CN113034302B - 一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，以遥感反演的作物全生育期蒸散量ET和全生育期总初级生产力GPP为基础，结合有效降雨数据，以作物水分生产率WP为主要控制指标，通过建立作物耗水量‑作物总初级生产力模型和作物耗水量‑水分生产率模型确定了作物全生育期的适宜耗水区间，最终建立了一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法。本发明有效弥补了田间试验研究结果区域化应用的不足，实现了从空间上对农田尺度用水效果的客观评价。
Description
技术领域
本发明属于定量遥感应用技术领域，具体涉及一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法的设计。
背景技术
农业属于第一产业，是提供支撑国民经济建设与发展的基础产业，灌溉是补充作物所需水分的技术措施，保证了作物正常生长，以实现高产稳产。客观评价农田作物水分利用效率关系到农业技术和节水灌溉措施的重新定位、生态环境的保护和实现水资源的可持续利用。传统的评价方法主要根据典型区域的监测来实现，存在着无法做到宏观、大面积的评价等局限。遥感技术的发展为区域尺度蒸散发计算、作物分布信息识别及生产力估算提供了一条有效途径，为基于遥感信息的农田尺度作物水分利用效率定量评价奠定了基础。
水分生产率将水分与作物产量直接联系起来，综合评价水的利用效率，它是衡量农业生产水平和农业用水科学性与合理性的综合指标，也是节水灌溉与高效农业发展的重要指标之一，反映了水量的投入产出效率。以作物总初级生产力指标来代替作物产量，结合作物耗水量，计算得出单位作物总初级生产力的水分利用效率，可用来评价作物的水分利用效率。
遥感技术监测蒸散发、总初级生产力等地表要素信息的不断成熟，使得从农田空间尺度上研究区域作物耗水规律、作物总初级生产力与作物耗水的关系成为可能。因此，基于遥感监测农田作物土壤蒸发和植物蒸腾的总耗水量，也称蒸散量(Evapotranspitation，ET)和作物总初级生产力(global primary productivity，GPP)，结合区域农田尺度的作物耗水规律变化，研究区域内作物耗水量与作物总初级生产力、作物耗水量与作物水分生产率的关系，建立基于遥感的作物耗水量-作物总初级生产力模型和作物耗水量-水分生产率模型，开展农田尺度作物水分利用效率遥感评价，能够为构建高效节水灌溉技术模式成为可能，为灌溉用水的精确规划与管理提供重要理论依据。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中田间试验研究结果区域化应用不足的问题，提出了一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，实现从空间上对农田尺度用水效果的客观评价。
本发明的技术方案为：一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，包括以下步骤：
S1、获取研究区作物全生育期蒸散量ET和全生育期总初级生产力GPP。
S2、根据ET和GPP计算得到作物水分生产率WP。
S3、对WP与ET的关系进行分析，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin，对GPP与ET的关系进行分析，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax，确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间。
S4、根据ET与ETmin以及ETmax的关系对作物分布区进行区间划分，得到研究区作物评价分类结果。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、获取研究区作物空间分布栅格数据，确定作物生育期。
S12、下载作物生育期时段内的MODIS MOD16A2HGF蒸散量ET产品和MOD17A2HGF总初级生产力GPP产品，并根据产品导出的质量标识层，在标识有云或质量不佳的区域范围内选择3年内相同时段的同类产品进行最大值合成法处理，得到处理后的作物生育期内的ET和GPP空间分布数据。
S13、对作物生育期内的ET进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的ET空间分布图。
S14、对作物生育期内的GPP进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的GPP空间分布图。
进一步地，步骤S2中作物水分生产率WP的计算公式为：
WP＝GPP/ET。
进一步地，步骤S3包括以下分步骤：
S31、对作物的WP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-水分生产率模型：
WP＝a1×ET2+b1×ET+c1
其中a1,b1,c1均为回归系数。
S32、根据作物耗水量-水分生产率模型，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin：
S33、对作物的GPP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-作物总初级生产力模型：
GPP＝a2×ET2+b2×ET+c2
其中a2,b2,c2均为回归系数。
S34、根据作物耗水量-作物总初级生产力模型，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax：
S35、确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间。
