本發(fā)明涉及一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種利用遙感數(shù)據(jù)反演實(shí)現(xiàn)灌區(qū)稻田水位精準(zhǔn)控制以及減少灌區(qū)稻田農(nóng)業(yè)面源污染流失的智能灌排決策方法及系統(tǒng)。該方法屬于面源污染防控技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水稻是中國(guó)主要的糧食作物之一，占糧食總產(chǎn)量的40％左右。由于水稻的生理特性，整個(gè)生長(zhǎng)階段需要大量的灌溉用水。稻田耗水量大，但水分利用率較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)水稻的種植面積約為全國(guó)糧食種植總面積的28％，但其耗水量占農(nóng)業(yè)總用水量的65％以上，是全國(guó)總用水量的54％左右。而施入稻田的化肥及農(nóng)藥等污染物會(huì)隨稻田徑流或田間排水進(jìn)入附近水體造成了嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染。稻田的灌排水不及時(shí)、水分利用率低以及隨田間排水的面源污染流失問(wèn)題，已經(jīng)成為限制灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此針對(duì)稻田需水特征及面源污染流失特征，開(kāi)展灌區(qū)稻田精準(zhǔn)水位控制，這對(duì)提高稻田水資源利用率和減少面源污染具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

在傳統(tǒng)的稻田管理過(guò)程中，農(nóng)民憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行田間灌排作業(yè)，使得稻田的灌排水量不精確也不及時(shí)，既浪費(fèi)了地下水又影響了水稻的正常生長(zhǎng)。為了更方便和準(zhǔn)確進(jìn)行稻田灌排管理，可以在田間布置各種傳感器，通過(guò)無(wú)線(xiàn)接收方式收集田間土壤墑情，形成稻田的自動(dòng)灌排水決策支持系統(tǒng)(如專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)為CN102726273A，一種作物根區(qū)土壤水分監(jiān)測(cè)與智能灌溉決策方法；專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)為CN202722193U，稻田節(jié)水灌溉決策支持系統(tǒng))。雖然這種方法可以較為精確的控制稻田水位，但各種傳感器的布置不僅會(huì)擾動(dòng)水稻的生長(zhǎng)生態(tài)環(huán)境，而且還會(huì)消耗大量人力和財(cái)力，不適合大面積灌區(qū)稻田的水位精準(zhǔn)控制。

遙感技術(shù)是根據(jù)電磁波理論，從人造衛(wèi)星、飛機(jī)或其他飛行器上的各種傳感器對(duì)目標(biāo)所輻射和反射的電磁波信息進(jìn)行收集、處理和成像，從而進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的一種綜合技術(shù)。農(nóng)業(yè)遙感技術(shù)能夠通過(guò)快速準(zhǔn)確地收集與分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)信息，定時(shí)、定量、定位進(jìn)行科學(xué)的農(nóng)業(yè)管理，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要手段。在農(nóng)田土壤水分監(jiān)測(cè)與灌溉預(yù)報(bào)方面，遙感技術(shù)被廣泛用來(lái)對(duì)區(qū)域的土壤水分和旱情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用來(lái)形成智能灌溉決策方法，如孟治國(guó)等(專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)CN106018439A)公開(kāi)了微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，王橋等(專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)CN102252973A)公開(kāi)了一種土壤含水量遙感監(jiān)測(cè)方法，蔡甲冰等(專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)CN104123444A)公開(kāi)了基于區(qū)域墑情監(jiān)測(cè)和遙感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)及方法。

不同于其他農(nóng)田，除了保證稻田的土壤水分充足外，還需在稻田的生長(zhǎng)階段控制田面水位。目前，現(xiàn)有的專(zhuān)利，一方面通過(guò)獲取遙感數(shù)據(jù)分析灌區(qū)的土壤墑情，進(jìn)行灌溉決策，但缺乏對(duì)稻田田面水位的數(shù)據(jù)分析；另一方面，通過(guò)布置在農(nóng)田的各種傳感器(土壤溫濕 傳感器、土壤水位傳感器等)，進(jìn)行灌排智能決策分析。本發(fā)明將在灌區(qū)尺度使用遙感技術(shù)，根據(jù)農(nóng)田水分平衡方程，通過(guò)分析稻田水位、蒸散發(fā)量、稻田土壤濕度及氣象信息等，形成灌區(qū)尺度的稻田智能灌排決策方法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)稻田水位的精準(zhǔn)控制，同時(shí)減少稻田面源污染的排放。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法和系統(tǒng)。其能夠結(jié)合遙感數(shù)據(jù)計(jì)算灌區(qū)稻田的灌排水量，旨在解決灌區(qū)稻田水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、大面積稻田精準(zhǔn)水位控制難及灌排決策智能化水平低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的而提供的一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法，所述方法，包括下列步驟：

