探讨遥感技术如何运用于灌溉面积监测

第一章绪论

1.1问题的提出和研究意义
1.1.1灌慨面积监测研究的意义
目前世界上有2.7X108hm2的灌溉面积，只占全世界耕地总面积的17%，但是农作物产量占全球食物的三分之一，因此灌溉技术对全球食物的影响非同小可。在我国，大部分地区的农业依赖灌溉，全国的灌溉面积占总耕地面积的不到40%，粮食产量却占到74%多[2]，尤其是大中型灌区在我国农业中的地位举足轻重，这与世界情况也相吻合。我国是一个严重缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1/4。而农业用水短缺与浪费并存，自然降水和灌溉水的利用效率低下；区域性缺水问题突出。灌概对于土壤水平衡、植被和灌溉范围内的浅层地下水的影响非常大，较低的灌溉效率还意味着大量的灌溉用水重新流回到河流和蓄水层中，过剩的灌概水会集中在一些地区，进一步导致积水和盐化。
随着人口的增加，对粮食和其他农产品的需求总量也将不断增长，预计到2030年我国粮食总需求量将达到7亿吨左右，灌概面积必须达到9亿亩左右才能满足农业生产的需求，按目前的用水水平,农业用水将缺少600-700亿立方米。从我国严重缺水的实际状况看，不可能通过单纯增加新水源来缓解农业用水的紧缺状况。从经济角度看，全国也仅有少部分地区可适当开发新水源，且开发新水源的成本要远高于节水的成本，也不可能依靠跨流域调水来解决农业用水。因此，绝大部分地区必须通过节约挖潜、提高灌溉管理水平来满足新增的用水需求。灌溉面积监测是灌区管理的重要环节，是灌溉效益评价的基础指标，也是区域水资源管理重要指标。通过实时有效的动态监测，可以定量掌握灌溉用水的去向，对灌溉用水的合理分配、调度和管理，提供数据支撑，通过科学有效的管理提高用水效率，保证作物正常生长、提高产量。因此从提高灌区管理信息化水平入手，应用遥感等先进技术手段，进行灌溉面积监测技术研究，对于提高灌区管理水平、提灌区用水效率，具有重要意义。
1.1.2现有方法及其局限性
灌区的基本要素主要是作物和水土资源。在作物方面，应及时准确的了解灌区内作物的长势，种类分布以及受灾情况；在水土资源方面，应及时了解灌区土地利用格局、灌概渠系分布、灌区土壤墒情信息等[3]。这些信息对于合理配置灌区的水资源，优化灌区管理，调整其产业结构有重要作用。特别是干旱半干旱地区，由于水资源短缺，必须实行合理的灌溉管理制度，才能提高水资源的利用效率，更好的促进灌区的长远发展。对于灌区来讲，最基本的问题就是提高作物产量的同时保证高效用水，节水灌溉，还有就是掌握灌区本身的水土资源的利用和变化情况[4]。一般灌区用水的数据来源于两个途径：一是以灌溉地区或者农作物的类型为基础，由农民直接提供给灌溉机构，通常难以确定这些数据的准确性；二是数据来源于农业普查，虽然这个方法较为可靠，但是耗费大量时间，而且不能够及时地更新。在灌溉面积监测方面：目前灌区主要取决于管理者的经验进行灌溉，在监测灌溉后面积变化的方法上较为传统，主要通过实地考察、利用称重法测定灌区土壤含水量等方法，无法适应气候、雨水情、农作物类型等因素的变化情况。
此外，监测时间周期长、进度慢，无法做到及时有效的动态监测。在灌区的管理体制方面，对于大中型灌区而言，主要是通过分级来管理的：灌区管理部门只负责骨干的工程，而以下的田间工程和农作物种植情况一般情况下归地方相关部门管理[5]，这样的管理体制造成灌区很难掌握作物种植情况和实际的灌概面积，也难以掌握真正的灌区灌溉用水情况。目前，我国的灌区用水管理和信息化程度总体上还处于较低水平，主要包括以下几个方面：(1)多数地区仍采用传统的灌溉经验进行灌溉，无法适应气候、雨水情、农作物类型等因素的变化情况。(2)基础信息采集点少且手段落后，在作物长势、土壤墒情、水质等方面的监测水平相对落后。(3)灌区配套的骨干工程不健全，破损老化现象突出，造成水土资源浪费等后果。(4)灌区的水利信息化专业技术力量和管理水平亟待提高。(5)与发达国家相比，我国灌区灌溉管理系统软件的开发应用和测控设备都存在较大差距。
1.1.3遥感技术应用于灌概管理的优势
遥感的技术术语出现于20世纪60年代，遥感是一门为获取物体、地区或者现象的信息科学，而这些信息主要是通过分析一个不直接接触研究对象的传感器所获得的，从远处将目标的电磁波特性记录下来，并进行分析，以揭示出物体的特征性质及其变化的综合特性。遥感技术最大的特点就是提供实时的、宏观的、连续动态的中、高分辨率的对地观测16]。利用遥感技术在灌区的定期统计有助于精确确定水资源的位置、分布以及应用，从而提高水资源的利用效率。
遥感数据分辨率包括空间分辨率和时间分辨率。对于空间分辨率指的是遥感图像每一个像素所覆盖地面的长和宽，即卫星扫描影像中能够分辨的最小面积。一般中低分辨率卫星数据应用于大型区域的地面监测，常用的中低分辨率遥感卫星有MODIS、LandsatTM、HJ1A/1BCCD卫星等；高分辨率数据对于河流，渠系提取等提供精细准确的数据，常用的高分辨率卫星包括Worldview、Quickbird及高分资源卫星等。

