.在尺度效应研究中,随着采样幅度增大,变异系数呈先减小后增大趋势;通过调整采样点位置"再采样"发现,当采样间距增大时,土壤容重变异系数变化幅度很小(6.32%~7.92%),而相关距离却减小.说明当采样幅度一定时,采样间距对土壤容重变异系数的影响很小.通过空间插值估算,绘制等值线图发现两层土壤容重也具有相关联的空间分布规律,且呈显著正相关关系,相关系数为0.76.此外,土壤容重空间变异受人为活动影响程度大.     

河套灌区春小麦适宜秋浇模式的模拟研究

【目的】在河套灌区尺度探讨相对适宜的秋浇模式有利于保证作物正常生长和节省引黄灌溉水量。【方法】基于已构建并率定验证后的分布式SWAP-WOFOST模型,在灌区尺度上模拟分析2000—2010年春小麦适宜的秋浇模式。【结果】以提高春小麦水分生产力(WP)为目标所得到的推荐秋浇模式,灌区5个旗县区的秋浇定额均较基本情景有所减少,且秋浇的时间均建议提前至每年的9月30日。灌区春小麦的多年平均产量较基本情景增大约6.47%,多年平均WP提高约6.32%。【结论】基于数值模拟所得到的灌区春小麦种植条件下相对适宜的秋浇模式为内蒙古河套灌区维持粮油生产稳定的同时进一步节省灌溉水资源提供了一定参考。     

基于遥感蒸散发模型的净灌溉水量测算空间尺度研究

【目的】农业用水总量和灌溉水有效利用系数是最严格水资源管理考核总量红线和效率红线控制的重要指标。目前遥感蒸散发模型在珠江片区域蒸散发量估算和净灌溉水量评估的应用度不高,对其空间适用尺度缺乏研究。【方法】以广西区为例,通过试验观测-遥感解译等技术计算不同空间尺度遥感蒸散发量,并与相应尺度直接量测的净灌溉水量建立线性相关关系,根据相关系数,得出误差最小的空间尺度,从而建立一套更准确、快速、有效的最优空间尺度下,根据遥感蒸散发量进行区域净灌溉水量估算的方法。【结果】在较大的广西区、片区尺度,净灌溉用水量和遥感蒸散发量之间存在明显的线性相关关系,相关系数在0.8以上;对比广西区和桂中片区净灌溉用水量实测结果与遥感估算结果,误差均在0.5%以内。【结论】在片区和广西区等较大尺度,遥感测算结果的可信度较高,遥感蒸散发模型适用性较强,其估算结果可为最严格水资源管理考核和农业水资源科学管理提供科学支撑。     

基于SOC710VP高光谱成像仪的冬小麦土壤含水率反演模型研究

【目的】实现小麦农田土壤含水率大面积快速监测。【方法】以冬小麦冠层高光谱数据为基础,计算得到8种植被指数,通过对关键生育时期(拔节期、抽穗期、灌浆期)不同水分处理下冬小麦不同土层(0～20、20～40、40～60 cm)土壤含水率与植被指数拟合状况进行分析和筛选,分别构建了基于植被指数的不同土层土壤含水率反演模型,并对模型进行检验。【结果】①各时期植被指数拟合效果有所差异,拔节期0～20 cm土层以植被指数VOG1拟合效果较好,相关系数为0.88,20～40 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.75,40～60 cm土层以植被指数VOG3拟合效果较好,相关系数为0.59;抽穗期0～20 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.70,20～40 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.72,40～60 cm土层以植被指数mSR705拟合效果较好,相关系数为0.57;灌浆期0～20 cm土层以植被指数mNDVI705拟合效果较好,相关系数为0.88,20～40 cm土层以植被指数SARVI拟合效果较好,相关系数为0.68,40～60 cm土层以植被指数SARVI拟合效果较好,相关系数为0.71;②各土层土壤含水率与植被指数拟合效果有所差异,其中利用VOG1和mNDVI705组合构建的模型反演0～20 cm土层,决定系数R2为0.743,利用mNDVI705和SARVI组合构建的模型反演20～40 cm土层,决定系数R2为0.707,利用VOG3、mSR705和SARVI组合构建的模型反演40～60 cm土层,决定系数R2为0.484;③通过建立植被指数对土壤含水率的反演模型,0～20 cm土层含水率反演效果好于20～40 cm和40～60 cm。【结论】高光谱植被指数反演模型中,以0～20 cm土层的估算模型最佳,植被指数组合为VOG1和mNDVI705。综上可知,该研究方法进行土壤含水率的反演是可行的。     

