基于C#和ArcEngine技術的灌區需水量計算系統

邊 江，張智韜,，韓文霆，付秋萍

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西 楊凌 712100；3.新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 111000)

隨著我國水資源供需矛盾的日趨尖銳，水資源的優化配置和節水灌溉技術已被廣泛重視。由于地理信息系統的二次開發軟件ArcEngine具有強大的地圖處理和計算功能，可以高效快捷的實現灌區水資源的規劃與優化配置。而要實現灌區水資源的優化配置，灌溉需水量是主要的依據之一。近年來，石長國應用VB6.0語言開發系統來計算灌區的灌水率和灌區動態需水量[1]。柯麗娟利用TVDI(溫度植被干旱指數)模型反演土壤水分并應用于灌區灌溉用水管理方面[2]。劉勇洪等應用RS和GIS技術建立了農田需水量預報模型和土壤濕潤層灌溉預報模型[3]。黃玉清等提出了土壤水分與灌溉預報的一套新型的農業系統[4]。康西言等[5]根據土壤水分平衡原理與計算機技術，建立了河北省冬小麥的灌溉量預報系統。董貴明等[6]將GIS的網絡模型與水資源的優化配置結合，充分發揮了地理信息系統的空間分析功能，使得在供水關系的管理與維護上變得更為方便與高效。

上述系統雖然在實際應用中也發揮了一定的作用，但由于不能及時了解灌區實時的灌溉需水量，使得這些系統的應用結果與實際偏差較大，這也是長期制約這些系統應用的瓶頸之一。本系統以遙感熱紅外波段反演的不同農作物實時土壤體積含水率為依據，結合灌區的土地分類影像，并根據不同作物的灌溉制度設置計算參數，通過系統運算，可以快速得到灌區灌溉需水量的大小，做到了對灌區干旱情況的實時監控。

1 系統介紹

1.1 開發平臺和語言的介紹

地理信息系統具有強大的空間數據處理和地圖操作的能力，其二次開發功能ArcEngine/COM集成了GIS的大多數核心應用模塊。COM技術是微軟公司開發的與編程語言無關的軟件開發方法，在應用COM時客戶只能通過標準的接口調用各種COM核心服務。COM重要的特性：語言無關性、進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，通過大多數開發環境都可以進行訪問(例如：C#，Visual Basic 6，Java等)，可以根據要實現的需求和目的，設計出對遙感影像更為復雜的圖像處理功能。

C#是完全面向對象的可視化編程語言，使用其強大的接口編程功能與ArcEngine/COM技術集成，強有力地體現了該編程語言強大的功能，并且實現了用戶預期要達到的效果。

1.2 系統原理介紹

本系統最重要的基礎數據是灌區土地利用柵格影像與灌區土壤含水率的圖像，利用IF語句首先按照柵格的行列坐標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，再讀取對應坐標灌區土壤含水率的數值，結合最大灌溉土壤含水率θmax，得到灌溉定額Mi，進而得到像元面積上的灌水量，最后匯總灌區的總灌溉需水量。系統的設計主要使用了ArcEngine提供的圖像處理接口與IF循環判斷讀取土地利用和土壤含水率柵格影像的像素值，連續計算并匯總像元的灌溉需水量。如圖1所示為該系統的工作流程圖。

圖1 系統流程圖Fig.1 System flow chart

1.3 灌水量計算原理

灌水量計算首先應該確定其灌水定額Mi，植物的不同生長階段其根系的主要活動范圍是不同的，因此在計算灌水定額Mi時需要設置合適的土壤計劃濕潤層深度Hi，不同生育期的農作物經過實驗分析都有不同的計劃濕潤層深度，具體的數值可以通過表格查詢并進行合適的調整。植物可利用的最大含水率就是田間持水量θ田，一般認為土壤現狀平均含水率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算該類型總像元面積A(m2)的總灌溉需水量，進行匯總從而得到整個灌區的總灌溉需水量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劃濕潤層深度，m；θimax為不同作物的田間持水量，m3/m3；θimax的設定應與具體的種植情況相結合，并且可以小于田間持水量；θi為不同作物的現狀平均土壤含水率，m3/m3。

(2)計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；A為像元面積(柵格分辨率)，m2。

(3)計算凈灌水總量。

(3)

式中：n為作物的類別總數。

(4)毛灌溉總需水量的計算。

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(該值不同的地區會存在有差別的試驗測量值，可以根據當地具體情況進行合理的取值)，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的總灌溉需水量。

2 系統開發及應用

2.1 系統開發過程

ArcEngine二次開發平臺提供了方便的接口功能并且能夠快速的調用C#編寫的代碼程序，這使得ArcEngine開發平臺和C#編程語言可以便捷的實現水資源的規劃和管理，對于水資源專業來說是一個很有用的技術工具。利用ArcEngine提供的地圖控件(MapControl)、圖層管理控件(TOCControl)、工具欄控件(ToolbarControl)搭建系統平臺。安裝并且打開Microsoft Visual Studio 2010，在文件菜單中新建窗口應用程序并命名保存，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，運行后如圖2所示；利用工具條可以快速地實現地圖的平移、點擊查詢、放大、縮小、圖層的加載、刪除與地圖交互的各種選擇應用功能，其運行后如圖3所示。

