映射灌溉面积碎片作物用水评估使用手持式光谱仪

文摘

由于气候变化和土地使用改变水文政权,大多数集雨逐渐变得干燥和农民正从旱作农业灌溉实践使他们全年开展创收活动。加纳政府最近促进灌溉农业实践随着人口的不断增加和对食物的需求不断飙升。为了跟上高粮食需求加上增加次区域的干旱,一些农民采取非正式的灌溉方式。在这项研究中,高光谱反射率数据收集灌溉作物的非正式的实践来评估他们的水的使用效率。光化学反射指数(),soil-specific氮指数()和水乐队指数()计算。的和显著相关,而没有显著相关性吗和。水压力的地图概率表示,非正式的灌溉方式并不是一种有效的水资源管理方法。

1。介绍

各个国家的意志是自给自足的,导致近年来增加灌溉设施的发展与潜在进一步增加在未来几年(1]。灌溉用水的增加使淡水资源严重压力(2,3]。进一步发展可灌溉的土地和高效管理的现有需要知识的空间范围、作物类型,crop-evapotranspiration模式、流域水文,和不同类型的灌溉的影响流域包括内陆山谷(4]。这些知识将帮助发展空间决策支持系统的帮助政策制定者(5]。加纳政府最近促进灌溉农业实践的一部分。然而,灌溉设施及其发展是昂贵的;因此,并不是所有的农民都在state-initiated灌溉发展项目。有时由于维护这些设施差,经常打破呈现农民不活跃。由于缺乏传统的灌溉设施,一些农民采取简易的方式灌溉庄稼。其中一个方法是目前在上东区Atankuidi河流域地区的加纳、内陆山谷的长江沿岸社区用于种植蔬菜在旱季。

Atankuidi是季节性河流,干涸在旱季。在雨季社区培养谷物如小米、高粱、玉米和大米。在旱季唯一可用的水是地下水。沿着河的农民,他们拥有土地,在内陆山谷,培育蔬菜尤其是西红柿用地下水灌溉。农民获得地下水挖掘井水的农场可以深达20米。一个农民可以有几个这样的井的大小取决于他的农场。那些非常接近在河床河岸挖井,和水由机泵灌溉庄稼。这种灌溉方法很浪费因为洒水装置或滴灌系统不使用。因此不用于井不河床由于它们含有少量的水。非正式灌溉非常自农民必须从劳动密集型作物作物,因此限制了面积,可以培养。 Farmers also assert that those who are close to the river bank and own pumping machines have better yields than those that have wells further from the river. Thus, not all farmers who use irrigation gain the higher yields they expect.

淡水资源不断减少,谨慎的水资源管理是必需的。粮食及农业组织(粮农组织)提倡最佳使用粮食生产用水(6,7]。发展中国家使用粮食生产大部分的淡水资源。据估计,印度使用大约90%的水资源在农业为工业用途只有7%和3%为国内使用(8]。全球农业部门估计为69%,行业占23%,8%为国内使用(8]。

作物需水量是健康的作物需要的水量平衡的数量失去通过蒸散(ET),实现最高产量9]。如果灌溉超过土壤水分蒸发蒸腾损失总量、水浸或可能发生盐渍化和过度渗透导致溶解于地下水硝酸盐和杀虫剂(10]。相反,如果灌溉率小于ET,作物强调导致可怜的收益率(9]。测量每个作物类型等可能是一项艰巨的任务,因为这将需要确定潜在蒸散(PET)为每个类型。潜在蒸散是由Thornthwaite定义(11]的蒸散速率会发生大面积种植植被均匀覆盖,获得无限的土壤水分供应,没有暴露在平流或蓄热效果。开发了几个方法来估计宠物通常需要各种输入参数的估计。例如,Penman-Monteith方法需要措施的太阳辐射,空气温度、相对湿度和风速。Priestley-Taylor方法使用太阳辐射、空气温度和相对湿度,而哈格里夫斯方法只使用空气温度(12]。或者,一个类”“蒸发皿可以使用相结合上面提到的所有参数与作物系数。然而,这种方法需要培训当地农民的工作原理与特定的作物需水量。尽管最近的事态发展在遥感可以帮助宠物,估计每天获得灌溉措施需要实时数据和昂贵。此外,空间分辨率将小农场的一个困难的问题。因此,重要的是寻求间接的方法确定作物水分需求,可以与农民共享。

这项研究调查了高光谱数据的有效性评估作物的水分利用效率在非正式的灌溉方式。它是在四个社区进行Atankuidi盆地(白沃尔特河支流)上东部地区的加纳

2。方法

2.1。研究区

这项研究是在加纳Atankuidi流域进行段沃尔塔盆地。这段盆地从这个国家的中部(7°30′20.35′′N, 2°59 47.22′′′W - 7°10′24.80′′N, 1°09年10.09′′′E)与多哥在东部接壤的北部,布基纳法索在北方,在西方和科特迪瓦。东南部分结束在5°46 11.60′′′N, 0°43 02.74′e′′,沃尔特河的水流入大西洋。覆盖面积167 692平方公里(陆地总面积的70%)构成总面积的40.18%沃尔特河流域(417382平方公里)13- - - - - -16])。

沃尔特湖水库的面积约8500平方公里,大约有4800公里海岸线的平均深度18.8米,最深的部分的深度90米(13,16]。水库总额估计在84.73米的供应1500亿立方米(148公里³和现场存储60公里的体积³)季节性涨落范围2.0 - -6.0米(13,14]。总蒸发从沃尔特湖是10.2公里³由7.3公里补偿³降雨与净亏损总额的7.5% (17]。面积是由几个主要河流排水:黑沃尔特,红的白沃尔特Volta作为它的支流,Oti河,和下伏打16,18,19]。年平均流的黑色沃尔特,白沃尔特,Oti河,,分别为(16]。Oti河只有约18%的总流域面积的贡献在30%和40%之间(500 m³/秒)沃尔特河年径流的系统;这是由于陡峭的地形和降雨相对较高的Oti次盆地(16,19,20.]。

