遙感技術在農田水利工程建設及管護中的應用

馬海榮 羅治情 陳娉婷 官波

摘要：農田水利工程具有范圍大、空間分布復雜、工程數量多等特點，利用常規技術手段對其進行管護較難實現。開展了基于遙感技術的農田水利工程的建設與管護技術方法的探索，旨在提高農田水利工程建設和管護的信息化水平。主要研究利用遙感技術進行農田水利工程信息化建設及管護的關鍵技術與方法，并根據農田水利工程信息化建設與管護的應用需求，進行了“智慧農田水利信息化管護綜合應用系統”的初步設計。

關鍵詞：遙感技術;農田水利工程;管護

中圖分類號：TP79? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）23-0016-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.003? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Application of remote sensing technology in construction and management of

irrigation and drainage engineering

MA Hai-rong，LUO Zhi-qing，CHEN Pin-ting，GUAN Bo

（Institute of Agricultural Economic and Technological，Hubei Academy of Agricultural Sciences/Hubei Agricultural Science and Technology Innovation Center Agricultural Economic and technological Research Sub-Center/Hubei Rural Revitalization Research Institute，

Wuhan 430064，China）

Abstract： Irrigation and drainage engineering has characteristics of extensive distribution， complicated space distribution， and large quantity of projects， it is difficult to manage and protect them by conventional means. We made an initial exploration on the critical techniques and methods of irrigation and drainage engineering construction and management and protection based on remote sensing technology， aimed at improving the informatization level in the construction and management of irrigation and drainage engineering. The key technologies and methods of applying remote sensing technology on informatization construction and management and protection of irrigation and drainage engineering were studied. And based on the application requirements of informatization management and protection of irrigation and drainage engineering， the primary design of "intelligent irrigation and drainage engineering comprehensive application system" was proposed.

Key words： remote sensing technology; irrigation and drainage engineering; management and protection

在國家政策的大力支持與農村、農業發展的迫切需求下，近年來，國家及各省均投入了巨資實施大型灌區續建配套與節水改造、小型農田水利工程等農田水利工程項目建設。農田水利工程具有范圍大、空間分布復雜、工程數量多等特點，利用傳統測量調查和人工巡視的手段進行農田水利工程的信息采集和管護時存在采集速度慢、時效性差、耗時長、人力需求大等問題。隨著“放管服”改革的全面推進，水利行政主管部門需在新形勢下利用高新技術進一步加強并完善農田水利工程的建設和管護措施，確保“放得下、管得好”。在此背景下，傳統的農田水利工程建設和管護手段及信息采集措施已經漸漸不能滿足農田水利工程信息化與現代化發展的需求。

遙感（Remote Sensing，RS）影像具有分辨率高、時效性強、信息量豐富、覆蓋面積廣等特點，可彌補利用傳統技術手段進行農田水利工程建設和管護的不足。隨著中國高分系列、資源系列等航天衛星的不斷發射，以及低空無人機技術的飛速發展，使得多分辨率、多時相、多類別的RS影像的獲取日益便利。因此，開展基于RS數據和其他輔助數據的農田水利工程信息化管理應用所需的技術、條件、方法的探索，對于大力推進農田水利信息化建設進程具有重要意義。

1? 基于高分辨率遙感影像的農田水利工程信息提取

利用RS影像數據進行農田水利工程信息提取的方法主要有目視解譯、面向對象法[1，2]、監督分類[3]、非監督分類（K均值聚類）[4]、機器學習（支持向量機、隨機森林）[5]、數學形態學、hough變換[6]等。農田水利工程信息的提取流程一般如下：①根據高分辨率RS影像與矢量電子地圖的數學基礎，對RS影像進行糾正、配準等進行預處理;②基于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺將水系與水利圖層疊加到RS影像上，形成農田水利工程數據內業采集的工作底圖;③在工作底圖上根據農田水利工程的類型分類采集農田水利工程信息;④基于農田水利工程專題圖的制圖標準，按點、線、面將農田水利工程信息符號化整理和屬性賦值。

目前，基于RS技術進行農田水利工程信息提取時，主要是提取農田水利工程的灌排水渠信息，對于泵站、閘門、水位計等無法通過遙感影像直接識別出來。渠系的最終提取結果的精度與渠系狀態（有無水）、渠系等級、使用RS影像的分辨率、影像獲取時間以及所使用的提取方法均有較大關系。

2? 基于遙感技術的農田水利工程建設應用

基于RS技術農田水利工程建設應用主要包括基于RS技術的農田水利工程規劃設計、農田水利工程建設工程情況監測[7]、農田水利工程輔助驗收等方面[8]，其中基于RS技術的農田水利工程規劃設計又包括農田水利工程的規劃底圖制作[9]和基于3S技術的農田水利灌排渠道選線[10]。

