遙感技術(shù)在農(nóng)田水利工程建設(shè)及管護(hù)中的應(yīng)用

馬海榮 羅治情 陳娉婷 官波

摘要：農(nóng)田水利工程具有范圍大、空間分布復(fù)雜、工程數(shù)量多等特點(diǎn)，利用常規(guī)技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行管護(hù)較難實(shí)現(xiàn)。開展了基于遙感技術(shù)的農(nóng)田水利工程的建設(shè)與管護(hù)技術(shù)方法的探索，旨在提高農(nóng)田水利工程建設(shè)和管護(hù)的信息化水平。主要研究利用遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田水利工程信息化建設(shè)及管護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)與方法，并根據(jù)農(nóng)田水利工程信息化建設(shè)與管護(hù)的應(yīng)用需求，進(jìn)行了“智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)”的初步設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù);農(nóng)田水利工程;管護(hù)

中圖分類號(hào)：TP79? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）23-0016-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.003? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(guó)家政策的大力支持與農(nóng)村、農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求下，近年來(lái)，國(guó)家及各省均投入了巨資實(shí)施大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造、小型農(nóng)田水利工程等農(nóng)田水利工程項(xiàng)目建設(shè)。農(nóng)田水利工程具有范圍大、空間分布復(fù)雜、工程數(shù)量多等特點(diǎn)，利用傳統(tǒng)測(cè)量調(diào)查和人工巡視的手段進(jìn)行農(nóng)田水利工程的信息采集和管護(hù)時(shí)存在采集速度慢、時(shí)效性差、耗時(shí)長(zhǎng)、人力需求大等問(wèn)題。隨著“放管服”改革的全面推進(jìn)，水利行政主管部門需在新形勢(shì)下利用高新技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)并完善農(nóng)田水利工程的建設(shè)和管護(hù)措施，確?！胺诺孟?、管得好”。在此背景下，傳統(tǒng)的農(nóng)田水利工程建設(shè)和管護(hù)手段及信息采集措施已經(jīng)漸漸不能滿足農(nóng)田水利工程信息化與現(xiàn)代化發(fā)展的需求。

遙感（Remote Sensing，RS）影像具有分辨率高、時(shí)效性強(qiáng)、信息量豐富、覆蓋面積廣等特點(diǎn)，可彌補(bǔ)利用傳統(tǒng)技術(shù)手段進(jìn)行農(nóng)田水利工程建設(shè)和管護(hù)的不足。隨著中國(guó)高分系列、資源系列等航天衛(wèi)星的不斷發(fā)射，以及低空無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得多分辨率、多時(shí)相、多類別的RS影像的獲取日益便利。因此，開展基于RS數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)的農(nóng)田水利工程信息化管理應(yīng)用所需的技術(shù)、條件、方法的探索，對(duì)于大力推進(jìn)農(nóng)田水利信息化建設(shè)進(jìn)程具有重要意義。

1? 基于高分辨率遙感影像的農(nóng)田水利工程信息提取

利用RS影像數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)田水利工程信息提取的方法主要有目視解譯、面向?qū)ο蠓╗1，2]、監(jiān)督分類[3]、非監(jiān)督分類（K均值聚類）[4]、機(jī)器學(xué)習(xí)（支持向量機(jī)、隨機(jī)森林）[5]、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、hough變換[6]等。農(nóng)田水利工程信息的提取流程一般如下：①根據(jù)高分辨率RS影像與矢量電子地圖的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)RS影像進(jìn)行糾正、配準(zhǔn)等進(jìn)行預(yù)處理;②基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺(tái)將水系與水利圖層疊加到RS影像上，形成農(nóng)田水利工程數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)采集的工作底圖;③在工作底圖上根據(jù)農(nóng)田水利工程的類型分類采集農(nóng)田水利工程信息;④基于農(nóng)田水利工程專題圖的制圖標(biāo)準(zhǔn)，按點(diǎn)、線、面將農(nóng)田水利工程信息符號(hào)化整理和屬性賦值。

目前，基于RS技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田水利工程信息提取時(shí)，主要是提取農(nóng)田水利工程的灌排水渠信息，對(duì)于泵站、閘門、水位計(jì)等無(wú)法通過(guò)遙感影像直接識(shí)別出來(lái)。渠系的最終提取結(jié)果的精度與渠系狀態(tài)（有無(wú)水）、渠系等級(jí)、使用RS影像的分辨率、影像獲取時(shí)間以及所使用的提取方法均有較大關(guān)系。

