基于C#和ArcEngine技術(shù)的灌區(qū)需水量計(jì)算系統(tǒng)

邊 江，張智韜,，韓文霆，付秋萍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 111000)

隨著我國水資源供需矛盾的日趨尖銳，水資源的優(yōu)化配置和節(jié)水灌溉技術(shù)已被廣泛重視。由于地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)軟件ArcEngine具有強(qiáng)大的地圖處理和計(jì)算功能，可以高效快捷的實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的規(guī)劃與優(yōu)化配置。而要實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置，灌溉需水量是主要的依據(jù)之一。近年來，石長國應(yīng)用VB6.0語言開發(fā)系統(tǒng)來計(jì)算灌區(qū)的灌水率和灌區(qū)動態(tài)需水量[1]?？蔓惥昀肨VDI(溫度植被干旱指數(shù))模型反演土壤水分并應(yīng)用于灌區(qū)灌溉用水管理方面[2]。劉勇洪等應(yīng)用RS和GIS技術(shù)建立了農(nóng)田需水量預(yù)報模型和土壤濕潤層灌溉預(yù)報模型[3]。黃玉清等提出了土壤水分與灌溉預(yù)報的一套新型的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[4]?？滴餮缘萚5]根據(jù)土壤水分平衡原理與計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立了河北省冬小麥的灌溉量預(yù)報系統(tǒng)。董貴明等[6]將GIS的網(wǎng)絡(luò)模型與水資源的優(yōu)化配置結(jié)合，充分發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，使得在供水關(guān)系的管理與維護(hù)上變得更為方便與高效。

上述系統(tǒng)雖然在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)揮了一定的作用，但由于不能及時了解灌區(qū)實(shí)時的灌溉需水量，使得這些系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果與實(shí)際偏差較大，這也是長期制約這些系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸之一。本系統(tǒng)以遙感熱紅外波段反演的不同農(nóng)作物實(shí)時土壤體積含水率為依據(jù)，結(jié)合灌區(qū)的土地分類影像，并根據(jù)不同作物的灌溉制度設(shè)置計(jì)算參數(shù)，通過系統(tǒng)運(yùn)算，可以快速得到灌區(qū)灌溉需水量的大小，做到了對灌區(qū)干旱情況的實(shí)時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 開發(fā)平臺和語言的介紹

地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和地圖操作的能力，其二次開發(fā)功能ArcEngine/COM集成了GIS的大多數(shù)核心應(yīng)用模塊。COM技術(shù)是微軟公司開發(fā)的與編程語言無關(guān)的軟件開發(fā)方法，在應(yīng)用COM時客戶只能通過標(biāo)準(zhǔn)的接口調(diào)用各種COM核心服務(wù)。COM重要的特性：語言無關(guān)性、進(jìn)程透明性和可重用性[7]。對于用戶來說ArcEngine支持所有的ArcGIS功能，通過大多數(shù)開發(fā)環(huán)境都可以進(jìn)行訪問(例如：C#，Visual Basic 6，Java等)，可以根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的需求和目的，設(shè)計(jì)出對遙感影像更為復(fù)雜的圖像處理功能。

C#是完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，使用其強(qiáng)大的接口編程功能與ArcEngine/COM技術(shù)集成，強(qiáng)有力地體現(xiàn)了該編程語言強(qiáng)大的功能，并且實(shí)現(xiàn)了用戶預(yù)期要達(dá)到的效果。

1.2 系統(tǒng)原理介紹

本系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是灌區(qū)土地利用柵格影像與灌區(qū)土壤含水率的圖像，利用IF語句首先按照柵格的行列坐標(biāo)讀取土地利用柵格影像，然后判斷該像素值的具體所屬土地利用類型，再讀取對應(yīng)坐標(biāo)灌區(qū)土壤含水率的數(shù)值，結(jié)合最大灌溉土壤含水率θmax，得到灌溉定額Mi，進(jìn)而得到像元面積上的灌水量，最后匯總灌區(qū)的總灌溉需水量。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要使用了ArcEngine提供的圖像處理接口與IF循環(huán)判斷讀取土地利用和土壤含水率柵格影像的像素值，連續(xù)計(jì)算并匯總像元的灌溉需水量。如圖1所示為該系統(tǒng)的工作流程圖。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

1.3 灌水量計(jì)算原理

灌水量計(jì)算首先應(yīng)該確定其灌水定額Mi，植物的不同生長階段其根系的主要活動范圍是不同的，因此在計(jì)算灌水定額Mi時需要設(shè)置合適的土壤計(jì)劃濕潤層深度Hi，不同生育期的農(nóng)作物經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析都有不同的計(jì)劃濕潤層深度，具體的數(shù)值可以通過表格查詢并進(jìn)行合適的調(diào)整。植物可利用的最大含水率就是田間持水量θ田，一般認(rèn)為土壤現(xiàn)狀平均含水率θi大于最小土壤含水率θ凋；其次是利用不同作物的灌溉定額計(jì)算該類型總像元面積A(m2)的總灌溉需水量，進(jìn)行匯總從而得到整個灌區(qū)的總灌溉需水量M(m3)。

