位山灌區(qū)遙感數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建設(shè)

蔣新光，王 超

(聊城市位山灌區(qū)管理服務(wù)中心，山東 聊城 252000)

1 概 述

位山灌區(qū)渠首設(shè)計引水流量240 m3/s，設(shè)計灌溉面積36×104hm2。隨著位山灌區(qū)不斷加大投入力度，水利工程以及灌溉面積適度增長，節(jié)水灌溉發(fā)展迅速，灌溉用水效率穩(wěn)步提高。因此，快速、準(zhǔn)確確定灌區(qū)邊界、確定新增水利工程、調(diào)查分析灌區(qū)灌溉面積變化、灌溉進(jìn)度，科學(xué)分析土壤鹽堿化面積顯得尤為重要。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，綜合利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可提高工作效率、節(jié)省工作成本，具有良好的應(yīng)用前景。

2 遙感數(shù)據(jù)分析方法

2.1 確定灌區(qū)邊界

從目視解譯角度來看，高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)如高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，地物邊界明顯，紋理較清晰，層次較豐富，水渠、農(nóng)田、建筑可以很好地識別。灌溉區(qū)在高分辨率影像表現(xiàn)出有植被覆蓋，且斑塊較為明顯，可以通過矢量化得到灌區(qū)邊界。具體操作流程見圖1。

圖1 確定灌區(qū)邊界技術(shù)路線圖

2.2 確定灌溉面積及灌溉進(jìn)度

2.2.1 監(jiān)測技術(shù)路線

灌溉面積及灌溉進(jìn)度監(jiān)測方案實施流程主要包括以下幾部分：影像選取、影像預(yù)處理、模型構(gòu)建、計算指數(shù)、根據(jù)灌溉前后指數(shù)差值估算差異閾值，最后分析灌溉進(jìn)度。主要技術(shù)路線見圖2。

圖2 灌區(qū)面積及灌溉進(jìn)度監(jiān)測技術(shù)路線

2.2.2 垂直干旱指數(shù)(MPDI)

遙感具有大范圍、高分辨率、多時相等優(yōu)點，可以反映土壤含水量時空變化情況，進(jìn)而獲取灌溉面積以及灌溉進(jìn)度，并且遙感影像具有易獲取、低成本的優(yōu)勢[1-2]。

目前，基于遙感方法獲取灌溉區(qū)域面積的方法有許多，主要包括基于光學(xué)遙感影像的指數(shù)法、土壤熱慣量法；基于被動微波遙感的單值反演和多值反演算法；基于主動微波遙感的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀虢?jīng)驗?zāi)Ｐ秃臀锢砟Ｐ蚚3-5]。位山灌區(qū)遙感數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)選用修正的垂直干旱指數(shù)(MPDI)對灌溉區(qū)面積信息進(jìn)行提取。

一般情況下，可以根據(jù)土壤含水量和植被長勢分析土壤的干旱情況。植被對紅光波段具有較強的吸收作用，這種作用隨著植被密度的增大而增大。土壤含水量的增加導(dǎo)致土壤在近紅外波段的反射率增強。根據(jù)這種特性可以構(gòu)造Nir-Red 光譜特征空間，利用光波的變化查明土壤含水量的變化。計算公式如下：

(1)

式中：PDI為垂直干旱指數(shù)；Rred、Rnir分別為紅、近紅外波段的反射率；M為土壤線率。

在遙感數(shù)據(jù)中，土壤會對未完全覆蓋的植被冠層的光譜特性產(chǎn)生影響，因此利用上述方法分析植被特征時需要消除土壤的干擾。同時，利用遙感監(jiān)測土壤相關(guān)特性(如溫度、含水量等)過程中，也需要考慮植被光譜對土壤監(jiān)測光譜的影響。利用修正的垂直干旱指數(shù)以減少數(shù)據(jù)的干擾，計算方法如下：

(2)

式中：RS,Red和RS,Nir分別為土壤在紅波段和近紅外波段反射率。

在修正過程中，引入植被覆蓋度(fv)參數(shù)，是為了消除Nir-Red特征空間中植被光譜信息，從而獲取更加純凈的信息，以保證結(jié)果解譯的準(zhǔn)確性。植被覆蓋度是反映植被冠層的重要參數(shù)，該參數(shù)和植被葉面積關(guān)系極為密切。根據(jù)相關(guān)研究成果可以得知，可通過植被葉面積推求植被覆蓋度。