圖2 系統搭建界面Fig.2 System build interface

圖3 系統運行界面Fig.3 System operation interface

以上的應用界面以及各種工具按鈕在Visual Studio 2010可以快速地進行構建與添加，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面板的程序設計文件中進行編寫。

計算灌區需水量前必須設置各個計算參數，如圖4所示，輸入土壤最大含水率；灌溉水利用系數；灌區土地利用分類柵格圖；灌區土壤含水率柵格圖；并且設置不同作物種類經實驗給出的合適計劃灌溉濕潤層深度。設置完各項參數即可點擊“計算”按鈕，提示成功輸出計算結果并顯示存儲路徑。

圖4 灌水量計算參數設置界面Fig.4 Irrigation amount parameter setting interface

2.2 實例分析

利用購買的Landset8分辨率為30 m的TM衛星遙感數據，經過幾何配準、輻射定標、大氣校正等一系列預處理最后裁剪得到陜西涇惠渠灌區衛星遙感影像，使用ENVI遙感軟件處理后得到涇惠渠灌區的土地利用分類圖像，并用熱紅外波段反演出本地區的土壤體積含水率，進入系統設置各個計算參數并得到涇惠渠灌區灌溉需水量的結果。

2.2.1 涇惠渠灌區土地利用分類圖

將Landset8分辨率為30 m的TM衛星遙感數據，經過一系列的預處理后，并且裁剪得到陜西省涇惠渠灌區的遙感影像，如圖5所示為灌區真彩色圖像。

圖5 涇惠渠灌區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用和實驗原則，避免監督分類和非監督分類中的缺點，最后采取精確度較高的“決策樹”的方法進行分類處理。將預處理后的涇惠渠灌區30 m分辨率的TM遙感影像，使用ENVI進行遙感圖像決策樹分類處理，分別處理得到農田、水域、林地、設施農業、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 涇惠渠灌區土壤含水率遙感柵格圖像

利用Landset8的涇惠渠灌區的熱紅外波段進行灌區的不同作物種類的土壤體積含水率的反演。由現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土層深度的土壤含水率是有一定關系的，依據學者張智韜[11, 12]研究得到的由熱紅外遙感圖像反演計算的冠層溫度與土壤體積含水率的模型關系分別進行波段運算。在ENVI遙感圖像處理軟件中首先制作各種不同農作物的矢量(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波段運算時只處理該矢量所覆蓋的區域)，這就做到了不同作物的分類處理目的。再應用ENVI中Toolbox的Band Match工具集分別輸入不同農作物的函數關系并計算得到土壤體積含水率，如圖7所示。

圖7 涇惠渠灌區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 設置計算參數

本系統最后也是最重要的一步就是設置灌區不同作物種類的計算參數，計算參數決定了系統最后計算的灌區需水量是否更為準確。因此灌區需水量計算參數是較為重要的也是最難的部分，需要做多次的實際調查并結合當地種植經驗進行取值。由于灌區更關注農業灌溉用水量的多少，因此對于灌區中的水域、居民地是不需要計算用水量的，另外設置參數面板中的“其他”是未分類的像元。本實例中像元全部分類，因此“其他”類的參數設置可以作0處理。本系統利用的是灌區土壤體積含水率的柵格圖像，則土壤的干密度設置為1。經過涇惠渠灌區農作物的種植經驗，最后分別取農田、果園、設施農業的計劃濕潤層深度為0.8、1、1 m，如圖8所示。

圖8 灌區需水量計算系統參數設置Fig.8 Parameter setting of irrigation district water requirement calculation system

將灌區計算系統的各種參數設置完畢，即可以點擊計算按鈕，得到灌區最終的需水量的大小，如圖9所示。從結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為0.8時農田，果園，設施農業的總面積與總的灌溉需水量。

圖9 計算結果Fig.9 Calculation results

3 結 語

本系統以灌區水資源優化配置為目的，實現水資源的高效與合理利用。應用RS和GIS的二次開發技術實現了快速計算灌區農作物的灌溉需水量，避免傳統無目的性的灌溉方式，并為精準農業灌溉提供了高效、動態、便捷的理論基礎。

通過系統的開發與實例的論證，本系統利用灌區遙感影像為灌區水資源的調度提供了較為準確的數據，對于灌區水資源配置方面可以實時動態監測灌區土壤含水率的變化過程，并且可以快速進行干旱評估和預防。本灌溉需水量的計算系統就是基于這一理論將干旱監測與灌區供水相結合，使灌區的水資源得到充分的利用與合理調配。該系統實現了灌區的按需供水，優先級供水，使灌區的總體的用水效率達到較高的水平，是RS與GIS技術在灌區水資源量計算的較為理想的應用。

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