邊 江，張智韜,，韓文霆，付秋萍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 111000)

隨著我國水資源供需矛盾的日趨尖銳，水資源的優(yōu)化配置和節(jié)水灌溉技術(shù)已被廣泛重視。由于地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)軟件ArcEngine具有強(qiáng)大的地圖處理和計算功能，可以高效快捷的實現(xiàn)灌區(qū)水資源的規(guī)劃與優(yōu)化配置。而要實現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置，灌溉需水量是主要的依據(jù)之一。近年來，石長國應(yīng)用VB6.0語言開發(fā)系統(tǒng)來計算灌區(qū)的灌水率和灌區(qū)動態(tài)需水量[1]?？蔓惥昀肨VDI(溫度植被干旱指數(shù))模型反演土壤水分并應(yīng)用于灌區(qū)灌溉用水管理方面[2]。劉勇洪等應(yīng)用RS和GIS技術(shù)建立了農(nóng)田需水量預(yù)報模型和土壤濕潤層灌溉預(yù)報模型[3]。黃玉清等提出了土壤水分與灌溉預(yù)報的一套新型的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[4]?？滴餮缘萚5]根據(jù)土壤水分平衡原理與計算機(jī)技術(shù)，建立了河北省冬小麥的灌溉量預(yù)報系統(tǒng)。董貴明等[6]將GIS的網(wǎng)絡(luò)模型與水資源的優(yōu)化配置結(jié)合，充分發(fā)揮了地理信息系統(tǒng)的空間分析功能，使得在供水關(guān)系的管理與維護(hù)上變得更為方便與高效。

上述系統(tǒng)雖然在實際應(yīng)用中也發(fā)揮了一定的作用，但由于不能及時了解灌區(qū)實時的灌溉需水量，使得這些系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果與實際偏差較大，這也是長期制約這些系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸之一。本系統(tǒng)以遙感熱紅外波段反演的不同農(nóng)作物實時土壤體積含水率為依據(jù)，結(jié)合灌區(qū)的土地分類影像，并根據(jù)不同作物的灌溉制度設(shè)置計算參數(shù)，通過系統(tǒng)運算，可以快速得到灌區(qū)灌溉需水量的大小，做到了對灌區(qū)干旱情況的實時監(jiān)控。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 開發(fā)平臺和語言的介紹

地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理和地圖操作的能力，其二次開發(fā)功能ArcEngine/COM集成了GIS的大多數(shù)核心應(yīng)用模塊。COM技術(shù)是微軟公司開發(fā)的與編程語言無關(guān)的軟件開發(fā)方法，在應(yīng)用COM時客戶只能通過標(biāo)準(zhǔn)的接口調(diào)用各種COM核心服務(wù)。COM重要的特性：語言無關(guān)性、進(jìn)程透明性和可重用性[7]。對于用戶來說ArcEngine支持所有的ArcGIS功能，通過大多數(shù)開發(fā)環(huán)境都可以進(jìn)行訪問(例如：C#，Visual Basic 6，Java等)，可以根據(jù)要實現(xiàn)的需求和目的，設(shè)計出對遙感影像更為復(fù)雜的圖像處理功能。

C#是完全面向?qū)ο蟮目梢暬幊陶Z言，使用其強(qiáng)大的接口編程功能與ArcEngine/COM技術(shù)集成，強(qiáng)有力地體現(xiàn)了該編程語言強(qiáng)大的功能，并且實現(xiàn)了用戶預(yù)期要達(dá)到的效果。

1.2 系統(tǒng)原理介紹

本系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是灌區(qū)土地利用柵格影像與灌區(qū)土壤含水率的圖像，利用IF語句首先按照柵格的行列坐標(biāo)讀取土地利用柵格影像，然后判斷該像素值的具體所屬土地利用類型，再讀取對應(yīng)坐標(biāo)灌區(qū)土壤含水率的數(shù)值，結(jié)合最大灌溉土壤含水率θmax，得到灌溉定額Mi，進(jìn)而得到像元面積上的灌水量，最后匯總灌區(qū)的總灌溉需水量。系統(tǒng)的設(shè)計主要使用了ArcEngine提供的圖像處理接口與IF循環(huán)判斷讀取土地利用和土壤含水率柵格影像的像素值，連續(xù)計算并匯總像元的灌溉需水量。如圖1所示為該系統(tǒng)的工作流程圖。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 System flow chart