(1)確定灌水定額。

Mi=Hi(θmax-θi)

(1)

式中：Mi為不同作物種類的灌水定額，m；Hi為不同作物的土壤計(jì)劃濕潤層深度，m；θimax為不同作物的田間持水量，m3/m3；θimax的設(shè)定應(yīng)與具體的種植情況相結(jié)合，并且可以小于田間持水量；θi為不同作物的現(xiàn)狀平均土壤含水率，m3/m3。

(2)計(jì)算不同作物種類的總面積。

Si=NiA

(2)

式中：Ni表示不同作物的像元個數(shù)；A為像元面積(柵格分辨率)，m2。

(3)計(jì)算凈灌水總量。

(3)

式中：n為作物的類別總數(shù)。

(4)毛灌溉總需水量的計(jì)算。

M毛=M凈/η水

(4)

式中：M毛為毛灌溉水總量，m3;η水為灌溉水綜合利用系數(shù)(該值不同的地區(qū)會存在有差別的試驗(yàn)測量值，可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行合理的取值)，m3/m3。

利用公式(1)～(4)即可求出柵格圖像的每個像元的需水量和整個灌區(qū)的總灌溉需水量。

2 系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)開發(fā)過程

ArcEngine二次開發(fā)平臺提供了方便的接口功能并且能夠快速的調(diào)用C#編寫的代碼程序，這使得ArcEngine開發(fā)平臺和C#編程語言可以便捷的實(shí)現(xiàn)水資源的規(guī)劃和管理，對于水資源專業(yè)來說是一個很有用的技術(shù)工具。利用ArcEngine提供的地圖控件(MapControl)、圖層管理控件(TOCControl)、工具欄控件(ToolbarControl)搭建系統(tǒng)平臺。安裝并且打開Microsoft Visual Studio 2010，在文件菜單中新建窗口應(yīng)用程序并命名保存，在控件窗口中將MapControl、TOCControl、ToolbarControl 3個控件分別拖到新建的窗體中，并加載ArcEngine提供的工具按鈕，運(yùn)行后如圖2所示；利用工具條可以快速地實(shí)現(xiàn)地圖的平移、點(diǎn)擊查詢、放大、縮小、圖層的加載、刪除與地圖交互的各種選擇應(yīng)用功能，其運(yùn)行后如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)搭建界面Fig.2 System build interface

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行界面Fig.3 System operation interface

以上的應(yīng)用界面以及各種工具按鈕在Visual Studio 2010可以快速地進(jìn)行構(gòu)建與添加，對于圖像的具體處理和IF判斷語句的編程代碼是在菜單和參數(shù)面板的程序設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行編寫。

計(jì)算灌區(qū)需水量前必須設(shè)置各個計(jì)算參數(shù)，如圖4所示，輸入土壤最大含水率；灌溉水利用系數(shù)；灌區(qū)土地利用分類柵格圖；灌區(qū)土壤含水率柵格圖；并且設(shè)置不同作物種類經(jīng)實(shí)驗(yàn)給出的合適計(jì)劃灌溉濕潤層深度。設(shè)置完各項(xiàng)參數(shù)即可點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，提示成功輸出計(jì)算結(jié)果并顯示存儲路徑。

圖4 灌水量計(jì)算參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Irrigation amount parameter setting interface

2.2 實(shí)例分析

利用購買的Landset8分辨率為30 m的TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾何配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等一系列預(yù)處理最后裁剪得到陜西涇惠渠灌區(qū)衛(wèi)星遙感影像，使用ENVI遙感軟件處理后得到?jīng)芑萸鄥^(qū)的土地利用分類圖像，并用熱紅外波段反演出本地區(qū)的土壤體積含水率，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置各個計(jì)算參數(shù)并得到?jīng)芑萸鄥^(qū)灌溉需水量的結(jié)果。

2.2.1 涇惠渠灌區(qū)土地利用分類圖

將Landset8分辨率為30 m的TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的預(yù)處理后，并且裁剪得到陜西省涇惠渠灌區(qū)的遙感影像，如圖5所示為灌區(qū)真彩色圖像。

圖5 涇惠渠灌區(qū)30 m分辨率TM遙感影像Fig.5 TM remote sensing imagery of Jinghui irrigation area with 30 m Resolution