2? 基于遙感技術(shù)的農(nóng)田水利工程建設(shè)應(yīng)用

基于RS技術(shù)農(nóng)田水利工程建設(shè)應(yīng)用主要包括基于RS技術(shù)的農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、農(nóng)田水利工程建設(shè)工程情況監(jiān)測(cè)[7]、農(nóng)田水利工程輔助驗(yàn)收等方面[8]，其中基于RS技術(shù)的農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)又包括農(nóng)田水利工程的規(guī)劃底圖制作[9]和基于3S技術(shù)的農(nóng)田水利灌排渠道選線[10]。

2.1? 基于3S技術(shù)的農(nóng)田水利灌排渠道選線

RS具有宏觀性、穿透性、真實(shí)性和全面性的特點(diǎn)，其可作為信息源，快速準(zhǔn)確地獲取工程區(qū)域的水文地質(zhì)、土地利用、各級(jí)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(tǒng)（Global Positioning System，GPS）可實(shí)時(shí)、高效地提供高精度的定位信息，且操作簡(jiǎn)單、無(wú)需點(diǎn)間通視，因此，主要被用于灌排渠道的初測(cè)、定測(cè)以及對(duì)RS影像的定位校正等方面，為選擇最優(yōu)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(chǔ)資料分層存儲(chǔ)和管理，并利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)綜合、地理模擬和空間分析功能對(duì)各種信息進(jìn)行疊加和分析，制作各種專題圖像。

利用3S技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田水利灌排渠道的優(yōu)化選線，使得難以到達(dá)地區(qū)（困難地區(qū)、危險(xiǎn)地區(qū)等）的空間信息的獲取變得便利可行。RS與GIS技術(shù)相結(jié)合制作遙感地質(zhì)工程圖，進(jìn)行縱橫斷面和灌區(qū)控制范圍分析，通過(guò)綜合分析地形、地貌與工程地質(zhì)條件之間的關(guān)系，可使灌排線路避開透水性強(qiáng)和易塌方的不良地質(zhì)地段、居民區(qū)等。首先，快速科學(xué)地選定干支渠最優(yōu)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(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），利用GIS中的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)生成真三維模型，進(jìn)行工程建設(shè)區(qū)的地形和地質(zhì)情況分析，并對(duì)所選線路進(jìn)行三維透視，查看線形是否順暢、水流是否無(wú)阻礙，以最終確定選線信息。

2.2? 農(nóng)田水利工程建設(shè)進(jìn)度監(jiān)測(cè)和輔助驗(yàn)收

在農(nóng)田水利工程建設(shè)中不定時(shí)地獲取項(xiàng)目區(qū)RS影像，結(jié)合農(nóng)田水利工程規(guī)劃圖，對(duì)比分析工程建設(shè)進(jìn)展情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題較多、進(jìn)展緩慢的項(xiàng)目建設(shè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地檢查，以此提高檢查效能，促進(jìn)農(nóng)田水利工程項(xiàng)目建設(shè)的順利進(jìn)行。在農(nóng)田水利工程項(xiàng)目建設(shè)完成后，將農(nóng)田水利工程竣工圖與項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田水利工程建設(shè)完成后獲取的高分辨率RS影像進(jìn)行對(duì)比分析，宏觀把握項(xiàng)目建設(shè)完成情況;并在此基礎(chǔ)上有針對(duì)性地對(duì)農(nóng)田水利工程進(jìn)行驗(yàn)收，以節(jié)省驗(yàn)收時(shí)間并保證項(xiàng)目驗(yàn)收工作質(zhì)量。

3? 基于遙感技術(shù)的農(nóng)田水利工程管護(hù)

農(nóng)田水利工程管護(hù)是指對(duì)農(nóng)田水利工程設(shè)施進(jìn)行管理保護(hù)和對(duì)農(nóng)田灌溉水資源進(jìn)行合理調(diào)配與運(yùn)用，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時(shí)節(jié)約水資源。農(nóng)田水利工程管護(hù)的主要工作包括農(nóng)田水利工程設(shè)施監(jiān)測(cè)與保護(hù)、農(nóng)田灌溉用水計(jì)劃、灌溉水量調(diào)度與進(jìn)度管理、灌溉效果與用水效率評(píng)價(jià)等。農(nóng)田水利工程的管護(hù)工作需要大量農(nóng)作物信息、農(nóng)田水利、水資源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為支撐，如農(nóng)田水利工程的分布、灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、作物長(zhǎng)勢(shì)[11]、作物灌溉定額、來(lái)水量、灌溉進(jìn)度、灌溉面積、灌溉水量等信息。目前，應(yīng)用于農(nóng)田水利工程管護(hù)的相關(guān)信息的獲取主要依賴于人工測(cè)量調(diào)查或逐級(jí)統(tǒng)計(jì)匯報(bào)等傳統(tǒng)方式，但是傳統(tǒng)方式又存在著監(jiān)測(cè)站點(diǎn)少、耗時(shí)費(fèi)力、更新周期長(zhǎng)等不足。傳統(tǒng)農(nóng)田水利管護(hù)方法由于不能及時(shí)準(zhǔn)確地獲得大范圍水、土、農(nóng)作物等相關(guān)信息，農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)度多基于經(jīng)驗(yàn)調(diào)度安排，使得灌區(qū)不能基于農(nóng)情、水情的變化情況進(jìn)行科學(xué)動(dòng)態(tài)的用水管理。

