改進(jìn)垂直干旱指數(shù)法在灌溉面積反演中的應(yīng)用

時啟軍

（中國南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河北分公司,石家莊 050000）

作為華北農(nóng)田糧食的重要生產(chǎn)基地的河北省，灌區(qū)斗渠以下（田間）的土質(zhì)農(nóng)毛渠基本不具備水力學(xué)測流條件，大部分未安裝計量設(shè)施，計量設(shè)施配備率僅為2%，且完好率僅為17.6%，“按畝收費(fèi)”“按時收費(fèi)”“交平攤水費(fèi)”的現(xiàn)象普遍存在，灌溉面積依靠人工統(tǒng)計，費(fèi)時費(fèi)力，且不具備客觀性，亟待利用先進(jìn)技術(shù)，對灌溉面積進(jìn)行統(tǒng)計提取。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 基本原理

遙感技術(shù)是獲取地表信息的一種有效手段，可從定性到定量、從宏觀到微觀地反映出地面物體（如土壤）的特性及其變化（如含水率），具有覆蓋范圍廣、時效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)客觀、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)［1］。因此，可以借助遙感測量，利用不同土壤濕度對光譜反射率的不同，將遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，提取灌溉面積，作為用水計量和末級渠道水費(fèi)收取的參考依據(jù)。

1.2 垂直干旱指數(shù)法

根據(jù)光學(xué)理論研究，不同地表含水率在紅光波段及近紅外波段，表現(xiàn)出強(qiáng)吸收或強(qiáng)發(fā)射的特征，基于灌溉前后土壤光譜反射率有所不同，遙感數(shù)據(jù)能夠在一定層面上反映出土壤含水率的變化情況［2］。可以利用灌溉前后土壤濕度的變化，判定地塊灌溉與否，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)際灌溉面積提取和灌溉進(jìn)度監(jiān)測［3］。

垂直干旱指數(shù)PDI (perpendicular drought index)就是利用影像光譜對不同土壤濕度的響應(yīng)、基于近紅光反射率和紅光反射率構(gòu)建特征空間，來表征土壤含水量的變化［4］。在Nir-Red 散點(diǎn)圖上，遙感影像各像素點(diǎn)的分布近似于一個三角形（如圖1）：L 為土壤基線的法線；PDI 為直線L 的垂線，用以描述在Nir-Red 光譜特征空間上，水分含量的分布規(guī)律，離直線L 越近代表水分含量越高，越遠(yuǎn)代表土壤水分含量越低；任取一點(diǎn)E，從點(diǎn)E 到直線L 的距離EF，即為垂直干旱指數(shù)PDI。即垂直干旱指數(shù)計算公式為：

圖1 Nir-Red 特征空間和PDI 示意圖

式中PDI 為垂直干旱指數(shù)；RRED為紅光波段反射率；RNIR為近紅外光波段的反射率；M 為土壤基線BC 的斜率。

當(dāng)土壤濕度狀態(tài)未發(fā)生變化時，M 值也不會發(fā)生變化。在灌溉時，土壤會隨著灌溉，含水量信息發(fā)生變化。

1.3 改進(jìn)垂直干旱指數(shù)MPDI

計算時，為了減小或消除植被光譜對土壤含水量的影響，引入植被覆蓋度概念［5］，改進(jìn)PDI，從特征空間混合元素中去除植被反射率等信息的影響，減從而形成改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)MPDI(modified perpendicular drought index)。改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)計算公式：

式中 RV,RED為植被紅光波段反射率；RV,NIR為植被近紅光波段反射率；M 為土壤線斜率；fv 為植被覆蓋度。

1.4 灌溉面積提取

（1）數(shù)據(jù)來源。針對灌區(qū)實(shí)際灌溉面積監(jiān)測信息的需求，本文使用的遙感影像來自環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星HJ-1A/1BCCD，可由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用網(wǎng)站下載，進(jìn)而進(jìn)行遙感指數(shù)反演，計算改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)。