步驟一，遙感數(shù)據(jù)獲取，從Terra和Qqua衛(wèi)星遙感平臺(tái)上獲取MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、從國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列平臺(tái)獲取氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及利用無(wú)人機(jī)載紅外測(cè)距傳感器獲取稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品；

步驟二，遙感數(shù)據(jù)反演，基于獲取的多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)灌區(qū)水稻的關(guān)鍵生育時(shí)期識(shí)別、稻田蒸散發(fā)量、植物截留量、稻田土壤濕度、氣象信息以及田面水位等要素信息進(jìn)行反演及提取；

步驟三，灌排決策分析，由遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演獲得的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的稻田需求水位進(jìn)行比較，低于稻田需求水位時(shí)進(jìn)行灌溉，高于稻田田面水位時(shí)進(jìn)行排水。

所述步驟一中的MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，選取由MODIS陸地工作組提供的經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的MODIS陸地產(chǎn)品數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以通過(guò)MODIS陸地工作組的產(chǎn)品處理和分發(fā)中心(LPDAAC)(http://LPDAAC.usgs.gov)免費(fèi)獲取；

所述步驟一中的通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列獲得的氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品，主要包括日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量等信息；

所述步驟一中的稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器安置在小型無(wú)人機(jī)上獲??；

所述步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演的數(shù)據(jù)主要有降雨量P、稻田田面水位、水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分RSW、蒸散發(fā)量ETa、植被截留量和徑流量RQ；

所述步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演的主要內(nèi)容如下：

A、降雨量及預(yù)測(cè)降雨量：

日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列所形成的日尺度降水產(chǎn)品及預(yù)測(cè)降雨產(chǎn)品獲得；

B、稻田田面水位反演：

稻田田面水位通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)反演稻田的田面水位，使得田面水位測(cè)量分辨率達(dá)到5mm；

C、水稻關(guān)鍵生育期反演：

水稻關(guān)鍵生育期反演采用增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)法，監(jiān)測(cè)區(qū)的EVI值可通過(guò)MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲得；通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲得監(jiān)測(cè)區(qū)的EIV時(shí)間序列，并采用傅立葉和小波低通濾波法算法去除噪聲，得到較為平滑的EVI時(shí)間序列；根據(jù)水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和EVI的關(guān)系，反演水稻的關(guān)鍵生育期。

D、土壤水分反演：

土壤水分反演采用溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)(Sanhot,2002)，其基本原理為研究區(qū)域的植被指數(shù)(EVI)和地表溫度(Ts)可以構(gòu)成TVDI的三角形特征空間；溫度植被干旱指數(shù)TVDI和土壤相對(duì)含水量RSM的計(jì)算公式如下：

RSM＝RSM_W-TVDI*(RSM_W-RSM_D) (2)

式中，Ts為研究區(qū)內(nèi)任一像元的地表溫度；Ts_max為研究區(qū)內(nèi)EVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，即干邊，在干邊上TVDI＝1；Ts_min為研究區(qū)內(nèi)EVI對(duì)應(yīng)的最低地表溫度，即濕邊，在濕邊上TVDI＝0；RSM_W是濕邊上最大土壤相對(duì)含水量，濕邊的土壤相對(duì)含水量為田間持水量，為100％(Gillies et al.,1997)；RSM_D為干邊最小土壤相對(duì)含水量；由公式(2)得到RSM_D的表達(dá)式如下所示：

根據(jù)野外實(shí)測(cè)土壤相對(duì)含水量RSM和所對(duì)應(yīng)的TVDI值帶入公式(3)，求得RSM_D值，通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)多點(diǎn)的RSM_D值求得平均RSM_D，然后根據(jù)公式(2)求出監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)每個(gè)像元點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水量RSM；

E、蒸散發(fā)反演：

蒸散發(fā)反演根據(jù)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得出瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET，再通過(guò)積分運(yùn)算課得出區(qū)域蒸散發(fā)量ETa；其中瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET計(jì)算公式如下：

式中，Rn為地表凈輻射量，G為土壤熱通量，H為顯熱通量，λ為氣化潛熱；

①地表凈輻射量Rn采用下述公式(5)計(jì)算：

R_n＝(1-α)*R_S+R_L (5)

其中，α為地表反照率，R_S為短波輻射，R_L為長(zhǎng)波輻射，所述的三個(gè)值均可以通過(guò)MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)計(jì)算獲得；

②土壤熱通量G采用下述公式(6)計(jì)算：

式中，為植被覆蓋比例系數(shù)；為裸土比例系數(shù)；f_c為植被覆蓋度；在地表全部被植被覆蓋，(Monteith,1973)，而裸土(Kustas et al.,1989)；式中植被覆蓋度f(wàn)_c由下述公式(7)計(jì)算：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVImin對(duì)應(yīng)裸土，取值0.2；NDVImax對(duì)應(yīng)全覆蓋植被，取值0.86；NDVI由MODIS產(chǎn)品獲得；