    1.2 国内外研究现状及发展趋势 ..................12-16
        1.2.1 国外研究概况 ..................12-13
        1.2.2 国内研究概况 ..................13-16
        1.2.3 发展趋势 ..................16
    1.3 主要研究内容及技术路线 ..................16-18
        1.3.1 研究内容 ..................16-18
第二章基于干旱指数的遥感灌溉面积监测方法研究 ..................18-26
    2.1 干旱指数用于遥感灌溉监测的原理 ..................18-21
        2.1.1 Nir-Red光谱特征空间 ..................18-20
        2.1.2 构建Nir-Swir光谱特征空间 ..................20-21
    2.2 干旱指数建模 ..................21-24
        2.2.1 垂直干旱指数PDI ..................21-22
        2.2.2 修正的垂直干旱指数MPDI ..................22-24
    2.3 基于干旱指数差异阈值的遥感灌溉面积监测模型 ..........24-25
    2.4 本章小结 ..................25-26
第三章研究区域概况和研究方案 ..................26-35
    3.1 内蒙古河套灌区简介 ..................26-31
    3.2 总体技术路线 ..................31-32
    3.3 选用卫星简介 ..................32-34
        3.3.1 HJ-1A/1BCCD卫星简介 ..................32-33
        3.3.2 Landsat TM卫星简介 ..................33-34
    3.4 本章小结 ..................34-35
第四章数据选取及预处理 ..................35-49
    4.1 原始遥感影像数据源的选取 ..................35-36
    4.2 几何精校正与影像裁剪 ..................36-37
    4.3 大气校正 ..................37-48
        4.3.1 辐射定标 ..................37-38
        4.3.2 运行6S模型进行大气校正 ..................38-42
        4.3.3 运行ENVI FLAASH模块进行大气校正 ...............42-46
        4.3.4 两种大气校正方法对比分析 ..................46-48
    4.4 本章小结 ..................48-49
第五章基于HJ1A/1BCCD影像的磴口县灌溉面积监测 ..............49-63
    5.1 HJ1A/1BCCD影像的光谱特征分析 ..................49-52
    5.2 遥感干旱指数模型 ..................52-58
        5.2.1 ERDAS model中建模计算PDI ..................52-53
        5.2.2 ERDAS model中建模计算MPDI ..................53-56
        5.2.3 结果验证 ..................56-58
    5.3 基于干旱指数差异闽值的遥感灌溉面积监测模型 ...........58-62
        5.3.1 差异阈值选取分析 ..................59-61
        5.3.2 灌溉面积分析与结果验证 ..................61-62
第六章基于Landsat TM卫星的河套灌区干旱指数监测 ...............63-68
    6.1 Landsat TM卫星影像的光谱特征分析 ..................63-64
    6.2 遥感干旱指数模型 ..................64-67
    6.3 本章小结 ..................67-68

结论

本文以内蒙古河套灌区及其具体研究区磴口县东风干渠控制区域为例，应用HJ1A1B CCD影像、LandsatTM影像，提出运用三种干旱指数的方法来进行灌溉面积范围的监测，为灌溉管理提供影像数据的支持。本文主要结论如下：
(1)在数据预处理的大气校正方面采用基于大气辐射传输理论的6S模型、ENYI FLAASH模块（基于MODTRAN模型）对HJ-1A/1BCCD影像进行了大气校正。通过对校正前后的影像、地物波谱反射率、归一化植被指数NDVI三方面的比较，对校正结果进行评价。结果表明，6S模型对HJ-1A/1BCCD影像的大气校正的效果更佳，故对HJ-1A/1BCCD影像均采用6S模型进行大气校正。
(2)以河套灌区的磴口县为具体研究区域，结合2011年该地区干渠渠口开关时间表，选取灌溉前后HJ-1A/1BCCD影像，建模计算该区域的垂直干旱指数PDI、修正的垂直干旱指数MPDI。通过对比可以看到MPDI影像较PDI影像对地表土壤含水量更为敏感，特别是在植被覆盖度较高区域，通过旱情分级图可以看到MPDI的区分度更高。
(3)通过MPDI灌溉前后差值变化设定相应差异阈值I,此时I代表区域受灌溉影响的程度，I越小表明灌溉的可能性越小，当小到一定的阈值，就可以认为该区域没有灌溉。通过试算法确定该差异阈值的大小，进而凸显出灌溉面积区。