2.1? 基于3S技術的農田水利灌排渠道選線

RS具有宏觀性、穿透性、真實性和全面性的特點，其可作為信息源，快速準確地獲取工程區域的水文地質、土地利用、各級灌排渠道的控制范圍、人口分布、交通條件等信息。全球定位系統（Global Positioning System，GPS）可實時、高效地提供高精度的定位信息，且操作簡單、無需點間通視，因此，主要被用于灌排渠道的初測、定測以及對RS影像的定位校正等方面，為選擇最優線路提供定位保障。GIS主要被用作渠道選線的分析工具，GIS將選線所需的RS、GPS等基礎資料分層存儲和管理，并利用其強大的數據綜合、地理模擬和空間分析功能對各種信息進行疊加和分析，制作各種專題圖像。

利用3S技術進行農田水利灌排渠道的優化選線，使得難以到達地區（困難地區、危險地區等）的空間信息的獲取變得便利可行。RS與GIS技術相結合制作遙感地質工程圖，進行縱橫斷面和灌區控制范圍分析，通過綜合分析地形、地貌與工程地質條件之間的關系，可使灌排線路避開透水性強和易塌方的不良地質地段、居民區等。首先，快速科學地選定干支渠最優線路、渠系建筑物位置以及各支渠分水位等信息;其次，基于高分辨率RS影像、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），利用GIS中的相關環境數據庫生成真三維模型，進行工程建設區的地形和地質情況分析，并對所選線路進行三維透視，查看線形是否順暢、水流是否無阻礙，以最終確定選線信息。

2.2? 農田水利工程建設進度監測和輔助驗收

在農田水利工程建設中不定時地獲取項目區RS影像，結合農田水利工程規劃圖，對比分析工程建設進展情況。在此基礎上，對發現問題較多、進展緩慢的項目建設區進行實地檢查，以此提高檢查效能，促進農田水利工程項目建設的順利進行。在農田水利工程項目建設完成后，將農田水利工程竣工圖與項目區農田水利工程建設完成后獲取的高分辨率RS影像進行對比分析，宏觀把握項目建設完成情況;并在此基礎上有針對性地對農田水利工程進行驗收，以節省驗收時間并保證項目驗收工作質量。

3? 基于遙感技術的農田水利工程管護

農田水利工程管護是指對農田水利工程設施進行管理保護和對農田灌溉水資源進行合理調配與運用，以促進農業穩產高產的同時節約水資源。農田水利工程管護的主要工作包括農田水利工程設施監測與保護、農田灌溉用水計劃、灌溉水量調度與進度管理、灌溉效果與用水效率評價等。農田水利工程的管護工作需要大量農作物信息、農田水利、水資源等基礎數據為支撐，如農田水利工程的分布、灌區作物種植結構、作物長勢[11]、作物灌溉定額、來水量、灌溉進度、灌溉面積、灌溉水量等信息。目前，應用于農田水利工程管護的相關信息的獲取主要依賴于人工測量調查或逐級統計匯報等傳統方式，但是傳統方式又存在著監測站點少、耗時費力、更新周期長等不足。傳統農田水利管護方法由于不能及時準確地獲得大范圍水、土、農作物等相關信息，農業灌溉用水調度多基于經驗調度安排，使得灌區不能基于農情、水情的變化情況進行科學動態的用水管理。

3.1? 基于遙感技術的農田用水計劃

農田用水計劃主要是指基于灌區內作物種植結構、作物長勢、作物旱澇情況、灌溉定額等信息進行農田灌溉用水計劃安排。目前，農田灌溉用水計劃所需作物分布和長勢等信息的獲取主要依賴于人工調查、經驗估算、典型調查推算等傳統技術手段。但是由于中國目前大部分地區作物種植的多樣性和分布范圍廣泛性，造成信息獲取的空間范圍和差異也較大，僅依靠傳統技術手段難以獲取灌區大面積準確、及時的用水信息。因此，利用RS技術進行作物種植信息結構獲取[12]、作物長勢調查[13]、作物旱澇情況監測[14]等應用成為科學合理安排用水計劃的必然技術手段。

3.2? 基于3S技術的灌溉水資源優化配置

灌溉水資源的優化配置一般指將灌溉水資源進行時間和空間上的優化配置。灌溉水資源的優化配置涉及到農田水利學、水文學、氣象學、農學以及管理學諸多學科，灌溉水資源的優化配置可提高農業水資源利用率和作物產量，繼而提高農業生產的經濟和社會效益[15，16]。

基于3S技術的灌溉水資源優化配置的主要流程如下：首先，收集和處理研究區內的RS、水利、氣象等多源空間信息及屬性資料;然后，分析各灌溉渠道的控制灌溉面積以及不同級別渠系之間的隸屬與關聯關系，基于作物-水模型與農田水量平衡系統地研究灌溉用水量關系，同時分析影響灌溉增產效益的因素，確定優化目標及約束條件，建立灌溉水量優化分配模型，并利用智能算法對模型進行求解，來尋求最優的灌溉面積和配水流量，以實現灌區尺度上的智能優化灌溉配水（圖1）。