③顯熱通量H采用下述公式(8)計(jì)算：

式中：ρ為空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為1.29kg m^-3；C_P為正常壓力值下的空氣熱容，為1.004Jkg^-1K^-1；T_s為地表溫度，可由MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲得；T_a為參考高度處的空氣溫度，可通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際測(cè)定獲得；r_a為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗，依賴(lài)于監(jiān)測(cè)區(qū)表面的粗糙度，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況設(shè)定；

④氣化潛熱λ采用下述公式(9)計(jì)算：

λ＝2.5–0.0022T_a (9)

式中，T_a為參考高度處的空氣溫度，可通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際測(cè)定獲得；

F、植被截留量反演：

植被截留量反演通過(guò)衛(wèi)星遙感產(chǎn)品獲得的植被覆蓋度和LAI數(shù)據(jù)，以及通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系類(lèi)獲得的日尺度降雨量計(jì)算獲得；采用下述公式(10)計(jì)算植被截留量S_v：

式中，f_c為植被覆蓋度；S_max為植被最大截留量；η為校正系數(shù)；p為累積降雨量；植被覆蓋度f(wàn)_c可由公式(7)計(jì)算獲得；植被最大截留量S_max和校正系數(shù)η值取決于葉面指數(shù)LAI，分別由下述公式(11)和(12)計(jì)算：

S_max＝0.935+0.498*LAI-0.00575*LAI² (11)

η＝0.046*LAI (12)

式中，LAI可以由MODIS遙感產(chǎn)品獲得；

G、徑流反演：

徑流主要地表徑流SRQ、壤中流SFQ和地下徑流URQ組成，分別由下述公式(13)、(14)和(15)計(jì)算：

SFQ＝RSM_L*δ*Thick_L (14)

URQ＝RSM_U*ε*Thick_U (15)

式中，RSMs為表層土壤含水量；RSMso為表層土壤飽和含水量；P-Sv為有效降雨量(降雨量-植被截留量)；RSM_L為深層土壤含水量和地下層含水量；Ψ為覆蓋影響參數(shù)；β為土壤飽和后徑流系數(shù)；γ為土壤水影響系數(shù)；δ和ε為壤中流和地下徑流的出流系數(shù)，Thick為土壤厚度；除Ψ、β、γ、δ、ε和Thick六個(gè)數(shù)據(jù)需根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況設(shè)定外，其他數(shù)據(jù)均可由遙感反演獲得。

所述步驟三的灌排決策分析，將利用遙感數(shù)據(jù)反演獲得的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的水稻需求水位進(jìn)行比較，形成灌排決策；其中稻田需求水位需要根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)具體的水稻關(guān)鍵生育期生長(zhǎng)水分需求進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀低于稻田需求水位H時(shí)，形成灌溉決策；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀高于稻田需求水位H時(shí)，形成排水決策；具體灌溉量I和排水量D分別采用下述公式(16)和(17)計(jì)算：

I＝ETa+Sv+RQ+ΔRSM-H₀-P (16)

D＝H₀-P-ETa-Sv-RQ-ΔRSM (17)

式中，ΔRSM為初始土壤含水量RSM₀與測(cè)定時(shí)的土壤含水量RSM的差值；蒸發(fā)量ETa、截留量Sv、徑流量RQ、土壤含水量RSM、降雨量P和稻田田面水位H₀均可由步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演獲得。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的還提供一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策系統(tǒng)，所述系統(tǒng)，包括：

遙感數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并傳輸給遙感數(shù)據(jù)反演模塊；

遙感數(shù)據(jù)反演模塊，用于反演灌排決策分析模塊所需的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、稻田蒸散發(fā)量、植物截留量、稻田土壤濕度、氣象信息以及田面水位等要素信息，并將要素信息傳輸給灌排決策分析模塊；

灌排決策分析模塊，用于形成灌區(qū)稻田灌排決策；利用遙感數(shù)據(jù)反演獲得的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的水稻需求水位進(jìn)行比較，形成灌排決策；

進(jìn)一步的，所述的遙感數(shù)據(jù)獲取模塊包括MODIS數(shù)據(jù)獲取模塊、氣象數(shù)據(jù)獲取模塊及田面水位數(shù)據(jù)獲取模塊；MODIS數(shù)據(jù)獲取模塊可以通過(guò)MODIS陸地工作組的產(chǎn)品處理和分發(fā)中心(LPDAAC)(http://LPDAAC.usgs.gov)免費(fèi)獲取；氣象數(shù)據(jù)獲取模塊可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列免費(fèi)獲取；稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)獲?。?/p>