（2）計算過程。對下載的遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過去除熱噪聲、輻射定標(biāo)［6］、相干斑濾波、地形校正預(yù)處理后得到水體和高植被區(qū)掩膜，大氣校正后，利用不同波段的反射率，選取目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行波段合成，結(jié)合實(shí)際實(shí)際灌溉面積的監(jiān)測情況，構(gòu)建Nir-Red 特征空間，利用線性回歸求出土壤線斜率M，根據(jù)M 和歸一化植被指數(shù)，分別計算區(qū)域灌溉前后的改進(jìn)垂直干旱指數(shù)，在Erdasmodel 中構(gòu)建MPDI 閾值提取區(qū)域?qū)嶋H灌溉面積監(jiān)測模型：

式中I 為研究區(qū)域某個像元的垂直干旱指數(shù)差值；MPDIt1為灌溉前土壤垂直干旱指數(shù)；MPDIt2為灌溉后土壤垂直干旱指數(shù)。

當(dāng)灌溉結(jié)束后，發(fā)生灌溉的區(qū)域土壤含水量增加，MPDI 減?。晃窗l(fā)生灌溉的區(qū)域土壤含水量減小，MPDI 增大，可利用灌溉前MPDI 值減去灌溉后MPDI 值判斷土壤含水量變化情況，構(gòu)建基于干旱指數(shù)差異閾值的灌溉面積監(jiān)測模型。I 值越大，代表區(qū)域發(fā)生灌溉的可能性越大。如上所述，土壤濕度發(fā)生變化時，其光譜特征信息也會改變，因此理論上只要某一像元前后MPDI 存在差值，即I＞0，該像元就有發(fā)生灌溉可能性。但土壤含水量的變化可能不是因?yàn)楣喔人斐傻?，也可能是由于風(fēng)速等其他因素干擾，差值I 可能存在一定無效空間，因此需要設(shè)定一個閾值［7］，只有I 變化程度大于該閾值時，才認(rèn)為該像元的土壤水分變化是由灌溉造成的。

2 實(shí)踐應(yīng)用

2.1 灌區(qū)概況

河北省某灌區(qū)始建于1959 年，設(shè)計灌溉面積5300 hm2，有效灌溉面積3000 hm2，經(jīng)過多年發(fā)展，形成了1 總、4 干，16 支、92 斗渠的灌溉工程系統(tǒng)。灌區(qū)實(shí)行渠系專業(yè)三級組織管理：灌區(qū)管理處→渠道管理所→村農(nóng)民用水戶協(xié)會。

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，在斗口以下的田間，該灌區(qū)未配套計量設(shè)施，目前按畝或按時收費(fèi)，存在灌溉面積統(tǒng)計不準(zhǔn)確、農(nóng)戶認(rèn)可度較低等缺點(diǎn)，一定程度上增加了水費(fèi)征收的難度，不能滿足精確配水、合理灌溉的需要，管理部門調(diào)配用水和用水戶之間經(jīng)常有矛盾發(fā)生，亟待采用客觀公正的方法，提取、識別灌溉面積。該灌區(qū)2020 年4 月2～11 日、5 月1～9 日，分別進(jìn)行冬小麥拔節(jié)期、抽穗揚(yáng)花期灌水。

2.2 反演計算

采用灌區(qū)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，利用IDL（Interactive Data Language）語言建立MPDI 計算模型，依據(jù)公式分別計算灌溉前（2020 年5 月1 日）、后（2020 年5 月9 日）2 期影像的MPDI 差值，利用無人機(jī)航飛，結(jié)合GPS 點(diǎn)位信息，進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)，最終獲取灌溉區(qū)域的點(diǎn)位等信息，確定差值閾值0.17，對冬小麥灌溉面積進(jìn)行提取，形成矢量圖及灌溉前后信息分布如圖2～圖5。