黑土区农田尺度田间持水率的空间变异性研究

[目的]探究黑土区农田田间持水率的空间变异性机制.[方法]利用传统统计学和多重分形方法量化了田间持水率的空间变异强度,分析了造成田间持水率空间变异性的局部信息;利用联合多重分形方法确定了田间持水率与土壤基本物理特性在多尺度上的相关性.[结果]研究区域田间持水率具有多重分形特征,随土层深度增加,田间持水率的空间变异程度先...     

基于混合象元分解的Landsat8与MODIS数据融合反演土壤墒情方法研究

【目的】及时准确地获取灌区土壤墒情信息。【方法】以河南省焦作市广利灌区为研究对象,利用Landsat8及MODIS遥感数据分别以表观热惯量及植被供水指数法反演土壤墒情,以混合象元分解的植被和土壤的丰度作为权重因子,对2种方法反演的土壤墒情进行了融合计算。【结果】利用植被供水指数法和表观热惯量反演的土壤含水率与实测含水率相关系数分别为0.47和0.51,同时将2种方法相结合得到的反演结果精度更高,实测含水率与计算的土壤含水率相关系数达到0.73。【结论】融合方法可以更好地计算灌区非均匀覆盖区的土壤墒情。     

豫北砂质壤土地区不同尺度农田土壤含水率空间变异性研究

【目的】揭示豫北地区农田0～1 m土层土壤含水率空间分布与变异状况。【方法】在中国农业科学院新乡综合试验基地玉米田选取一个50 m×50 m的区域,然后在其内部选取10 m×10 m、2 m×2 m的区域,共形成3种采样尺度,分别标记为L、M、S尺度,并于2016年8月和9月,在各尺度内分别等间距选取36个取样点。基于地统计学理论,对0～1 m土层土壤平均含水率进行分析。【结果】各尺度土壤含水率正态分布置信水平高于对数正态分布,尺度越大,土壤含水率分布属于正态分布置信水平越低;对于土壤含水率均值,L尺度与M尺度差异较大,M尺度与S尺度差异较小;总体上,土壤含水率的置信区间、标准差以及变异系数均随尺度的减小而减小;L尺度内变异函数值总体上随着滞后距的增大而增大,而M尺度和S尺度变异函数值没有明显的变化趋势,相对比较稳定;总体上相同置信水平与估算精度条件下,估算样本均值所需的样本数量随尺度的减小而减小;与置信水平相比,估算精度对合理取样数量的影响大。【结论】不同尺度土壤含水率的概率分布与大部分统计特征值均会随着尺度的变化而产生有规律的变化,尺度越大,土壤含水率分布越偏离正态分布,其空间变异性也越强。     

基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法

【目的】准确获取区域土壤墒情,有效提升农业用水管理水平,支撑现代农业发展。【方法】基于经典统计学和地统计学方法,以土壤最大有效持水率为关键参数,构建土壤墒情监测点的优化布设方法,并以北京市大兴区冬小麦田为例进行验证。【结果】试验区土壤最大有效持水率在土层深度为0～20、20～40、40～60、60～80 cm以及0～40、0～80 cm的均值都表现为中等程度变异;0～40、0～80 cm土层深度的空间区域合理监测数分别为6个和4个,且确定了监测点的位置坐标;优化布设点监测值与全区域61个监测点实测平均土壤墒情相比,误差均在10%以内。【结论】基于最大有效持水率的区域土壤墒情监测点布设方法能够在保证区域土壤墒情监测精度的情况下,大幅减少监测点布设数量。     

