遥感技术在农田水利工程建设及管护中的应用

马海荣 罗治情 陈娉婷 官波

摘要：农田水利工程具有范围大、空间分布复杂、工程数量多等特点，利用常规技术手段对其进行管护较难实现。开展了基于遥感技术的农田水利工程的建设与管护技术方法的探索，旨在提高农田水利工程建设和管护的信息化水平。主要研究利用遥感技术进行农田水利工程信息化建设及管护的关键技术与方法，并根据农田水利工程信息化建设与管护的应用需求，进行了“智慧农田水利信息化管护综合应用系统”的初步设计。

关键词：遥感技术;农田水利工程;管护

中图分类号：TP79         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）23-0016-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.23.003           开放科学（资源服务）标识码（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

在國家政策的大力支持与农村、农业发展的迫切需求下，近年来，国家及各省均投入了巨资实施大型灌区续建配套与节水改造、小型农田水利工程等农田水利工程项目建设。农田水利工程具有范围大、空间分布复杂、工程数量多等特点，利用传统测量调查和人工巡视的手段进行农田水利工程的信息采集和管护时存在采集速度慢、时效性差、耗时长、人力需求大等问题。随着“放管服”改革的全面推进，水利行政主管部门需在新形势下利用高新技术进一步加强并完善农田水利工程的建设和管护措施，确保“放得下、管得好”。在此背景下，传统的农田水利工程建设和管护手段及信息采集措施已经渐渐不能满足农田水利工程信息化与现代化发展的需求。

遥感（Remote Sensing，RS）影像具有分辨率高、时效性强、信息量丰富、覆盖面积广等特点，可弥补利用传统技术手段进行农田水利工程建设和管护的不足。随着中国高分系列、资源系列等航天卫星的不断发射，以及低空无人机技术的飞速发展，使得多分辨率、多时相、多类别的RS影像的获取日益便利。因此，开展基于RS数据和其他辅助数据的农田水利工程信息化管理应用所需的技术、条件、方法的探索，对于大力推进农田水利信息化建设进程具有重要意义。

1  基于高分辨率遥感影像的农田水利工程信息提取

利用RS影像数据进行农田水利工程信息提取的方法主要有目视解译、面向对象法[1，2]、监督分类[3]、非监督分类（K均值聚类）[4]、机器学习（支持向量机、随机森林）[5]、数学形态学、hough变换[6]等。农田水利工程信息的提取流程一般如下：①根据高分辨率RS影像与矢量电子地图的数学基础，对RS影像进行纠正、配准等进行预处理;②基于地理信息系统（Geographic Information System，GIS）平台将水系与水利图层叠加到RS影像上，形成农田水利工程数据内业采集的工作底图;③在工作底图上根据农田水利工程的类型分类采集农田水利工程信息;④基于农田水利工程专题图的制图标准，按点、线、面将农田水利工程信息符号化整理和属性赋值。

目前，基于RS技术进行农田水利工程信息提取时，主要是提取农田水利工程的灌排水渠信息，对于泵站、闸门、水位计等无法通过遥感影像直接识别出来。渠系的最终提取结果的精度与渠系状态（有无水）、渠系等级、使用RS影像的分辨率、影像獲取时间以及所使用的提取方法均有较大关系。

2  基于遥感技术的农田水利工程建设应用

基于RS技术农田水利工程建设应用主要包括基于RS技术的农田水利工程规划设计、农田水利工程建设工程情况监测[7]、农田水利工程辅助验收等方面[8]，其中基于RS技术的农田水利工程规划设计又包括农田水利工程的规划底图制作[9]和基于3S技术的农田水利灌排渠道选线[10]。

2.1  基于3S技术的农田水利灌排渠道选线

RS具有宏观性、穿透性、真实性和全面性的特点，其可作为信息源，快速准确地获取工程区域的水文地质、土地利用、各级灌排渠道的控制范围、人口分布、交通条件等信息。全球定位系统（Global Positioning System，GPS）可实时、高效地提供高精度的定位信息，且操作简单、无需点间通视，因此，主要被用于灌排渠道的初测、定测以及对RS影像的定位校正等方面，为选择最优线路提供定位保障。GIS主要被用作渠道选线的分析工具，GIS将选线所需的RS、GPS等基础资料分层存储和管理，并利用其强大的数据综合、地理模拟和空间分析功能对各种信息进行叠加和分析，制作各种专题图像。