进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
S41、若ET≤ETmin，则该作物分布区属于水量不足区；若ETmin<ET≤ETmax，则进入步骤S42；若ET>ETmax，则进入步骤S43。
S42、将ET作为自变量输入作物耗水量-水分生产率模型，得到作物目标水分生产率WPmax，将实际作物水分生产率WP与作物目标水分生产率WPmax进行对比，若WP>WPmax，则该作物分布区属于水量适宜区，若WP≤WPmax，则该作物分布区属于灌溉不合理区。
S43、计算作物生育期内的总水分盈亏量ID并进入步骤S44：
ID＝∑(ETi-Pei)
其中ETi表示作物某生育阶段的实际耗水量，Pei表示作物某生育阶段的有效降雨量。
S44、若ID>0，则该作物分布区属于过量灌溉区，若ID≤0，则该作物分布区属于水量适宜区。
进一步地，步骤S43中有效降雨量Pei的计算公式为：
Pei＝σPi
其中Pi表示作物某生育阶段的实际降水量，σ表示降雨入渗系数，当Pi≤5mm时，σ＝0；当5mm<Pi≤50mm时，σ＝1；当Pi≥50mm时，σ＝0.7。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法能够克服传统田间试验单点观测的不足，实现农田尺度作物水分利用效率空间连续监测，是一种适用性较强的作物水分利用效率的监测方法。
(2)本发明根据作物GPP和ET的关系得到的作物适宜耗水区间，有助于科学准确地确定灌区灌溉定额，为探究有限水量在不同区域、不同作物之间的优化配置和制定农田作物灌溉决策提供重要依据。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法流程图。
图2所示为本发明实施例提供的2014年～2018年玉米全生育期GPP空间分布图。
图3所示为本发明实施例提供的2014年～2018年作物水分生产率空间分布图。
图4所示为本发明实施例提供的2014年～2018年作物水分生产率变化示意图。
图5所示为本发明实施例提供的作物耗水量-水分生产率模型示意图。
图6所示为本发明实施例提供的作物耗水量-作物总初级生产力模型示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S4：
S1、获取研究区作物全生育期蒸散量ET和全生育期总初级生产力GPP。
步骤S1包括以下分步骤S11～S14：
S11、获取研究区作物空间分布栅格数据，确定作物生育期。
S12、下载作物生育期时段内的MODIS MOD16A2HGF蒸散量ET产品和MOD17A2HGF总初级生产力GPP产品，并根据产品导出的质量标识层(VI_Quality和Pixel reliability)，在标识有云或质量不佳的区域范围内选择3年内相同时段的同类产品进行最大值合成法处理，得到处理后的作物生育期内的ET和GPP空间分布数据。
S13、对作物生育期内的ET进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的ET空间分布图。
S14、对作物生育期内的GPP进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的GPP空间分布图，如图2所示。
S2、根据ET和GPP计算得到作物水分生产率WP：
WP＝GPP/ET。
作物水分生产率一般是指单位实际耗水量所形成的产量，可用于反映区域的水资源利用状况或灌区的用水管理水平。本发明实施例中使用遥感反演的作物总初级生产力来代替作物产量，计算得出作物总初级生产力的水分利用效率，从空间尺度上评价作物的水分利用效率。图3所示为本发明实施例实验地区2014年至2018年玉米水分生产率空间分布，图4所示为本发明实施例实验地区2014年至2018年玉米水分生产率变化示意图。
S3、对WP与ET的关系进行分析，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin，对GPP与ET的关系进行分析，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax，确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间。
步骤S3包括以下分步骤S31～S35：
S31、对作物的WP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-水分生产率模型：
WP＝a1×ET2+b1×ET+c1
其中a1,b1,c1均为回归系数，作物耗水量-水分生产率模型呈二次函数曲线关系，存在极大值，如图5所示。
S32、根据作物耗水量-水分生产率模型，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin：
本发明实施例中，ETmin是能保证高水分利用效率的基本耗水量。
S33、对作物的GPP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-作物总初级生产力模型：
GPP＝a2×ET2+b2×ET+c2
其中a2,b2,c2均为回归系数，作物耗水量-作物总初级生产力模型呈二次函数曲线关系，存在极大值，如图6所示。
S34、根据作物耗水量-作物总初级生产力模型，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax：
本发明实施例中，ETmax是充分灌溉时的耗水量。
S35、确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间。
S4、根据ET与ETmin以及ETmax的关系对作物分布区进行区间划分，得到研究区作物水分利用效率评价分类结果。