所述的遙感數(shù)據(jù)反演模塊，包括：

降雨量模塊：用于測(cè)定灌區(qū)的日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量；降雨量可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng) 云系列所形成的日尺度降水產(chǎn)品及預(yù)測(cè)降雨產(chǎn)品獲得；

稻田田面水位模塊：用于測(cè)定灌區(qū)稻田田面水位；通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)反演稻田的田面水位，使得田面水位測(cè)量分辨率達(dá)到5mm；

水稻關(guān)鍵生育時(shí)期反演模塊，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期；采用增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)法，監(jiān)測(cè)區(qū)的EVI值可通過(guò)MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲得；通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲得監(jiān)測(cè)區(qū)的EIV時(shí)間序列，并采用傅立葉和小波低通濾波法算法去除噪聲，得到較為平滑的EVI時(shí)間序列；根據(jù)水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和EVI的關(guān)系，反演水稻的關(guān)鍵生育期；

土壤水分反演模塊，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤水分狀況；采用溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)(Sanhot,2002)，其基本原理為研究區(qū)域的植被指數(shù)(EVI)和地表溫度(Ts)可以構(gòu)成三角形特征空間；通過(guò)分析溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)和土壤相對(duì)含水量(RSM)的關(guān)系計(jì)算求出研究區(qū)上每個(gè)像元點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水量RSM；

蒸散發(fā)量反演模塊，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的蒸散發(fā)量；根據(jù)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得出瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET，再通過(guò)積分運(yùn)算課得出區(qū)域蒸散發(fā)量ETa；瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET可以通過(guò)計(jì)算地表凈輻射量Rn，土壤熱通量G，顯熱通量H獲得；所述的三個(gè)值均可通過(guò)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品獲得；

植被截留量反演模塊，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)植被截留量；可以通過(guò)衛(wèi)星遙感產(chǎn)品獲得的植被覆蓋度和LAI數(shù)據(jù)，以及通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列獲得的日尺度降雨量計(jì)算獲得；

徑流反演模塊，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)徑流量；徑流主要地表徑流SRQ、壤中流SFQ和地下徑流URQ組成；所述三個(gè)值可由MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演計(jì)算獲得；

所述灌排決策分析模塊，包括灌排決策判斷模塊、灌溉量計(jì)算模塊和排水量計(jì)算模塊；其中，灌排決策判斷模塊中的稻田需求水位需要根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)具體的水稻關(guān)鍵生育期生長(zhǎng)水分需求進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀低于稻田需求水位H時(shí)，形成灌溉決策；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀高于稻田需求水位H時(shí)，形成排水決策；灌溉量計(jì)算模塊和排水量計(jì)算模塊中的灌溉量I和排水量D的計(jì)算參數(shù)均可由遙感數(shù)據(jù)反演模塊獲得。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法和系統(tǒng)，是基于農(nóng)田能量平衡原理，利用MODIS遙感數(shù)據(jù)、氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)及機(jī)載紅外測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，反演灌區(qū)農(nóng)田水量平衡參數(shù)，計(jì)算稻田灌排量；其優(yōu)點(diǎn)及功效在于能夠?qū)崿F(xiàn)灌區(qū)稻田精準(zhǔn)水位調(diào)控，達(dá)到灌排水量精準(zhǔn)化以及面源污染流失最小化；其次，將遙感技術(shù)應(yīng)用于稻田節(jié)水灌溉領(lǐng)域，通過(guò)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)裝載傳感器采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)稻田節(jié)水灌溉精準(zhǔn)水位控制；該方法和系統(tǒng)的建立可以解決灌區(qū)水資源浪費(fèi)、灌排水不及時(shí)以及灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染流失嚴(yán)重等問(wèn)題；同時(shí)，本發(fā)明具有較好擴(kuò)展性，可以應(yīng)用于其他農(nóng)田的精準(zhǔn)水資源管理中，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【附圖說(shuō)明】

圖1是本發(fā)明的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法的步驟流程圖。

圖2是本發(fā)明的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期識(shí)別反演的流程圖。

圖3是本發(fā)明的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI構(gòu)成的空間示意圖。

圖4是本發(fā)明的土壤水分反演的流程圖。

圖5是本發(fā)明的蒸散發(fā)量反演的流程圖。

圖6是本發(fā)明的植被截留量反演的流程圖。

圖7是本發(fā)明的徑流量反演的流程圖。

圖8是本發(fā)明的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法及系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

圖1是本發(fā)明的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法的步驟流程圖，如圖1所示，本實(shí)施例的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法包括下列步驟：

步驟一，遙感數(shù)據(jù)獲取，從Terra和Qqua衛(wèi)星遙感平臺(tái)上獲取MODIS遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、從國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列平臺(tái)上獲取氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及利用無(wú)人機(jī)載紅外測(cè)距傳感器獲取稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品；