圖2 灌區(qū)矢量化圖形

圖3 5 月1 日（灌溉前）灌溉信息分布

圖5 灌溉面積提取分布

2.3 成果驗(yàn)證

2.3.1 土壤含水量地面監(jiān)測點(diǎn)驗(yàn)證

兩期灌溉結(jié)束（4 月11 日、5 月9 日），在灌區(qū)選擇20 個土壤含水量實(shí)測點(diǎn)0～20 cm 深度平均土壤含水量的變化情況得出該時期各點(diǎn)是否灌溉。將提取的實(shí)際灌溉范圍與土壤含水量實(shí)測值點(diǎn)上灌溉情況相比，可在點(diǎn)尺度上進(jìn)行驗(yàn)證，如表1。兩輪灌溉驗(yàn)證結(jié)果：4 月11 日灌溉范圍與點(diǎn)上實(shí)測結(jié)果的精度達(dá)0.9；5 月9 日灌溉范圍與點(diǎn)上實(shí)測結(jié)果的精度達(dá)0.85。

表1 提取結(jié)果點(diǎn)驗(yàn)證

2.3.2 土壤灌溉面積驗(yàn)證

4 月2 日，土壤干燥，冬小麥缺水，開始提閘灌溉；至4 月11 日，灌區(qū)完成冬小麥拔節(jié)期灌溉，對灌溉面積進(jìn)行提取；5 月1 日陸續(xù)提閘放水，至5月9 日，完成抽穗揚(yáng)花期灌水，再對灌溉面積進(jìn)行提取。同時對灌區(qū)灌溉系統(tǒng)上報灌溉面積進(jìn)行查詢，得到結(jié)果如表2。

表2 遙感提取灌溉面積與統(tǒng)計記錄灌溉面積比較

2.3.3 結(jié)果分析

實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灌溉面積的統(tǒng)計都是由人工上報所得，其結(jié)果存在一些人為誤差，使統(tǒng)計灌溉面積會略小于真實(shí)灌溉面積，所以監(jiān)測灌溉面積大于記錄灌溉面積是符合實(shí)際情況的。同時，在5月3 日，灌區(qū)部分區(qū)域有小雨，對提取的灌溉面積造成一定影響。但總體來看，遙感提取灌溉面積與統(tǒng)計記錄灌溉面積基本接近，可以作為統(tǒng)計灌溉面積的一項(xiàng)手段，為灌溉面積的計算節(jié)省大量的人力、物力、財力，提升灌區(qū)信息化管理水平，節(jié)省逐級上報的中間環(huán)節(jié)，提高管理運(yùn)行效率。同時，可將遙感監(jiān)測情況以一定方式，向用水單元發(fā)送，實(shí)現(xiàn)信息雙向流動和透明化。

3 結(jié)語

（1）針對傳統(tǒng)灌溉面積上報、計算方式存在監(jiān)測站點(diǎn)少、耗時費(fèi)力、更新周期長等不足，充分發(fā)揮“3S”技術(shù)可快速采集與處理海量空間信息數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，以多源多時相遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以GIS 技術(shù)為支撐，進(jìn)行灌溉地塊識別，基于灌溉前后改進(jìn)的垂直干旱指數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合地面少量調(diào)查點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際灌溉時間和灌溉面積的監(jiān)測，提出一種基于低空間分辨率遙感數(shù)據(jù)的低成本灌區(qū)灌溉面積提取的精確計量技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)末級渠道分水計量提供技術(shù)支撐。

（2）結(jié)合現(xiàn)場低空攝像機(jī)拍攝實(shí)際灌溉信息，確定灌溉前后提取閾值，對研究區(qū)域灌溉面積進(jìn)行提取，最終得到實(shí)際灌溉面積，用于校核上報的灌溉面積，計量末級渠道分水情況，提高農(nóng)田中灌區(qū)面積提取方法的精度與效率。在灌區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，其精度在0.85 左右，可在大中型灌區(qū)推廣應(yīng)用。