在完成灌區尺度灌溉用水的優化配置后，再根據灌區內各類農作物種植分布進行渠系尺度的灌溉用水優化配送。渠系尺度的灌溉水資源優化配置通常與優化輪灌結合，首先清理配水和被配水的渠道;其次，基于灌區內作物分布與渠系的實際情況構建灌區內的最優輪灌模型，并利用智能算法對選定的渠系灌溉水資源優化配置模型求解;最后，完成對灌區內渠系尺度輪灌工作制度的編制。

3.3? 基于遙感技術的灌溉效果與用水效率評價

水分是保障農業生產最為重要的條件，特別在天然降水量較少的干旱地區，其農業生產活動主要依賴于灌溉，因此灌溉水資源對該類地區尤為珍貴，灌溉效果與用水效率評價對于更好地進行水資源優化配置具有重要意義。農田灌溉效果與用水效率的評價需要灌溉引水量、灌溉耗水量、作物種類、作物種植面積以及作物產量等信息作支撐。目前，大部分干渠只對主要灌溉渠道的分水進行監測并可較容易獲取監測數據，但是對于各類作物的耗水量、作物長勢與產量無法實現大規模的監測與數據獲取。

隨著RS技術在區域蒸散發計算模型、作物分類識別和作物產量估算等領域應用技術的快速發展和日益成熟，為灌區尺度的農業灌溉效果和水資源利用效率定量評價提供了科學的數據基礎[17]?；赗S技術的農田灌溉效果和農作物水分利用效率評價思路如下：首先，基于RS技術利用蒸散發模型估算灌區蒸散發量，并利用蒸散發量除去基于降水得到的灌溉水的有效消耗量，繼而可估算出灌溉水的有效利用率;其次，基于RS作物識別技術得到灌區主要農作物空間分布信息，并利用基于RS技術的作物產量估算模型估算各類主要農作物產量，進一步基于作物的蒸散發量和產量估算作物水分利用效率（圖2）。

4? 基于3S技術的智慧農田水利信息化管護綜合應用系統

基于RS、GIS、GPS、計算機、物聯網等技術的智慧農田水利信息化管護綜合應用系統是農田水利工程信息化和智能化建設的重要組成部分，建設一個集數據采集、數據共享和信息管理應用于一體的農田水利綜合管理與服務系統，可以為各級政府、水利和農業相關部門提供技術支持、信息共享、快速查詢等便捷服務。智慧農田水利信息化管護綜合應用系統的整體設計和各管理應用模塊（具體包括基于3S技術的農田水利灌排渠道智能選線模塊、基于RS技術的農田水利工程建設進度監測與輔助驗收模塊、基于RS技術的農田旱澇災情監測預警模塊、基于3S技術的灌排水調度模塊、基于RS技術的灌溉面積與灌溉進度監測模塊、基于3S技術的灌溉水資源優化配置模塊、基于RS技術的灌溉效果與用水效率評價模塊等）的設計與研發。

智慧農田水利信息化管護綜合應用系統力爭按照“一張農田水利網絡、一張地圖展示、一個數據中心、一個集成門戶”的標準打造省級智慧農田水利信息化管護應用系統，實現省級農田水利數據的全面整合與共享，為農田水利工程管理、農田水利政務管理、應急指揮等核心管理業務提供強有力的信息化支撐，為省級農田水利安全運行與科學調度提供智慧化的管理手段。

農田水利信息化建設涉及到農田水利信息采集、傳輸、存儲、管理、應用等，其關鍵在于實現各種采集數據的整合，規范數據庫結構和以采集信息為基礎的業務應用，為農田水利工程管理單位、上級領導及公眾信息服務。系統的總體框架包括農田水利信息采集與監控體系、資源共享服務體系、綜合業務應用體系、網絡及服務器等軟件硬件設施、技術標準及建設與運行管理規程，總體框架見圖3。

5? 小結

基于遙感技術進行農田水利工程信息提取，在不斷豐富的高分辨率RS數據和日益成熟的提取技術的基礎上可以實現并被逐漸應用;目前的提取方法主要還是基于目視解譯的人機交互提取，并且提取信息較為單一?；赗S、GIS、計算機等技術的農田水利工程規劃底圖制作和灌排渠道優化選線改變了傳統的制圖和規劃手段，考慮的問題更加直觀全面，輕松實現定性、定位和定量分析，方便快捷地選出最優線路，既減少了人力物力投入，又提高了工作效率和規劃的科學性?；谶b感技術進行農田水利工程的管護，可以改變原有的監管模式，提高監管效率。為農田水利工程監管提供直觀的空間分布圖，大大縮小監管時間間隔，對每年農田水利工程的新建、維護提供最直接的證據，將監管行為從被動模式變為主動模式。可以實現事后監管向過程監管轉變，從粗放式向科學化監管轉移。

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