步驟二，遙感數(shù)據(jù)反演，基于獲取的多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)灌區(qū)水稻的關(guān)鍵生育時(shí)期識(shí)別、稻田蒸散發(fā)量、植物截留量、稻田土壤濕度、氣象信息以及田面水位等要素信息進(jìn)行反演及提?。?/p>

步驟三，灌排決策分析，由遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演獲得的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的稻田需求水位進(jìn)行比較，低于稻田需求水位時(shí)進(jìn)行灌溉，高于稻田田面水位時(shí)進(jìn)行排水。

所述步驟一中的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)使用的主要為MODIS產(chǎn)品，所采用的MODIS波段的參數(shù)和主要用途如表1所示，可選取由MODIS陸地工作組提供的經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的MODIS陸地產(chǎn)品數(shù)據(jù)如表2所示，這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)均可以通過(guò)MODIS陸地工作組的產(chǎn)品處理和分發(fā)中心(LPDAAC)(http://LPDAAC.usgs.gov)免費(fèi)獲??；

表1具體實(shí)例中主要用的MODIS波段的參數(shù)和主要用途

表2具體實(shí)例中主要用的MODIS產(chǎn)品

所述步驟一中的通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列獲得的氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品，主要包括日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量等信息；

所述步驟一中的稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器安置在小型無(wú)人機(jī)上獲取；

所述步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演的數(shù)據(jù)主要有降雨量P、稻田田面水位、水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分RSW、蒸散發(fā)量ETa、植被截留量和徑流量RQ；

所述步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演的主要內(nèi)容如下：

A、降雨量及預(yù)測(cè)降雨量：

日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列所形成的日尺度降水產(chǎn)品及預(yù)測(cè)降雨產(chǎn)品獲得；

B、稻田田面水位反演：

稻田田面水位通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)反演稻田的田面水位；參考研究(劉超,2016)，稻田水位傳感器可選用GP2Y0A02紅外測(cè)距傳感器，其田面水位測(cè)量分辨率達(dá)到5mm；

C、水稻關(guān)鍵生育期反演：

圖2是發(fā)明的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期識(shí)別反演的流程圖，如圖2所示，水稻關(guān)鍵生育時(shí)期反演采用增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)法；本實(shí)施例中可采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品得到研究區(qū)時(shí)間序列的EIV，并采用傅立葉和小波低通濾波法算法去除噪聲，得到較為平滑的EVI時(shí)間序列；參考研究(孫華生,2008)，根據(jù)水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和EVI的關(guān)系，形成水稻的關(guān)鍵生育期識(shí)別程序；

圖3是本發(fā)明的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和增強(qiáng)型植被指數(shù)EVI構(gòu)成的空間示意圖；根據(jù)歷史遙感數(shù)據(jù)分析時(shí)間序植被指數(shù)曲線(xiàn)，結(jié)合歷史地面的觀測(cè)信息進(jìn)行校驗(yàn)，形成水稻的關(guān)鍵生育期識(shí)別程序；具體判別方法的建立過(guò)程為，利用傅立葉和小波低通濾波平滑后的時(shí)間序列植被指數(shù)曲線(xiàn)中找出植被指數(shù)(EVI)的最大值和最小值，并且計(jì)算出最大值和最小值的差值(ΔEVI)。由于水稻在移栽期有大量的田間水，植被指數(shù)最小，幾乎為0，所以植被指數(shù)最小時(shí)期為移栽期，當(dāng)植被指數(shù)開(kāi)始增加到超過(guò)ΔEVI的10％時(shí)，可以認(rèn)為是水稻為分蘗初期；抽穗期的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到了頂峰并開(kāi)始轉(zhuǎn)入生殖生長(zhǎng)為主的階段，所以植被指數(shù)值最大時(shí)為抽穗期，抽穗期后水稻開(kāi)始進(jìn)入乳熟期，當(dāng)植被指數(shù)變化不大接近最小值時(shí)，可認(rèn)定為成熟期；根據(jù)此方法對(duì)歷史的遙感數(shù)據(jù)分析，判別出的水稻物候期與地面所觀測(cè)的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行結(jié)果矯正，從而形成水稻物候期的判別方法，用以分析實(shí)時(shí)的遙感數(shù)據(jù)來(lái)確定水稻的具體生長(zhǎng)時(shí)期。

D、土壤水分反演：

圖4是本發(fā)明的土壤水分反演的流程圖，如圖4所示，土壤水分反演采用溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)(Sanhot,2002)，其基本原理為研究區(qū)域的植被指數(shù)(EVI)和地表溫度(Ts)可以構(gòu)成三角形特征空間；溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)和土壤相對(duì)含水量(RSM)的計(jì)算公式如下：