3.1? 基于遙感技術(shù)的農(nóng)田用水計(jì)劃

農(nóng)田用水計(jì)劃主要是指基于灌區(qū)內(nèi)作物種植結(jié)構(gòu)、作物長(zhǎng)勢(shì)、作物旱澇情況、灌溉定額等信息進(jìn)行農(nóng)田灌溉用水計(jì)劃安排。目前，農(nóng)田灌溉用水計(jì)劃所需作物分布和長(zhǎng)勢(shì)等信息的獲取主要依賴于人工調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)估算、典型調(diào)查推算等傳統(tǒng)技術(shù)手段。但是由于中國(guó)目前大部分地區(qū)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(tǒng)技術(shù)手段難以獲取灌區(qū)大面積準(zhǔn)確、及時(shí)的用水信息。因此，利用RS技術(shù)進(jìn)行作物種植信息結(jié)構(gòu)獲取[12]、作物長(zhǎng)勢(shì)調(diào)查[13]、作物旱澇情況監(jiān)測(cè)[14]等應(yīng)用成為科學(xué)合理安排用水計(jì)劃的必然技術(shù)手段。

3.2? 基于3S技術(shù)的灌溉水資源優(yōu)化配置

灌溉水資源的優(yōu)化配置一般指將灌溉水資源進(jìn)行時(shí)間和空間上的優(yōu)化配置。灌溉水資源的優(yōu)化配置涉及到農(nóng)田水利學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)、農(nóng)學(xué)以及管理學(xué)諸多學(xué)科，灌溉水資源的優(yōu)化配置可提高農(nóng)業(yè)水資源利用率和作物產(chǎn)量，繼而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[15，16]。

基于3S技術(shù)的灌溉水資源優(yōu)化配置的主要流程如下：首先，收集和處理研究區(qū)內(nèi)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(jí)別渠系之間的隸屬與關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于作物-水模型與農(nóng)田水量平衡系統(tǒng)地研究灌溉用水量關(guān)系，同時(shí)分析影響灌溉增產(chǎn)效益的因素，確定優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，建立灌溉水量?jī)?yōu)化分配模型，并利用智能算法對(duì)模型進(jìn)行求解，來(lái)尋求最優(yōu)的灌溉面積和配水流量，以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)尺度上的智能優(yōu)化灌溉配水（圖1）。

在完成灌區(qū)尺度灌溉用水的優(yōu)化配置后，再根據(jù)灌區(qū)內(nèi)各類農(nóng)作物種植分布進(jìn)行渠系尺度的灌溉用水優(yōu)化配送。渠系尺度的灌溉水資源優(yōu)化配置通常與優(yōu)化輪灌結(jié)合，首先清理配水和被配水的渠道;其次，基于灌區(qū)內(nèi)作物分布與渠系的實(shí)際情況構(gòu)建灌區(qū)內(nèi)的最優(yōu)輪灌模型，并利用智能算法對(duì)選定的渠系灌溉水資源優(yōu)化配置模型求解;最后，完成對(duì)灌區(qū)內(nèi)渠系尺度輪灌工作制度的編制。

3.3? 基于遙感技術(shù)的灌溉效果與用水效率評(píng)價(jià)

水分是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為重要的條件，特別在天然降水量較少的干旱地區(qū)，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)主要依賴于灌溉，因此灌溉水資源對(duì)該類地區(qū)尤為珍貴，灌溉效果與用水效率評(píng)價(jià)對(duì)于更好地進(jìn)行水資源優(yōu)化配置具有重要意義。農(nóng)田灌溉效果與用水效率的評(píng)價(jià)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(chǎn)量等信息作支撐。目前，大部分干渠只對(duì)主要灌溉渠道的分水進(jìn)行監(jiān)測(cè)并可較容易獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于各類作物的耗水量、作物長(zhǎng)勢(shì)與產(chǎn)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)獲取。