1.3 灌水量計算原理

灌水量計算首先應(yīng)該確定其灌水定額Mi，植物的不同生長階段其根系的主要活動范圍是不同的，因此在計算灌水定額Mi時需要設(shè)置合適的土壤計劃濕潤層深度Hi，不同生育期的農(nóng)作物經(jīng)過實驗分析都有不同的計劃濕潤層深度，具體的數(shù)值可以通過表格查詢并進(jìn)行合適的調(diào)整。植物可利用的最大含水率就是田間持水量θ田，一般認(rèn)為土壤現(xiàn)狀平均含水率θi大于最小土壤含水率θ凋；其次是利用不同作物的灌溉定額計算該類型總像元面積A(m2)的總灌溉需水量，進(jìn)行匯總從而得到整個灌區(qū)的總灌溉需水量M(m3)。

(1)確定灌水定額。

Mi=Hi(θmax-θi)

(1)

式中：Mi為不同作物種類的灌水定額，m；Hi為不同作物的土壤計劃濕潤層深度，m；θimax為不同作物的田間持水量，m3/m3；θimax的設(shè)定應(yīng)與具體的種植情況相結(jié)合，并且可以小于田間持水量；θi為不同作物的現(xiàn)狀平均土壤含水率，m3/m3。

(2)計算不同作物種類的總面積。

Si=NiA

(2)

式中：Ni表示不同作物的像元個數(shù)；A為像元面積(柵格分辨率)，m2。

(3)計算凈灌水總量。

(3)

式中：n為作物的類別總數(shù)。

(4)毛灌溉總需水量的計算。

M毛=M凈/η水

(4)

式中：M毛為毛灌溉水總量，m3;η水為灌溉水綜合利用系數(shù)(該值不同的地區(qū)會存在有差別的試驗測量值，可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況進(jìn)行合理的取值)，m3/m3。

利用公式(1)～(4)即可求出柵格圖像的每個像元的需水量和整個灌區(qū)的總灌溉需水量。

2 系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)開發(fā)過程

ArcEngine二次開發(fā)平臺提供了方便的接口功能并且能夠快速的調(diào)用C#編寫的代碼程序，這使得ArcEngine開發(fā)平臺和C#編程語言可以便捷的實現(xiàn)水資源的規(guī)劃和管理，對于水資源專業(yè)來說是一個很有用的技術(shù)工具。利用ArcEngine提供的地圖控件(MapControl)、圖層管理控件(TOCControl)、工具欄控件(ToolbarControl)搭建系統(tǒng)平臺。安裝并且打開Microsoft Visual Studio 2010，在文件菜單中新建窗口應(yīng)用程序并命名保存，在控件窗口中將MapControl、TOCControl、ToolbarControl 3個控件分別拖到新建的窗體中，并加載ArcEngine提供的工具按鈕，運行后如圖2所示；利用工具條可以快速地實現(xiàn)地圖的平移、點擊查詢、放大、縮小、圖層的加載、刪除與地圖交互的各種選擇應(yīng)用功能，其運行后如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)搭建界面Fig.2 System build interface

圖3 系統(tǒng)運行界面Fig.3 System operation interface

以上的應(yīng)用界面以及各種工具按鈕在Visual Studio 2010可以快速地進(jìn)行構(gòu)建與添加，對于圖像的具體處理和IF判斷語句的編程代碼是在菜單和參數(shù)面板的程序設(shè)計文件中進(jìn)行編寫。

計算灌區(qū)需水量前必須設(shè)置各個計算參數(shù)，如圖4所示，輸入土壤最大含水率；灌溉水利用系數(shù)；灌區(qū)土地利用分類柵格圖；灌區(qū)土壤含水率柵格圖；并且設(shè)置不同作物種類經(jīng)實驗給出的合適計劃灌溉濕潤層深度。設(shè)置完各項參數(shù)即可點擊“計算”按鈕，提示成功輸出計算結(jié)果并顯示存儲路徑。

圖4 灌水量計算參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 Irrigation amount parameter setting interface

2.2 實例分析

利用購買的Landset8分辨率為30 m的TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過幾何配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正等一系列預(yù)處理最后裁剪得到陜西涇惠渠灌區(qū)衛(wèi)星遙感影像，使用ENVI遙感軟件處理后得到?jīng)芑萸鄥^(qū)的土地利用分類圖像，并用熱紅外波段反演出本地區(qū)的土壤體積含水率，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置各個計算參數(shù)并得到?jīng)芑萸鄥^(qū)灌溉需水量的結(jié)果。

2.2.1 涇惠渠灌區(qū)土地利用分類圖

將Landset8分辨率為30 m的TM衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列的預(yù)處理后，并且裁剪得到陜西省涇惠渠灌區(qū)的遙感影像，如圖5所示為灌區(qū)真彩色圖像。

圖5 涇惠渠灌區(qū)30 m分辨率TM遙感影像Fig.5 TM remote sensing imagery of Jinghui irrigation area with 30 m Resolution