RSM＝RSM_W-TVDI*(RSM_W-RSM_D) (2)

式中，Ts為研究區(qū)內(nèi)任一像元的地表溫度；Ts_max為研究區(qū)內(nèi)EVI對(duì)應(yīng)的最高地表溫度，即干邊，在干邊上TVDI＝1；Ts_min為研究區(qū)內(nèi)EVI對(duì)應(yīng)的最低地表溫度，即濕邊，在濕邊上TVDI＝0；RSM_W是濕邊上最大土壤相對(duì)含水量，濕邊的土壤相對(duì)含水量為田間持水量，為100％(Gillies et al.,1997)；RSM_D為干邊最小土壤相對(duì)含水量，由公式(2)得到RSM_D的表達(dá)式如下所示：

根據(jù)野外實(shí)測(cè)土壤相對(duì)含水量RSM和所對(duì)應(yīng)的TVDI值帶入公式(3)，求得RSM_D值，通過(guò)多點(diǎn)的RSM_D求得平均的RSM_D，然后根據(jù)公式(2)求出研究區(qū)上每個(gè)像元點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水量RSM；本實(shí)施例中計(jì)算植被指數(shù)EVI可以采用的遙感數(shù)據(jù)為MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品，計(jì)算地表溫度Ts可采用MOD11A2產(chǎn)品。

E、蒸散發(fā)反演：

圖5是本發(fā)明的蒸散發(fā)量反演的流程圖，如圖5所示，根據(jù)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得出瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET，再通過(guò)積分運(yùn)算課得出區(qū)域蒸散發(fā)量ETa；其中瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET計(jì)算公式如下：

式中，Rn為地表凈輻射量，G為土壤熱通量，H為顯熱通量，λ為水的氣化潛熱；其中，本實(shí)施例中計(jì)算地表凈輻射量Rn可采用的遙感數(shù)據(jù)為MOD09A1、MOD09GA、MOD09Q1或MOD09GQ產(chǎn)品，計(jì)算土壤熱通量G可采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品，計(jì)算地表溫度Ts可采用MOD11A1或MOD11A2產(chǎn)品；

地表凈輻射量Rn采用下述公式(5)計(jì)算：

Rn＝(1-α)*R_S+R_L (5)

其中，α為地表反照率，R_S為短波輻射，R_L為長(zhǎng)波輻射，這三個(gè)值均可以通過(guò)MODSI產(chǎn)品獲得數(shù)據(jù)。

土壤熱通量G采用下述公式(6)計(jì)算：

式中：為植被覆蓋比例系數(shù)；為裸土比例系數(shù)；f_c為植被覆蓋度；在地表全部被植被覆蓋，(Monteith,1973)，而裸土(Kustas et al.,1989)；式中植被覆蓋度f(wàn)_c由下述公式(7)計(jì)算：

式中，NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVImin對(duì)應(yīng)裸土，取值0.2；NDVImax對(duì)應(yīng)全覆蓋植被，取值0.86；NDVI由MODIS13A1或MODSI13Q1產(chǎn)品獲得；

顯熱通量H采用下述公式(8)計(jì)算：

式中：ρ為空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為1.29kg m^-3；C_P為正常壓力值下的空氣熱容，為1.004Jkg^-1K^-1；T_s為地表溫度，可由MODIS11A1或MODIS11A2產(chǎn)品獲得；T_a為參考高度處的空氣溫度，可通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際測(cè)定獲得；r_a為空氣動(dòng)力學(xué)阻抗，依賴(lài)于監(jiān)測(cè)區(qū)表面的粗糙度，根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況設(shè)定；

氣化潛熱λ采用下述公式(9)計(jì)算：

λ＝2.5–0.0022T_a (9)

式中，T_a為參考高度處的空氣溫度，可通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)實(shí)際測(cè)定獲得。

F、植被截留量反演：

圖6是本發(fā)明的植被截留量反演的流程圖，如圖6所示，植被截留可通過(guò)衛(wèi)星遙感產(chǎn)品獲得的植被覆蓋度和LAI數(shù)據(jù)，以及通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云2號(hào)獲得的日尺度降雨量計(jì)算獲得。植被截留量S_v的計(jì)算公式為：

式中：C_V為植被覆蓋度；S_max為植被最大截留量；η為校正系數(shù)；為累積降雨量；植被覆蓋度f(wàn)_c可由公式(7)計(jì)算獲得；植被最大截留量S_max和校正系數(shù)η值取決于葉面指數(shù)LAI，分別由下述公式(11)和(12)計(jì)算：

S_max＝0.935+0.498*LAI-0.00575*LAI² (11)

η＝0.046*LAI (12)

