基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統研究

查治榮 徐保超

(青島市水文局黃島分局， 山東 青島 266400)

基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統研究

查治榮 徐保超

(青島市水文局黃島分局， 山東 青島 266400)

本研究利用多源遙感數據的農業生態環境信息快速提取技術，開發基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統，進行農作物的長勢及灌溉需水量、用水量的動態監測，為黃島區農業生產和區域用水總量監測工作提供及時準確的監測與評估信息,為落實最嚴格的水資源管理制度，提高黃島區農業灌溉用水效率提供技術支持。

多源遙感； 農業用水； 監測

1 引 言

農業用水量受用水水平、氣候、土壤、作物、耕作方法、灌溉技術以及渠系水利用系數等因素的影響，存在明顯的地域差異。遙感技術作為地球信息科學的前沿技術，是最為有效的對地觀測技術和信息獲取的手段。遙感技術在農業的許多領域，如：農業資源調查、農作物估產、災害評估及預報、農業信息管理等方面得到廣泛的應用，并取得了不小的經濟效益。農作物精確遙感識別是遙感技術在農業領域應用的重要內容，也是資源遙感的重要組成部分。通過高質量的圖像處理獲得農作物信息的精確分類結果，可以作為農作物灌溉需水量的計算基礎。

黃島區地處膠東低山丘陵區，各地水源條件、作物品種、耕植面積不同，用水量也不盡相同。通過人工普查、統計農業需水、用水情況的難度和工作量較大，利用遙感技術開展農業需水量、用水量動態監測能夠極大地提高工作效率和準確性。

2 系統總體框架設計

針對黃島區農業生產和區域用水總量監測工作的需要，研究包括農作物長勢的遙感監測與評價的關鍵技術和農田干旱災害農業精細監測技術和評估的關鍵技術，構建黃島區農業用水管理與分析綜合數據庫，開發基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統，形成星—地實時監測為一體的黃島區農業用水信息的動態立體監測體系。總體技術路線如圖1所示。

圖1 基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統建設技術路線

結合地面觀測，以地面采集數據為基礎，將農業專題數據與以遙感數據為主的空間數據融合，采用數據挖掘、模型鏈接和光譜分析等現代科技手段，對已有作物遙感監測模型進行改進，形成適于黃島區地理氣候特征的作物精細管理遙感監測模型；以遙感數據為驅動，利用改進的作物生長模型和多種植被指數，把作物生長特征及自然災害對作物影響特征擴展到時、空、光譜三維尺度，以期實現特定區域作物生長過程及自然災害危害信息的定量化表達；構建適合黃島區精細農業管理需求的信息獲取關鍵技術體系。以黃島區主要作物為研究對象，集成多項成熟技術，開發并形成實用化與本地化的基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統，并在研究區進行試驗與應用。系統體系結構如圖2所示。

3 系統建設內容

3.1 多源、多時像遙感數據的獲取

針對系統建設要求，獲取的遙感數據主要包括高分辨率遙感數據、高分辨率LANDSAT TM數據以及中等分辨率MODIS數據等。通過中國資源衛星應用中心下載黃島區2010—2016年近5年的TM、ETM+、OLI數據。每周獲取一次分辨率為16m的黃島區高分影像數據。

圖2 動態監測系統體系結構

3.2 多源遙感影像預處理

對獲取的多遠遙感影像進行預處理。通過輻射校正，消除傳感器噪聲、消除圖像條紋、平衡各波段之間的亮度關系, 并使獲取的圖像數據的亮度與地面物體的輻射特征保持一定的對應關系。大氣校正，利用輻射傳輸模型可以消除氣體分子、水蒸氣、氣溶膠等大氣成分的吸收與散射的影響,恢復地物本質光譜性質。通過幾何校正，消除在成像過程中因衛星的軌道、姿態等誤差以及地球、大氣等因素引起的衛星圖像數據的各種幾何形變。

3.3 遙感影像數據挖掘

a. 植被指數的反演。植被指數是表征植被覆蓋及生長狀況的重要參數，在環境、生態、農業等領域具有廣泛應用。為獲取農田作物的生長狀況，計算了長時間序列的歸一化差異植被指數NDVI、增強型植被指數EVI、土壤調節植被指數SAVI和大氣阻抗植被指數ARVI等。選擇覆蓋黃島區的2015年10月及2016年4月的TM和OLI影像，反演NDVI、EVI、SAVI和ARVI植被指數，分析植被長勢情況及年際變化。

b. 波譜特征提取。所有的健康綠色植物均具有基本的光譜特性，其光譜響應曲線雖有一定的變化范圍，而呈一定寬度的光譜帶，但總的“峰-谷”形態變化是基本相似的。這是因為影響其波譜特性的主導控制因素一致。但是，不同的植物類別，其葉子的色素含量、細胞結構、含水量均有不同。因而光譜響應曲線總存在著一定的差異。即使同一植物，隨葉的新老、稀密、季節不同、土壤水分及組分含量差異，或受大氣污染、病蟲害影響等，均會導致整個譜段或個別譜段內反射率的變化，而且往往近紅外波段比可見光波段能更清楚地觀測到這些變化。這種變化相差異，是人們鑒別和監測植物的依據。