李旭[8]、史澤鵬[9]、王圓圓[10]等對遙感影像選擇的分類方法做出了較為深入的闡述與研究。綜合考慮本遙感圖像的應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)原則，避免監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類中的缺點(diǎn)，最后采取精確度較高的“決策樹”的方法進(jìn)行分類處理。將預(yù)處理后的涇惠渠灌區(qū)30 m分辨率的TM遙感影像，使用ENVI進(jìn)行遙感圖像決策樹分類處理，分別處理得到農(nóng)田、水域、林地、設(shè)施農(nóng)業(yè)、居民地5種不同的土地利用類型，如圖6所示。

圖6 涇惠渠灌區(qū)土地分類柵格圖Fig.6 Land classification raster map of Jinghui irrigation area

2.2.2 涇惠渠灌區(qū)土壤含水率遙感柵格圖像

利用Landset8的涇惠渠灌區(qū)的熱紅外波段進(jìn)行灌區(qū)的不同作物種類的土壤體積含水率的反演。由現(xiàn)階段的研究理論可知作物冠層溫度與作物根系活動范圍內(nèi)土層深度的土壤含水率是有一定關(guān)系的，依據(jù)學(xué)者張智韜[11, 12]研究得到的由熱紅外遙感圖像反演計(jì)算的冠層溫度與土壤體積含水率的模型關(guān)系分別進(jìn)行波段運(yùn)算。在ENVI遙感圖像處理軟件中首先制作各種不同農(nóng)作物的矢量(ROI/EVF)文件(其原理就是同一種作物的矢量文件是一個面域，ENVI波段運(yùn)算時只處理該矢量所覆蓋的區(qū)域)，這就做到了不同作物的分類處理目的。再應(yīng)用ENVI中Toolbox的Band Match工具集分別輸入不同農(nóng)作物的函數(shù)關(guān)系并計(jì)算得到土壤體積含水率，如圖7所示。

圖7 涇惠渠灌區(qū)土壤體積含水率柵格圖Fig.7 The raster map of soil moisture content in Jinghui irrigation area

2.2.3 設(shè)置計(jì)算參數(shù)

本系統(tǒng)最后也是最重要的一步就是設(shè)置灌區(qū)不同作物種類的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算參數(shù)決定了系統(tǒng)最后計(jì)算的灌區(qū)需水量是否更為準(zhǔn)確。因此灌區(qū)需水量計(jì)算參數(shù)是較為重要的也是最難的部分，需要做多次的實(shí)際調(diào)查并結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。由于灌區(qū)更關(guān)注農(nóng)業(yè)灌溉用水量的多少，因此對于灌區(qū)中的水域、居民地是不需要計(jì)算用水量的，另外設(shè)置參數(shù)面板中的“其他”是未分類的像元。本實(shí)例中像元全部分類，因此“其他”類的參數(shù)設(shè)置可以作0處理。本系統(tǒng)利用的是灌區(qū)土壤體積含水率的柵格圖像，則土壤的干密度設(shè)置為1。經(jīng)過涇惠渠灌區(qū)農(nóng)作物的種植經(jīng)驗(yàn)，最后分別取農(nóng)田、果園、設(shè)施農(nóng)業(yè)的計(jì)劃濕潤層深度為0.8、1、1 m，如圖8所示。

圖8 灌區(qū)需水量計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Fig.8 Parameter setting of irrigation district water requirement calculation system

將灌區(qū)計(jì)算系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置完畢，即可以點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，得到灌區(qū)最終的需水量的大小，如圖9所示。從結(jié)果文件中可以明確得到該遙感圖像拍攝時刻在灌溉總利用系數(shù)為0.8時農(nóng)田，果園，設(shè)施農(nóng)業(yè)的總面積與總的灌溉需水量。

圖9 計(jì)算結(jié)果Fig.9 Calculation results

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)以灌區(qū)水資源優(yōu)化配置為目的，實(shí)現(xiàn)水資源的高效與合理利用。應(yīng)用RS和GIS的二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了快速計(jì)算灌區(qū)農(nóng)作物的灌溉需水量，避免傳統(tǒng)無目的性的灌溉方式，并為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉提供了高效、動態(tài)、便捷的理論基礎(chǔ)。

通過系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)例的論證，本系統(tǒng)利用灌區(qū)遙感影像為灌區(qū)水資源的調(diào)度提供了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對于灌區(qū)水資源配置方面可以實(shí)時動態(tài)監(jiān)測灌區(qū)土壤含水率的變化過程，并且可以快速進(jìn)行干旱評估和預(yù)防。本灌溉需水量的計(jì)算系統(tǒng)就是基于這一理論將干旱監(jiān)測與灌區(qū)供水相結(jié)合，使灌區(qū)的水資源得到充分的利用與合理調(diào)配。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)的按需供水，優(yōu)先級供水，使灌區(qū)的總體的用水效率達(dá)到較高的水平，是RS與GIS技術(shù)在灌區(qū)水資源量計(jì)算的較為理想的應(yīng)用。

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