利用3S技术进行农田水利灌排渠道的优化选线，使得难以到达地区（困难地区、危险地区等）的空间信息的获取变得便利可行。RS与GIS技术相结合制作遥感地质工程图，进行纵横断面和灌区控制范围分析，通过综合分析地形、地貌与工程地质条件之间的关系，可使灌排线路避开透水性强和易塌方的不良地质地段、居民区等。首先，快速科学地选定干支渠最优线路、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、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），利用GIS中的相关环境数据库生成真三维模型，进行工程建设区的地形和地质情况分析，并对所选线路进行三维透视，查看线形是否顺畅、水流是否无阻碍，以最终确定选线信息。

2.2  农田水利工程建设进度监测和辅助验收

在农田水利工程建设中不定时地获取项目区RS影像，结合农田水利工程规划图，对比分析工程建设进展情况。在此基础上，对发现问题较多、进展缓慢的项目建设区进行实地检查，以此提高检查效能，促进农田水利工程项目建设的顺利进行。在农田水利工程项目建设完成后，将农田水利工程竣工图与项目区农田水利工程建设完成后获取的高分辨率RS影像进行对比分析，宏观把握项目建设完成情况;并在此基础上有针对性地对农田水利工程进行验收，以节省验收时间并保证项目验收工作质量。

3  基于遥感技术的农田水利工程管护

农田水利工程管护是指对农田水利工程设施进行管理保护和对农田灌溉水资源进行合理调配与运用，以促进农业稳产高产的同时节约水资源。农田水利工程管护的主要工作包括农田水利工程设施监测与保护、农田灌溉用水计划、灌溉水量调度与进度管理、灌溉效果与用水效率评价等。农田水利工程的管护工作需要大量农作物信息、农田水利、水资源等基础数据为支撑，如农田水利工程的分布、灌区作物种植结构、作物长势[11]、作物灌溉定额、来水量、灌溉进度、灌溉面积、灌溉水量等信息。目前，应用于农田水利工程管护的相关信息的获取主要依赖于人工测量调查或逐级统计汇报等传统方式，但是传统方式又存在着监测站点少、耗时费力、更新周期长等不足。传统农田水利管护方法由于不能及时准确地获得大范围水、土、农作物等相关信息，农业灌溉用水调度多基于经验调度安排，使得灌区不能基于农情、水情的变化情况进行科学动态的用水管理。

3.1  基于遥感技术的农田用水计划

农田用水计划主要是指基于灌区内作物种植结构、作物长势、作物旱涝情况、灌溉定额等信息进行农田灌溉用水计划安排。目前，农田灌溉用水计划所需作物分布和长势等信息的获取主要依赖于人工调查、经验估算、典型调查推算等传统技术手段。但是由于中国目前大部分地区作物种植的多样性和分布范围广泛性，造成信息获取的空间范围和差异也较大，仅依靠传统技术手段难以获取灌区大面积准确、及时的用水信息。因此，利用RS技术进行作物种植信息结构获取[12]、作物长势调查[13]、作物旱涝情况监测[14]等应用成为科学合理安排用水计划的必然技术手段。

3.2  基于3S技术的灌溉水资源优化配置

灌溉水资源的优化配置一般指将灌溉水资源进行时间和空间上的优化配置。灌溉水资源的优化配置涉及到农田水利学、水文学、气象学、农学以及管理学诸多学科，灌溉水资源的优化配置可提高农业水资源利用率和作物产量，继而提高农业生产的经济和社会效益[15，16]。

基于3S技术的灌溉水资源优化配置的主要流程如下：首先，收集和处理研究区内的RS、水利、气象等多源空间信息及属性资料;然后，分析各灌溉渠道的控制灌溉面积以及不同级别渠系之间的隶属与关联关系，基于作物-水模型与农田水量平衡系统地研究灌溉用水量关系，同时分析影响灌溉增产效益的因素，确定优化目标及约束条件，建立灌溉水量优化分配模型，并利用智能算法对模型进行求解，来寻求最优的灌溉面积和配水流量，以实现灌区尺度上的智能优化灌溉配水（图1）。

在完成灌区尺度灌溉用水的优化配置后，再根据灌区内各类农作物种植分布进行渠系尺度的灌溉用水优化配送。渠系尺度的灌溉水资源优化配置通常与优化轮灌结合，首先清理配水和被配水的渠道;其次，基于灌区内作物分布与渠系的实际情况构建灌区内的最优轮灌模型，并利用智能算法对选定的渠系灌溉水资源优化配置模型求解;最后，完成对灌区内渠系尺度轮灌工作制度的编制。