3.4 農業用水基礎數據庫建立

以黃島區基礎地理數據、多源遙感影像數據、地物波譜數據、農作物反演數據等為基礎，構建黃島區農田基礎信息綜合數據庫，進行多源空間數據的集成管理，為黃島區農業用水監測提供決策依據。

農業用水綜合數據庫存儲和管理的數據子庫包括：基礎地理要素子庫、多源遙感影像子庫、地物波譜數據子庫、自然災害特征數據子庫、黃島區生態環境變化子庫等。通過對黃島區的農作物、地物光譜特征的實地驗證和分析，運用ER模型分析，進行各類專題空間數據子庫的邏輯模型和物理存儲結構的設計；研究黃島區范圍的多級分辨率網格，實現各專題空間數據的有機組織和快速定位；研究黃島區農業多源遙感影像數據的瓦片金字塔技術，實現影像數據的高效組織和管理。

3.5 農業旱情動態監測預警

基于多源遙感數據，利用圖像中作物與背景的顏色差異，進行作物信息提取，構建的作物覆蓋度和作物整齊度算法，通過提取出作物的覆蓋度和基于覆蓋度的整齊度信息，實現了對作物長勢的監測。基于TM數據和MODIS數據，利用植被供水指數法對農業受干旱影響進行監測。結合氣象水文部門提供的降雨、風力、氣溫等數據，采用土壤相對濕度、降水量距平百分率、連續無雨日數作為旱情預警指標。基于ARCGIS軟件平臺，實現黃島區農業旱情的可視化表達。

3.6 農業灌溉用水情況調查

a. 提取農作物種植面積。通過對遙感影像波段的分析，利用藍光(0.43～0.52μm，band1)對葉綠素敏感等特性，提出遙感影像最佳組合波段，用于區分植被和非植被區。在此基礎上，通過目視判讀和野外調查，將衛星影像中的地物分為耕地、建筑物、水體等類別。將地面調查的數據點與遙感影像關聯后，建立覆蓋作物的耕地、建筑物、水體和其他地類訓練樣區，分別用平行六面體法、最大似然法、最小距離法、馬氏距離法和神經網絡五種分類方法對影像進行訓練分類。

對預處理后的影像進行歸一化植被指數(NDVI)計算并制作NDVI圖和NDVI分級圖，根據不同類型不同長勢的植被田塊的NDVI值劃定不同作物類型之間的NDVI閾值，通過密度分割后可得到相應植被的種植面積。

b. 提取灌溉面積。根據灌溉后土壤含水量變大、無灌溉時土壤含水量持續減小的差異特征，構建基于修正垂直干旱指數差異閾值的灌溉面積監測模型，分析確定閾值，基于兩個時間點上修正垂直干旱指數值的差異特征，提取實際灌溉面積。

3.7 系統集成設計

基于多源遙感數據的黃島區農業用水量動態監測系統設計分為4個層次，分別為數據層、支撐層、功能層和用戶層。用戶層主要通過研究和分析系統提供的信息資源、數據和背景資料，進行人機交互，為正確的決策提供必要的支持。系統采用B/S構架設計，以WebGIS、ASP.NET等技術為支撐，調用開放地圖服務，實現基礎地理信息在地圖上的實時顯示和變化顯示。采用富客戶端技術Flex進行界面設計，利用WebService技術與數據庫交互。

4 結 論

系統的研究與應用，可為黃島區建立一個農業遙感動態監測數據庫，實現多源遙感數據、旱情發展動態監測數據、農業灌溉區動態變化數據、農作物動態分類數據的集成與管理。系統利用現代遙感技術實現農業旱情監測、預警和農業灌溉用水量統計，為政府抗旱減災提供決策支持，為區域用水總量監測提供新的數據調查統計方式，能夠有效提升黃島區農業現代化水平，提高用水總量監測工作的效率。

Research on agriculture water consumption dynamic monitoring system in Huangdao District based on multi-source remote sensing data

ZHA Zhirong, XU Baochao

(QingdaoHydrographicBureauHuangdaoBranch,Qingdao266400,China)

Rapid extraction technology of agricultural ecological environment information based on multi-source remote sensing data is utilized for developing agriculture water consumption dynamic monitoring system in Huangdao District based on multi-source remote sensing data, thereby monitoring crop growth, irrigation water demand and water consumption dynamically. Timely and accurate monitoring and assessment information is provided for agriculture production in Huangdao District and total water consumption in the region. Technical support is provided for implementing the most strict water resources management system and improving the efficiency of agricultural irrigation water consumption in Huangdao District.

multi-source remote sensing; agricultural water consumption; monitoring

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.02.018

TV213.9

A

2096-0131(2017)02- 0064- 04