2.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.2.3.1 大氣校正

大氣校正是定量遙感中不可忽略的工作內(nèi)容，該步驟對精度影響較大，通過大氣校正可消除大氣和光照等因素產(chǎn)生的誤差，其過程是將表觀反射率轉(zhuǎn)換成地表實際反射率。

2.2.3.2 幾何校正

幾何校正的目的是通過坐標(biāo)變換，建立地面與圖像坐標(biāo)系之間的關(guān)系。

1)MPDI模型構(gòu)建。首先計算每幅影像的歸一化植被指數(shù)NDVI，在NDVI的基礎(chǔ)上計算計算相應(yīng)的植被覆蓋度fv，結(jié)合式(2)計算MPDI指數(shù)。同時，統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)四景影像MPDI最大值、最小值及均值。

2) 差異閾值選取：

①不同閾值對應(yīng)灌溉區(qū)域計算。以修正的垂直干旱指數(shù)MPDI為指標(biāo)進(jìn)行差異閾值的設(shè)定：

I=MPDIt1-MPDIt2

(3)

式中：I為受灌溉影響的程度，當(dāng)I小于某一閾值，可認(rèn)為該區(qū)域無灌溉；MPDIt1、MPDIt2分別為灌溉前后的MPDI，其值越大表明越干旱。

由于灌溉前后土壤含水量差值較大，兩景的MPDI差值較大。通過試算設(shè)定不同的差異閾值I，得到局部變化圖見圖3。

圖3 設(shè)定不同的差異閾值I后控制區(qū)域灌溉面積的變化情況

②閾值選取分析。通過分析開閘放水灌溉時間以及干渠和支渠放水時間等確定閾值。

針對某地2011年秋水全灌，采用10月20日至11月09日，共四景數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值選取。設(shè)定差異閾值為I=0.15，計算四景MPDI影像差值變化分析，見圖4。

圖4 2011年10-11月份四景MPDI影像差值分析結(jié)果

圖4中，黑色區(qū)域代表灌溉區(qū)域，從第三幅圖中可看到白色區(qū)域，該區(qū)域為河流。該河流在影像中均為白色，表示該河流沒有進(jìn)行灌溉，與實際情況一致。通過對比，第二幅圖比第一幅圖黑色區(qū)域明顯加深，這表明灌溉不斷進(jìn)行，灌溉面積不斷增大。根據(jù)資料，這部分區(qū)域期間有一次秋水灌溉,當(dāng)開閘放水一段時間后，灌區(qū)內(nèi)干支渠分別灌滿水，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H介紹，全灌時間為半個月。根據(jù)圖4可知，30日時地表部分土壤得到灌溉。隨著時間增加，面積不斷擴大，到11月09日時大部分區(qū)域已經(jīng)得到灌溉，這與實際情況基木相吻合。

3) 灌溉進(jìn)度監(jiān)測。基于分析得到的閾值，結(jié)合研究區(qū)支干渠實際所在的控制區(qū)域，計算出對應(yīng)的灌溉面積，從而監(jiān)測灌溉范圍和灌溉進(jìn)度。

3 土壤鹽堿化遙感監(jiān)測

3.1 技術(shù)流程

圖5為土壤鹽堿化遙感監(jiān)測流程圖。在遙感影像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用遙感分類方法從遙感影像上提取鹽堿地信息。

圖5 技術(shù)路線圖

3.2 監(jiān)督分類

監(jiān)督分類是通過目視判讀和野外調(diào)查，了解遙感圖像上某些樣區(qū)中影像地物的類別屬性，選取一定數(shù)量訓(xùn)練樣本，通過訓(xùn)練，使其符合分類要求；隨后用判決函數(shù)對其他待分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分類[6-7]。

遙感影像的監(jiān)督分類一般包括以下6個步驟，見圖6。監(jiān)督分類方法提取鹽堿地見圖7。

圖6 監(jiān)督分類步驟

圖7 監(jiān)督分類方法提取鹽堿地

4 結(jié) 語

通過獲取的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，可以獲取灌區(qū)大面積、廣范圍的數(shù)據(jù)。利用多種解譯方法、分析方法可以獲取較為準(zhǔn)確的灌溉范圍、灌區(qū)邊界、土地鹽堿化情況等數(shù)據(jù)。通過比對遙感解譯數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)，遙感解譯數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，可在灌區(qū)信息化系統(tǒng)建設(shè)中加以推廣應(yīng)用。