步骤S4包括以下分步骤S41～S44：
S41、若ET≤ETmin，则该作物分布区属于水量不足区(class＝1)，该区域内，由于水量不足，使得作物受旱并造成减产。适当增大作物耗水关键期的灌水量，将有助于提高作物最终产量和作物水分生产率。
若ETmin<ET≤ETmax，则进入步骤S42；若ET>ETmax，则进入步骤S43。
S42、将ET作为自变量输入如图5所示的作物耗水量-水分生产率模型，得到作物目标水分生产率WPmax，将实际作物水分生产率WP与作物目标水分生产率WPmax进行对比，若WP>WPmax，则该作物分布区位于作物耗水量-水分生产率模型曲线以上，说明该区域作物水分生产率较高，其相应的GPP也高，因此该作物分布区属于水量适宜区(class＝2)，若WP≤WPmax，则该作物分布区位于作物耗水量-水分生产率模型曲线以下，说明该区域作物水分生产率低，说明灌水量的利用不充分，存在水资源浪费现象，因此该作物分布区属于灌溉不合理区(class＝3)。
S43、计算作物生育期内的总水分盈亏量ID并进入步骤S44：
ID＝∑(ETi-Pei)
其中ETi表示作物某生育阶段的实际耗水量，Pei表示作物某生育阶段的有效降雨量。
本发明实施例中，有效降雨量Pei是指实际降雨量减去地面径流损失后的水量，其计算公式为：
Pei＝σPi
其中Pi表示作物某生育阶段的实际降水量，σ表示降雨入渗系数，结合灌区的实际情况，当Pi≤5mm时，σ＝0；当5mm<Pi≤50mm时，σ＝1；当Pi≥50mm时，σ＝0.7。
S44、若ID>0，则认为出现水分过多灌溉的现象，该作物分布区属于过量灌溉区(class＝4)，若ID≤0，则认为不存在过量灌溉现象，该作物分布区属于水量适宜区(class＝2)。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取研究区作物全生育期蒸散量ET和全生育期总初级生产力GPP；
S2、根据ET和GPP计算得到作物水分生产率WP；
S3、对WP与ET的关系进行分析，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin，对GPP与ET的关系进行分析，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax，确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间；
S4、根据ET与ETmin以及ETmax的关系对作物分布区进行区间划分，得到研究区作物水分利用效率评价分类结果；
所述步骤S3包括以下分步骤：
S31、对作物的WP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-水分生产率模型：
WP＝a1×ET2+b1×ET+c1
其中a1,b1,c1均为回归系数；
S32、根据作物耗水量-水分生产率模型，得到作物水分生产率最大时的作物全生育期耗水量ETmin：
S33、对作物的GPP值与ET值进行散点图分析，得到作物耗水量-作物总初级生产力模型：
GPP＝a2×ET2+b2×ET+c2
其中a2,b2,c2均为回归系数；
S34、根据作物耗水量-作物总初级生产力模型，得到作物总初级生产力最大时的作物全生育期耗水量ETmax：
S35、确定ETmin～ETmax区间为作物的适宜耗水区间；
所述步骤S4包括以下分步骤：
S41、若ET≤ETmin，则该作物分布区属于水量不足区；若ETmin<ET≤ETmax，则进入步骤S42；若ET>ETmax，则进入步骤S43；
S42、将ET作为自变量输入作物耗水量-水分生产率模型，得到作物目标水分生产率WPmax，将实际作物水分生产率WP与作物目标水分生产率WPmax进行对比，若WP>WPmax，则该作物分布区属于水量适宜区，若WP≤WPmax，则该作物分布区属于灌溉不合理区；
S43、计算作物生育期内的总水分盈亏量ID并进入步骤S44：
ID＝∑(ETi-Pei)
其中ETi表示作物某生育阶段的实际耗水量，Pei表示作物某生育阶段的有效降雨量；
S44、若ID>0，则该作物分布区属于过量灌溉区，若ID≤0，则该作物分布区属于水量适宜区。
2.根据权利要求1所述的农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、获取研究区作物空间分布栅格数据，确定作物生育期；
S12、下载作物生育期时段内的MODIS MOD16A2HGF蒸散量ET产品和MOD17A2HGF总初级生产力GPP产品，并根据产品导出的质量标识层，在标识有云或质量不佳的区域范围内选择3年内相同时段的同类产品进行最大值合成法处理，得到处理后的作物生育期内的ET和GPP空间分布数据；
S13、对作物生育期内的ET进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的ET空间分布图；
S14、对作物生育期内的GPP进行累加，并利用作物空间分布栅格数据对其进行掩模处理，得到研究区作物分布区的GPP空间分布图。
3.根据权利要求1所述的农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，其特征在于，所述步骤S2中作物水分生产率WP的计算公式为：
WP＝GPP/ET。
4.根据权利要求1所述的农田尺度作物水分利用效率遥感评价方法，其特征在于，所述步骤S43中有效降雨量Pei的计算公式为：
Pei＝σPi
其中Pi表示作物某生育阶段的实际降水量，σ表示降雨入渗系数，当Pi≤5mm时，σ＝0；当5mm<Pi≤50mm时，σ＝1；当Pi≥50mm时，σ＝0.7。
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