基于多源遥感的农业灌溉动态监测中国水利水电科学研究院

基于多源遥感的农业灌溉动态监测中国水利水电科学研究院背景与意义方法与模型结果与讨论结论与建议C目

录1423O

N

T

E

NT

SPART

01

研究背景与意义ü

我国农用用水占总用水量的63%，农业用

水监管水平的提升对水资源管理意义重大ü农业用水分散的特征给地面精准计量带

来困难ü卫星数据源日益丰富，为农业用水管理

实现精细化带来了新的契机中国水利水电科学研究院China

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Research现代人居交通网物联网水网能源网中国水利水电科学研究院China

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Research遥感监测方法优势：空间相对性好，能够大范围获取空间连续的作物与灌溉信息；劣势：计算量较大，精度不及地面监测数据，单一数据有时空分辨率、识别能力的限制。地面监测方法优势：能够准确获取点上的作物、灌溉时间、水量等信息；劣势：空间表达能力较差，难以表征空间连续的灌溉面积信息；区域汇总时效性差。遥感监测方法的精度改善找方案&找标准找方案微信（扫第一个码）每日分享各个领域高质量专业的解决方案，内容包括某省市、乡村振兴、智慧城管、智慧园区、智慧公安、智慧水务（水利）、智慧林草、社会综合治理、智慧旅游、智慧工地、智慧环卫、智慧医院、智慧环保、智慧安监等领域，结合数字孪生、人工智能、物联网、大数据、云计算等技术，分享行业售前方案、设计方案、技术方案和项目信息等。找标准微信（扫第二个码）每日分享各个智慧领域国家和地方标准规范，国家和地方政策指导文件，让各个智慧方案有据可依，内容包括找方案中的各个行业的政策和规范，内容在不断的收集和完善中。找方案知识星球（扫第三个码）会员可下载所有资料，并每日上新（注：所有资料均通过互联网等公开渠道获取，个人学习使用，请勿用于商业用途）。找标准知识星球（扫第四个码）会员可下载所有资料，并每日上新（注：所有资料均通过互联网等公开渠道获取，个人学习使用，请勿用于商业用途）。找方案星球优惠券（扫第五个码）扫描69元价格优惠加入，1W+方案任意下载，资源不断的丰富完善中......找方案微信找方标准信中国水利水电科学研究院China

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Research机理性增强

︐所需反演要素增多优点：简单缺点：精度有限，动态性差，无法获

得频次信息优点：相对简单，可动态监测缺点：受土壤含水量遥感反演能力限

制，依赖地面监测优点：机理性强缺点：输入数据多,要素计算复杂基于水量平衡分析的

提取方法基于种植结构遥感的

推算方法基于土壤含水量遥感

的提取方法灌溉遥感监测方法PART

02

方法与模型

优点.机理性增强.精度和时效性改善

.

数据难度可控待解决.

需要增强种植结构时效性，与灌

溉动态监测的需求匹配.

需要提高土壤含水量反演的时空

分辨率，保证灌溉动态监测的时

间连续性和一定的空间分辨率.

提高精度中国水利水电科学研究院China

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Research种植结构+土壤含水量中国水利水电科学研究院China

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Research（1）动态种植结构提取的难点>

基于光谱特征的方法需要利用物候最佳窗口期，时间跨度较长，适用于年度种植结构提取，动态变化

难以及时区分。>

基于纹理特征的方法精度较高，但对影像分辨率要求较高，受卫星重访周期的限制，难以实现较高频

次的动态监测。>

GF1

WFV数据具有短的重复周期，也表现出一定的纹理特征，但是受分辨率等的影响，所包含的纹理信

息相对较弱，在表达农作物时存在一定的不完整性。0.90.70.510.50作物NDVI变化图冬小麦

曲线变化图10月

11月

12月

1月

2月

3月4月

5月GF1WFV不同作物纹理差异20180721

蔬菜NDVI20180418201805042018082720180924冬小麦夏玉米果林

棉花GF1WFV不同作物光谱差异2.2种植结构动态提取方法中国水利水电科学研究院China

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Research（2）基于光谱和纹理特征综合的动态种植结构提取方法>

利用GF1的快速重复优势解决动态性问题；>

将纹理与光谱特征结合，解决动态识别对物候期依赖，增强识别能力；>

建立CART决策树模型，利用样本库进行训练，建立决策树,对作物进行分类。NDVI纹理NDVI+纹理实验设计总体分类精度Kappa系数NDVI59.940.44纹理83.680.77NDVI+纹理88.510.832.2种植结构动态提取方法中国水利水电科学研究院China

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（1）需求与存在问题>

由于土壤含水量的变化周期较短，灌溉过程的监测需要准逐日土壤含水量数据辅助。>

光学影像具有较好的数据重访条件，但利用指数方法获取土壤含水量难以脱离地面实测数据的限制；>

单一数据源难以满足灌溉用水监测的需求。GF-1

1个月GF-1

10日GF-3

10日2.3逐日土壤含水量计算中国水利水电科学研究院China

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Research（2）逐日土壤含水量计算方法>

主要数据源GF-1

WFV

+

MODIS>

田间尺度土壤含水量反演GF-1

MPDI

结合实测土壤含水量反演能够得到高空间分辨率的土壤含水量结果，但由于光学数据受云影响较大，基于GF-1数据的土壤含水量并不能达到逐日要求。>

MODIS土壤含水量反演MODIS

每日地表反射率数据能够实现研究区的每日覆盖，但空间分辨率较低，混合像元会影响灌溉面积的识别。2.3逐日土壤含水量计算中国水利水电科学研究院China

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Research(R

Red)MR

NIR+Fv(Rv,Red

)MRv,NIR

)(1+Fv)2.3逐日土壤含水量计算2）土壤含水量计算MPDI

=M2)1中国水利水电科学研究院China

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（2）GFWFV与MODIS数据的时空融合>基于STARFM的逐日土壤含水量数据融合，提高单纯依靠GF-1的时间连续性M(xi,yj,t0