隨著RS技術(shù)在區(qū)域蒸散發(fā)計(jì)算模型、作物分類識(shí)別和作物產(chǎn)量估算等領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展和日益成熟，為灌區(qū)尺度的農(nóng)業(yè)灌溉效果和水資源利用效率定量評(píng)價(jià)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[17]?；赗S技術(shù)的農(nóng)田灌溉效果和農(nóng)作物水分利用效率評(píng)價(jià)思路如下：首先，基于RS技術(shù)利用蒸散發(fā)模型估算灌區(qū)蒸散發(fā)量，并利用蒸散發(fā)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(shí)別技術(shù)得到灌區(qū)主要農(nóng)作物空間分布信息，并利用基于RS技術(shù)的作物產(chǎn)量估算模型估算各類主要農(nóng)作物產(chǎn)量，進(jìn)一步基于作物的蒸散發(fā)量和產(chǎn)量估算作物水分利用效率（圖2）。

4? 基于3S技術(shù)的智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)

基于RS、GIS、GPS、計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)是農(nóng)田水利工程信息化和智能化建設(shè)的重要組成部分，建設(shè)一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享和信息管理應(yīng)用于一體的農(nóng)田水利綜合管理與服務(wù)系統(tǒng)，可以為各級(jí)政府、水利和農(nóng)業(yè)相關(guān)部門提供技術(shù)支持、信息共享、快速查詢等便捷服務(wù)。智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和各管理應(yīng)用模塊（具體包括基于3S技術(shù)的農(nóng)田水利灌排渠道智能選線模塊、基于RS技術(shù)的農(nóng)田水利工程建設(shè)進(jìn)度監(jiān)測(cè)與輔助驗(yàn)收模塊、基于RS技術(shù)的農(nóng)田旱澇災(zāi)情監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊、基于3S技術(shù)的灌排水調(diào)度模塊、基于RS技術(shù)的灌溉面積與灌溉進(jìn)度監(jiān)測(cè)模塊、基于3S技術(shù)的灌溉水資源優(yōu)化配置模塊、基于RS技術(shù)的灌溉效果與用水效率評(píng)價(jià)模塊等）的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)力爭(zhēng)按照“一張農(nóng)田水利網(wǎng)絡(luò)、一張地圖展示、一個(gè)數(shù)據(jù)中心、一個(gè)集成門戶”的標(biāo)準(zhǔn)打造省級(jí)智慧農(nóng)田水利信息化管護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)省級(jí)農(nóng)田水利數(shù)據(jù)的全面整合與共享，為農(nóng)田水利工程管理、農(nóng)田水利政務(wù)管理、應(yīng)急指揮等核心管理業(yè)務(wù)提供強(qiáng)有力的信息化支撐，為省級(jí)農(nóng)田水利安全運(yùn)行與科學(xué)調(diào)度提供智慧化的管理手段。

農(nóng)田水利信息化建設(shè)涉及到農(nóng)田水利信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、管理、應(yīng)用等，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)各種采集數(shù)據(jù)的整合，規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和以采集信息為基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為農(nóng)田水利工程管理單位、上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及公眾信息服務(wù)。系統(tǒng)的總體框架包括農(nóng)田水利信息采集與監(jiān)控體系、資源共享服務(wù)體系、綜合業(yè)務(wù)應(yīng)用體系、網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器等軟件硬件設(shè)施、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建設(shè)與運(yùn)行管理規(guī)程，總體框架見圖3。

5? 小結(jié)

基于遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田水利工程信息提取，在不斷豐富的高分辨率RS數(shù)據(jù)和日益成熟的提取技術(shù)的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)并被逐漸應(yīng)用;目前的提取方法主要還是基于目視解譯的人機(jī)交互提取，并且提取信息較為單一?；赗S、GIS、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的農(nóng)田水利工程規(guī)劃底圖制作和灌排渠道優(yōu)化選線改變了傳統(tǒng)的制圖和規(guī)劃手段，考慮的問(wèn)題更加直觀全面，輕松實(shí)現(xiàn)定性、定位和定量分析，方便快捷地選出最優(yōu)線路，既減少了人力物力投入，又提高了工作效率和規(guī)劃的科學(xué)性?；谶b感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田水利工程的管護(hù)，可以改變?cè)械谋O(jiān)管模式，提高監(jiān)管效率。為農(nóng)田水利工程監(jiān)管提供直觀的空間分布圖，大大縮小監(jiān)管時(shí)間間隔，對(duì)每年農(nóng)田水利工程的新建、維護(hù)提供最直接的證據(jù)，將監(jiān)管行為從被動(dòng)模式變?yōu)橹鲃?dòng)模式?？梢詫?shí)現(xiàn)事后監(jiān)管向過(guò)程監(jiān)管轉(zhuǎn)變，從粗放式向科學(xué)化監(jiān)管轉(zhuǎn)移。

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