3.3  基于遥感技术的灌溉效果与用水效率评价

水分是保障农业生产最为重要的条件，特别在天然降水量较少的干旱地区，其农业生产活动主要依赖于灌溉，因此灌溉水资源对该类地区尤为珍贵，灌溉效果与用水效率评价对于更好地进行水资源优化配置具有重要意义。农田灌溉效果与用水效率的评价需要灌溉引水量、灌溉耗水量、作物种类、作物种植面积以及作物产量等信息作支撑。目前，大部分干渠只对主要灌溉渠道的分水进行监测并可较容易获取监测数据，但是对于各类作物的耗水量、作物长势与产量无法实现大规模的监测与数据获取。

随着RS技术在区域蒸散发计算模型、作物分类识别和作物产量估算等领域应用技术的快速发展和日益成熟，为灌区尺度的农业灌溉效果和水资源利用效率定量评价提供了科学的数据基础[17]。基于RS技术的农田灌溉效果和农作物水分利用效率评价思路如下：首先，基于RS技术利用蒸散发模型估算灌区蒸散发量，并利用蒸散发量除去基于降水得到的灌溉水的有效消耗量，继而可估算出灌溉水的有效利用率;其次，基于RS作物识别技术得到灌区主要农作物空间分布信息，并利用基于RS技术的作物产量估算模型估算各类主要农作物产量，进一步基于作物的蒸散发量和产量估算作物水分利用效率（图2）。

4  基于3S技术的智慧农田水利信息化管护综合应用系统

基于RS、GIS、GPS、计算机、物联网等技术的智慧农田水利信息化管护综合应用系统是农田水利工程信息化和智能化建设的重要组成部分，建设一个集数据采集、数据共享和信息管理应用于一体的农田水利综合管理与服务系统，可以为各级政府、水利和农业相关部门提供技术支持、信息共享、快速查询等便捷服务。智慧农田水利信息化管护综合应用系统的整体设计和各管理应用模块（具体包括基于3S技术的农田水利灌排渠道智能选线模块、基于RS技术的农田水利工程建设进度监测与辅助验收模块、基于RS技术的农田旱涝灾情监测预警模块、基于3S技术的灌排水调度模块、基于RS技术的灌溉面积与灌溉进度监测模块、基于3S技术的灌溉水资源优化配置模塊、基于RS技术的灌溉效果与用水效率评价模块等）的设计与研发。

智慧农田水利信息化管护综合应用系统力争按照“一张农田水利网络、一张地图展示、一个数据中心、一个集成门户”的标准打造省级智慧农田水利信息化管护应用系统，实现省级农田水利数据的全面整合与共享，为农田水利工程管理、农田水利政务管理、应急指挥等核心管理业务提供强有力的信息化支撑，为省级农田水利安全运行与科学调度提供智慧化的管理手段。

农田水利信息化建设涉及到农田水利信息采集、传输、存储、管理、应用等，其关键在于实现各种采集数据的整合，规范数据库结构和以采集信息为基础的业务应用，为农田水利工程管理单位、上级领导及公众信息服务。系统的总体框架包括农田水利信息采集与监控体系、资源共享服务体系、综合业务应用体系、网络及服务器等软件硬件设施、技术标准及建设与运行管理规程，总体框架见图3。

5  小结

基于遥感技术进行农田水利工程信息提取，在不断丰富的高分辨率RS数据和日益成熟的提取技术的基础上可以实现并被逐渐应用;目前的提取方法主要还是基于目视解译的人机交互提取，并且提取信息较为单一。基于RS、GIS、计算机等技术的农田水利工程规划底图制作和灌排渠道优化选线改变了传统的制图和规划手段，考虑的问题更加直观全面，轻松实现定性、定位和定量分析，方便快捷地选出最优线路，既减少了人力物力投入，又提高了工作效率和规划的科学性。基于遥感技术进行农田水利工程的管护，可以改变原有的监管模式，提高监管效率。为农田水利工程监管提供直观的空间分布图，大大缩小监管时间间隔，对每年农田水利工程的新建、维护提供最直接的证据，将监管行为从被动模式变为主动模式。可以实现事后监管向过程监管转变，从粗放式向科学化监管转移。

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