)=M(xi,yj,t0

)+Ɛ辨E

“2.3逐日土壤含水量计算tk

MODISMODISMPDIGF-1MPDIGF-1ts

MODIStk找方案&找标准找方案微信（扫第一个码）每日分享各个领域高质量专业的解决方案，内容包括某省市、乡村振兴、智慧城管、智慧园区、智慧公安、智慧水务（水利）、智慧林草、社会综合治理、智慧旅游、智慧工地、智慧环卫、智慧医院、智慧环保、智慧安监等领域，结合数字孪生、人工智能、物联网、大数据、云计算等技术，分享行业售前方案、设计方案、技术方案和项目信息等。找标准微信（扫第二个码）每日分享各个智慧领域国家和地方标准规范，国家和地方政策指导文件，让各个智慧方案有据可依，内容包括找方案中的各个行业的政策和规范，内容在不断的收集和完善中。找方案知识星球（扫第三个码）会员可下载所有资料，并每日上新（注：所有资料均通过互联网等公开渠道获取，个人学习使用，请勿用于商业用途）。找标准知识星球（扫第四个码）会员可下载所有资料，并每日上新（注：所有资料均通过互联网等公开渠道获取，个人学习使用，请勿用于商业用途）。找方案星球优惠券（扫第五个码）扫描69元价格优惠加入，1W+方案任意下载，资源不断的丰富完善中......找方案微信找方标准信中国水利水电科学研究院China

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Research种植结构

+土壤含水量

+降水综合的灌溉面积提取方法逐月分析农作物种植结构变化，修正上月精度，发现新播种作物。基于作物分布于作物生长特性，分析当月需水作物分布。基于准逐日土壤含水量，分析土含非自然衰减区域。基于气象观测数据，提取降水对土壤含水量影响区域，扣除影响。需水作物分布+非降雨影响的土壤含水量升高区域累计计算年内灌溉面积及次数多源数据综合，减少土壤含水量遥感反演误差对灌溉面积提取结果的影响月年度灌溉面积产品生产种植结构提取作物生长阶段需水分析土壤含水量变

化分析灌溉面积提取降水影响分析PART

03

结果与分析

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（

1）研究区域和范围：

某省市开展逐月实际灌溉面积的遥感监测范围：河北、宁夏、、新疆4省（自治区）耕地区域中国水利水电科学研究院China

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Research（2）典型农作物生长物候期及需灌时间省份1月2月3月4月5月生长期6月

7月8月9月10月11月12月河北春玉米冬小麦

夏玉米春棉花拔节

灌浆

收获期播种出苗夏棉花冬小麦

玉米收获期

月底

出苗

新疆棉花冬小麦

春玉米冬小麦

春玉米播种

抽穗

播种

抽穗

播种成熟

出苗

成熟

出苗收获拔节

灌浆收获拔节

灌浆宁夏出苗成熟播种

抽穗出苗成熟拔节

收获播种成熟播种

收获收获

越冬播种返青越冬成熟灌浆分蘖播种收获返青成熟播种越冬灌浆成熟越冬返青成熟拔节抽穗返青中国水利水电科学研究院China

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Research种植结构

+土壤含水量

+降水综合的灌溉面积提取降水量分布灌溉面积需水作物分布中国水利水电科学研究院China

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Research河北中国水利水电科学研究院China

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Research河北指标2018年4月2018年5月2018年6月2018年7月2018年8月2018年9月NDVI85.256.043.260.260.050.7NDVI+纹理95.182.380.081.388.587.2分类精度对比中国水利水电科学研究院China

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Research新疆中国水利水电科学研究院China

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Research中国水利水电科学研究院China

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Research宁夏中国水利水电科学研究院China

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Research中国水利水电科学研究院China

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Research月份345678910全年河北45728245675560014261554155346005675月份34567891011全年新疆535454086599524040044115324030867696中国水利水电科学研究院China

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Research月份345678910全年宁夏233201446514519648471320894中国水利水电科学研究院China

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Research月份34567891011全年13581528111512631731122161614581770中国水利水电科学研究院China

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Research算法和数据产品集成在水利高分、

国家水资源信息管理系统平台上PART

04

结论与展望

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Research1、通过多源数据综合，改善遥感灌溉监测精度单纯依靠单一卫星反演数据产品进行灌溉面积监测，星反演产品精度和不确定性影响影响。综合作物需水特征等多源数据，可以对误差进行抑制。2、利用光谱和纹理指标综合，提高种植结构精细化动态提取能力通过光谱和纹理指标综合、增强智能算法的机理性，改善GF1WFV数据用于种植结构提取的精度；利用GF1的快速重访能力，可实现逐月的种植结构变化监测。3、通过中高分辨率多源数据融合，改善土壤含水量遥感产品的时空分辨率，提高对灌溉活动识别的能力利用GF1WFV与MOD

IS组合，提高土壤含水量遥感产品的时空分辨率，获取更多日田间尺度的土壤含水量信息，更

接近农业灌溉动态监测的需求。