李旭[8]、史澤鵬[9]、王圓圓[10]等對遙感影像選擇的分類方法做出了較為深入的闡述與研究。綜合考慮本遙感圖像的應(yīng)用和實驗原則，避免監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類中的缺點，最后采取精確度較高的“決策樹”的方法進(jìn)行分類處理。將預(yù)處理后的涇惠渠灌區(qū)30 m分辨率的TM遙感影像，使用ENVI進(jìn)行遙感圖像決策樹分類處理，分別處理得到農(nóng)田、水域、林地、設(shè)施農(nóng)業(yè)、居民地5種不同的土地利用類型，如圖6所示。

圖6 涇惠渠灌區(qū)土地分類柵格圖Fig.6 Land classification raster map of Jinghui irrigation area

2.2.2 涇惠渠灌區(qū)土壤含水率遙感柵格圖像

利用Landset8的涇惠渠灌區(qū)的熱紅外波段進(jìn)行灌區(qū)的不同作物種類的土壤體積含水率的反演。由現(xiàn)階段的研究理論可知作物冠層溫度與作物根系活動范圍內(nèi)土層深度的土壤含水率是有一定關(guān)系的，依據(jù)學(xué)者張智韜[11, 12]研究得到的由熱紅外遙感圖像反演計算的冠層溫度與土壤體積含水率的模型關(guān)系分別進(jìn)行波段運算。在ENVI遙感圖像處理軟件中首先制作各種不同農(nóng)作物的矢量(ROI/EVF)文件(其原理就是同一種作物的矢量文件是一個面域，ENVI波段運算時只處理該矢量所覆蓋的區(qū)域)，這就做到了不同作物的分類處理目的。再應(yīng)用ENVI中Toolbox的Band Match工具集分別輸入不同農(nóng)作物的函數(shù)關(guān)系并計算得到土壤體積含水率，如圖7所示。

圖7 涇惠渠灌區(qū)土壤體積含水率柵格圖Fig.7 The raster map of soil moisture content in Jinghui irrigation area

2.2.3 設(shè)置計算參數(shù)

本系統(tǒng)最后也是最重要的一步就是設(shè)置灌區(qū)不同作物種類的計算參數(shù)，計算參數(shù)決定了系統(tǒng)最后計算的灌區(qū)需水量是否更為準(zhǔn)確。因此灌區(qū)需水量計算參數(shù)是較為重要的也是最難的部分，需要做多次的實際調(diào)查并結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗進(jìn)行取值。由于灌區(qū)更關(guān)注農(nóng)業(yè)灌溉用水量的多少，因此對于灌區(qū)中的水域、居民地是不需要計算用水量的，另外設(shè)置參數(shù)面板中的“其他”是未分類的像元。本實例中像元全部分類，因此“其他”類的參數(shù)設(shè)置可以作0處理。本系統(tǒng)利用的是灌區(qū)土壤體積含水率的柵格圖像，則土壤的干密度設(shè)置為1。經(jīng)過涇惠渠灌區(qū)農(nóng)作物的種植經(jīng)驗，最后分別取農(nóng)田、果園、設(shè)施農(nóng)業(yè)的計劃濕潤層深度為0.8、1、1 m，如圖8所示。

圖8 灌區(qū)需水量計算系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Fig.8 Parameter setting of irrigation district water requirement calculation system

將灌區(qū)計算系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置完畢，即可以點擊計算按鈕，得到灌區(qū)最終的需水量的大小，如圖9所示。從結(jié)果文件中可以明確得到該遙感圖像拍攝時刻在灌溉總利用系數(shù)為0.8時農(nóng)田，果園，設(shè)施農(nóng)業(yè)的總面積與總的灌溉需水量。

圖9 計算結(jié)果Fig.9 Calculation results

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)以灌區(qū)水資源優(yōu)化配置為目的，實現(xiàn)水資源的高效與合理利用。應(yīng)用RS和GIS的二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)了快速計算灌區(qū)農(nóng)作物的灌溉需水量，避免傳統(tǒng)無目的性的灌溉方式，并為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉提供了高效、動態(tài)、便捷的理論基礎(chǔ)。

通過系統(tǒng)的開發(fā)與實例的論證，本系統(tǒng)利用灌區(qū)遙感影像為灌區(qū)水資源的調(diào)度提供了較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對于灌區(qū)水資源配置方面可以實時動態(tài)監(jiān)測灌區(qū)土壤含水率的變化過程，并且可以快速進(jìn)行干旱評估和預(yù)防。本灌溉需水量的計算系統(tǒng)就是基于這一理論將干旱監(jiān)測與灌區(qū)供水相結(jié)合，使灌區(qū)的水資源得到充分的利用與合理調(diào)配。該系統(tǒng)實現(xiàn)了灌區(qū)的按需供水，優(yōu)先級供水，使灌區(qū)的總體的用水效率達(dá)到較高的水平，是RS與GIS技術(shù)在灌區(qū)水資源量計算的較為理想的應(yīng)用。

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