式中，計(jì)算f_c可采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品，計(jì)算LAI可采用MOD15A2遙感產(chǎn) 品。

G、徑流反演：

圖7是本發(fā)明的徑流量反演的流程圖，如圖7所示，徑流主要地表徑流SRQ、壤中流SFQ和地下徑流URQ組成，分別由下述公式(13)、(14)和(15)計(jì)算：

SFQ＝RSM_L*δ*Thick_L (14)

URQ＝RSM_U*ε*Thick_U (15)

式中，RSMs為表層土壤含水量；RSMso為表層土壤飽和含水量；P-Sv為有效降雨量(降雨量-植被截留量)；RSM_L為深層土壤含水量和地下層含水量；Ψ為覆蓋影響參數(shù)；β為土壤飽和后徑流系數(shù)；γ為土壤水影響系數(shù)；δ和ε為壤中流和地下徑流的出流系數(shù)，Thick為土壤厚度；除Ψ、β、γ、δ、ε和Thick六個(gè)數(shù)據(jù)需根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況設(shè)定外，其他數(shù)據(jù)均可由遙感反演獲得；可采用國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云2號(hào)獲取日降雨量數(shù)據(jù)，可采用MOD13A1或MOD13Q1獲得植被指數(shù)EVI，采用MOD11A1或MOD11A2遙感產(chǎn)品獲得地表溫度Ts。

所述步驟三的灌排決策分析，將利用遙感數(shù)據(jù)反演獲得的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的水稻需求水位進(jìn)行比較，形成灌排決策；其中稻田需求水位需要根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)具體的水稻關(guān)鍵生育期生長(zhǎng)水分需求進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋0低于稻田需求水位H時(shí)，形成灌溉決策；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋0高于稻田需求水位H時(shí)，形成排水決策；具體灌溉量I和排水量D分別采用下述公式(16)和(17)計(jì)算：

I＝ETa+Sv+RQ+ΔRSM-H₀-P (16)

D＝H₀-P-ETa-Sv-RQ-ΔRSM (17)

式中，ΔRSM為初始土壤含水量RSM₀與測(cè)定時(shí)的土壤含水量RSM的差值；蒸發(fā)量ETa、截留量Sv、徑流量RQ、土壤含水量RSM、降雨量P和稻田田面水位H₀均可由步驟二的遙感數(shù)據(jù)反演獲得。

相應(yīng)于本發(fā)明的一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法，還提供一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策系統(tǒng)，圖8是本發(fā)明的基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖8所示，所述系統(tǒng)包括：

遙感數(shù)據(jù)獲取模塊1，用于獲取多源遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并傳輸給遙感數(shù)據(jù)反演模塊；

遙感數(shù)據(jù)反演模塊2，用于反演灌排決策分析模塊所需的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、稻田蒸散發(fā)量、植物截留量、稻田土壤濕度、氣象信息以及田面水位等要素信息，并將要素信息傳輸給灌排決策分析模塊；

灌排決策分析模塊3，用于形成灌區(qū)稻田灌排決策；利用遙感數(shù)據(jù)反演獲得的水稻關(guān)鍵 生育時(shí)期、土壤水分及稻田田面水位等信息與設(shè)定的水稻需求水位進(jìn)行比較，形成灌排決策；

進(jìn)一步的，所述的遙感數(shù)據(jù)獲取模塊1包括MODIS數(shù)據(jù)獲取模塊4、氣象數(shù)據(jù)獲取模塊5及田面水位數(shù)據(jù)獲取模塊6；MODIS數(shù)據(jù)獲取模塊可以通過(guò)MODIS陸地工作組的產(chǎn)品處理和分發(fā)中心(LPDAAC)(http://LPDAAC.usgs.gov)免費(fèi)獲??；氣象數(shù)據(jù)獲取模塊可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列免費(fèi)獲??；稻田水位數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以通過(guò)將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)獲?。?/p>

所述的遙感數(shù)據(jù)反演模塊2，包括：

降雨量模塊7：于測(cè)定灌區(qū)的日降雨量及預(yù)測(cè)降雨量；降雨量可通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列所形成的日尺度降水產(chǎn)品及預(yù)測(cè)降雨產(chǎn)品獲得；

稻田田面水位模塊8：用于測(cè)定灌區(qū)稻田田面水位；通將紅外測(cè)距傳感器裝載于小型無(wú)人機(jī)上，基于紅外測(cè)距技術(shù)反演稻田的田面水位；參考研究(劉超,2016)，稻田水位傳感器可選用GP2Y0A02紅外測(cè)距傳感器，其田面水位測(cè)量分辨率達(dá)到5mm；