基于溴离子示踪的干旱地区潜水蒸发规律研究

【目的】定量研究干旱地区潜水蒸发规律。【方法】以河套灌区义长灌域为研究区,采用人工示踪剂溴离子示踪法研究了盐荒地潜水蒸发规律,通过获取试验期间研究区内6个试验点不同土层深度土壤溴离子质量浓度、含水率、含盐量数据,分别利用化学示踪法、水均衡法及经验公式法计算了潜水蒸发量,对比了3种方法的结果及适用性并分析了潜水蒸发量与不同土质、不同土壤含盐量的关系。【结果】利用溴示踪方法得到研究区7月6日—8月18日潜水蒸发总量为35.20 mm,平均潜水蒸发系数为0.28;水均衡法所得结果为32.29 mm,与示踪法所得结果的相关系数达到0.96;由于研究区域土壤异质性强,且干旱区水文地质资料较为匮乏,经验公式法参数获取难,水均衡法所需实测资料多,在研究区适用性不高。而溴示踪法操作简单、经济实用,适用性强,较其他2种方法更为可靠。研究区潜水蒸发量随黏粒质量分数的增加而不断减小,二者之间的相关系数达到了0.80,尤其当土壤中存在黏土夹层时,将降低潜水蒸发速率。【结论】研究区土壤含盐量的变化量随潜水蒸发量增加而不断增加,表明盐荒地强烈的蒸发作用是造成耕地与荒地水盐交换的驱动力,直接影响灌区的水循环过程。     

引黄灌区合理补偿农业成本水价对策研究

合理补偿农业成本水价是提高灌区经济收入、保证灌区实现良性运行、促进灌区可持续发展的根本,对于保障国家粮食生产安全,推动农业的可持续发展具有非常重要的现实意义。选择河南省人民胜利渠引黄灌区为试点,开展合理补偿农业成本水价综合对策和措施研究。对人民胜利渠灌区农业水价的成本构成和水费征收方式进行了研究,分析了水费征收中存在的主要问题,在此基础上,提出了合理补偿农业成本水价的综合对策与措施。研究成果对于合理计算农业成本水价、保证灌区正常运行、进一步提高引黄灌溉的社会经济效益具有一定的参考价值。     

基于电磁感应数据的电导率反演模型研究

【目的】土壤盐渍化是限制新疆南部棉花高产的主要因子,准确获取区域尺度土壤剖面盐分信息。【方法】以南疆阿拉尔垦区为研究区,以田间尺度采集的30个不同盐渍化程度棉田的540个样点的0~0.375、0~0.750、0~1.000 m的土壤剖面电导率数据和对应的电磁感应数据为数据源,采用线性模型和非线性模型分别构建了田间尺度和区域尺度的土壤剖面电导率的电磁感应反演模型,并采用缩减建模样本量方法进一步检验了区域尺度模型的可靠性和稳定性。【结果】多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)和主成分回归(PCR)建模方法的田间尺度模型R²在0.88~0.95,而对应的区域尺度模型R²在0.34~0.53。基于随机森林(RF)、神经网络(NN)和支持向量机(SVM)非线性建模方法构建的土壤剖面电导率的区域尺度电磁感应反演模型R²在0.60~0.85,其中RF模型的精度最高。0~0.375、0~0.750、0~1.000 m土壤剖面电导率的RF反演模型R²分别为0.80、0.85和0.84,相较于线性建模方法的区域尺度模型精度有明显的提高。RF区域尺度模型的样本数量由540个缩减到240个,模型精度没有明显变化,表明采用区域尺度模型,可大幅度降低土壤剖面样本采集数量,从而可显著提高采样效率和降低采样成本。【结论】区域尺度下构建土壤剖面电导率反演模型时,随机森林建模方法效果较优,模型预测能力具有较高的可靠性。     

土壤热特性参数空间变异性与拟合方法研究

采用3S技术相结合的方法,在陕西省泾惠渠灌区研究了土壤热特性参数区域尺度的空间变异性,结果表明:土壤热容量、热扩散率及土壤导热率在该区域尺度下属于中等变异,土壤热扩散率和导热率的空间异质性较强,而土壤热容量的空间异质性相对土壤热扩散率和导热率表现较弱,三者均具有较强的空间依赖性。土壤热容量、热扩散率及土壤导热率的最优拟合模型分别为指数、球型、高斯模型,推荐三者的采样间距分别为2.67、3.68、2.76 km,推荐该区域范围内土壤热特性参数空间变异采样间距的最优值为3 km。在描述土壤热特性参数空间变异特征的基础上,建立利用土壤物理基本参数拟合土壤热特性参数的简单公式,并验证了此方法的适用性,决定系数R2达0.80以上,利用此方法能够实现土壤热特性参数的空间变异特征在复杂程度上的定量化。