水稻關(guān)鍵生育時(shí)期反演模塊9，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的水稻關(guān)鍵生育時(shí)期；采用增強(qiáng)植被指數(shù)(EVI)法；本實(shí)施例中可采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品得到研究區(qū)時(shí)間序列的EIV，并采用傅立葉和小波低通濾波法算法去除噪聲，得到較為平滑的EVI時(shí)間序列；參考研究(孫華生,2008)，根據(jù)水稻關(guān)鍵生育時(shí)期和EVI的關(guān)系，反演水稻的關(guān)鍵生育期。

土壤水分反演模塊10，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的土壤水分狀況；采用溫度植被干旱指數(shù)法(TVDI)(Sanhot,2002)，其基本原理為研究區(qū)域的植被指數(shù)(EVI)和地表溫度(Ts)可以構(gòu)成三角形特征空間；通過(guò)分析溫度植被干旱指數(shù)(TVDI)和土壤相對(duì)含水量(RSM)的關(guān)系計(jì)算求出研究區(qū)上每個(gè)像元點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)含水量RSM；本實(shí)施例中計(jì)算植被指數(shù)EVI可以采用的遙感數(shù)據(jù)為MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品，計(jì)算地表溫度Ts可采用MOD112A產(chǎn)品。

蒸散發(fā)量反演模塊11，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)的蒸散發(fā)量；根據(jù)遙感數(shù)據(jù)計(jì)算得出瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET，再通過(guò)積分運(yùn)算課得出區(qū)域蒸散發(fā)量ETa；瞬時(shí)蒸散發(fā)量ET可以通過(guò)計(jì)算地表凈輻射量Rn，土壤熱通量G，顯熱通量H獲得；本實(shí)施例中計(jì)算地表凈輻射量Rn可采用的遙感數(shù)據(jù)為MOD09A1、MOD09GA、MOD09Q1或MOD09GQ產(chǎn)品，計(jì)算土壤熱通量G可采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品，計(jì)算顯熱通量H可采用MOD11A1或MOD11A2產(chǎn)品。

植被截留量反演模塊12，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)植被截留量；可以通過(guò)衛(wèi)星遙感產(chǎn)品獲得的植被覆蓋度和LAI數(shù)據(jù)，以及通過(guò)國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列獲得的日尺度降雨量計(jì)算獲得；本實(shí)施例中采用MOD13A1或MOD13Q1產(chǎn)品計(jì)算植被覆蓋度，采用MOD15A2遙感產(chǎn)品計(jì)算LAI。

徑流反演模塊13，用于反演監(jiān)測(cè)區(qū)徑流量；徑流主要地表徑流SRQ、壤中流SFQ和地下徑流URQ組成；所述三個(gè)值可由MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品反演計(jì)算獲得；在計(jì)算過(guò)程中除個(gè)別數(shù)據(jù)需根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)的實(shí)際情況設(shè)定外，其他數(shù)據(jù)均可由遙感反演獲得；可采用國(guó)產(chǎn)氣象衛(wèi)星風(fēng)云系列產(chǎn)品獲取日降雨量數(shù)據(jù)，采用MOD13A1或MOD13Q1獲得植被指數(shù)EVI，采用MOD11A1或MOD11A2遙感產(chǎn)品獲得地表溫度Ts。

所述灌排決策分析模塊3，包括灌排決策判斷模塊14、灌溉量計(jì)算模塊15和排水量計(jì)算模塊16；其中，灌排決策判斷模塊中的稻田需求水位需要根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)具體的水稻關(guān)鍵生 育期生長(zhǎng)水分需求進(jìn)行設(shè)定；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀低于稻田需求水位H時(shí)，形成灌溉決策；當(dāng)?shù)咎锾锩嫠籋₀高于稻田需求水位H時(shí)，形成排水決策；灌溉量計(jì)算模塊和排水量計(jì)算模塊中的灌溉量I和排水量D的計(jì)算參數(shù)均可由遙感數(shù)據(jù)反演模塊獲得。

本發(fā)明的一種基于遙感數(shù)據(jù)反演的灌區(qū)稻田智能灌排決策方法及系統(tǒng)運(yùn)用農(nóng)田水量平衡原理，利用多源遙感數(shù)據(jù)獲取水稻關(guān)鍵生育時(shí)期、土壤水分、稻田田面水位、蒸散發(fā)量、植物截留量以及徑流量，根據(jù)稻田田面水位和設(shè)定的水位閾值進(jìn)行比較，通過(guò)灌排決策分析實(shí)現(xiàn)稻田田面水位的精準(zhǔn)控制，達(dá)到灌區(qū)稻田灌排水量精準(zhǔn)化以及稻田面源污染流失最小化。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述和說(shuō)明，具體實(shí)施例應(yīng)被認(rèn)為其只是示例性的，并不用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，本發(fā)明應(yīng)根據(jù)所附的權(quán)利要求進(jìn)行解釋。