据估计,该地区人口从目前的700万增加到大约1200万年增长率为2.5%。百分之八十四(84%)的人口是农村居民(21]。盆地支持加纳的主要主食如山药、玉米、木薯、高粱和小米。

2.2。气候研究的区域

气候研究的区域是由两个气团控制,即东北信风和西南信风。东北信风(热风)从大陆的内部吹干,而西南信风(季风)从海洋吹湿(18]。两个气团的间期(热带辐合Zone-ITZC)向北和向南移动整个研究区从3月到10月18]。降水在该研究领域被认为是极大地影响了该地区的对流活动ITCZ的三种类型的气候区,与两个不同的雨季潮湿的南方;热带过渡区有两个季节降雨非常接近对方,和热带气候,北部的纬度9°N,与一个降雨季节高峰(8月18]。因此,雨季是从3月到10月,旱季开始从11月到2月。有时,旱季是超越这一时期呈现旱作农业几乎是不可能的。

2.3。反射数据收集

番茄作物的反射率数据收集Atankuidi盆地使用ASD FieldSpec手持(HH)模型,紫外线/ 16位辐射分辨率(VNIR光谱仪仪器22]。可见/近红外光谱(VNIR), 325 - 1075纳米波长域,与512 -通道测量硅光电二极管阵列与订单分离滤波器覆盖窄(1.6 nm)名义带宽(22]。在每个采样点5到15 1米测量垂直上方的作物。格林尼治时间晚上11点和下午1点之间测量当太阳在天顶附近的位置。期间收集的数据清晰和nonwindy天气条件。一个光谱值的测量平均每个位置。每个采样点是使用特林布尔差分GPS设备地理坐标。数据导入GIS软件。地理坐标的转换为公制坐标系统使用统一横轴墨卡托投影系统。

2.4。植被指数计算

几个指标计算反射率数据来评估作物的健康在非正式的灌溉方式。的指数计算反射率数据包括红色边缘归一化植被指数(mNDVI修改_705年),带水指数(),光化学反射指数(),具体和土壤氮指数()。指数在采样区域内插来描绘他们的空间变化。

2.5。计算

归一化指数(mNDVI修改红色的优势_705年)是一个窄带绿色植被指数和是一个复杂的总体数量和测量植被活力(23,24]。它的值范围从−1比1 [23,24]。测量在红色的边缘部分植被反射光谱对轻微的植被变化更敏感的健康相比传统宽带指数(23,24]。在精准农业应用识别、分析和管理site-soil时空变异性(23,24]。

修改红色边缘正常化植被指数(mNDVI_705年)是由以下方程计算23,24]:

2.6。计算水的带索引

带水指数(),每个点被配给反射率计算在970 nm和900 nm (25]。带水指数(),范围从0.8到1.2 (25植物叶片含水量)措施。叶水影响植物近红外反射率和短波红外区域的光谱(25]。随着植被的树冠的含水量增加,吸水特性的力量集中在970 nm增加相对于吸收特性在900纳米25]。在970 nm(反射的比例)和900 nm ()给出了生产力指数预测和建模25]:

2.7。计算光化学反射指数

光化学反射指数()是一个敏感的指数类胡萝卜素色素浓度的变化在叶黄素等绿色植物光合作用的光利用效率的指标或测量单位能量吸收的二氧化碳吸收(26,27]。范围从−1比1 [26),用于评估作物生产力和也是一个衡量环境压力的开始。光化学反射指数()计算反射率的差异比在531 nm和570 nm)和他们的金额如下26,27]:

2.8。计算Soil-Specific氮指数

Soil-specific氮指数()是土壤氮状态索引使用信息反射拐点()和红边波长()。拐点的反射率()是由从附近的反射点插值计算如下(28]: 红色的边缘波长()使用下面的公式计算27]: 特定土壤氮指数(红边波长(相关)由以下方程()28]: 养分有效性的每个采样点估计soil-specific氮指数(使用以下方程()28]:

2.9。二元和多元数据分析

进行了回归分析,建立指标之间的相关程度。光化学反射指数()这是一个衡量生产率的绘制与水乐队指数()。这是建立作物的叶面水状态之间的关系和生产力指数。有关的方程和指数四个社区的派生,百分比的变化解释的生成方程。之间进行了类似的分析和soil-specific氮指数()。多重回归分析也进行作为因变量,和作为独立的变量。

2.10。水分胁迫映射

0.95阈值基于作物的性能设置为最低水乐队指数()。使用装有软件geo-statistical R编程环境(gstat)和格子包,指数在所有采样点转化为所有点的指标变量被分配1(真正的)和那些超过了阈值被分配0(假)。指标变量的空间分布的四个网站策划与红色分配给真正的和绿色为false。网站的经验指标变异函数计算,及其相应的金块,窗台上,估计范围。最好的模型构建和安装。基于变异函数建模,真实的概率变量(1),预测了一个预测网格由空间网格的空间包(sp)的方法。

3所示。结果

3.1。反射光谱(320 - 1100海里)

一块反射曲线的采样点Anayere表现出典型的绿色植被光学特性(图1)。有非特异性的方式吸收紫外光谱区域的生物组件(320 - 400海里)。高叶绿素吸收峰中心420、490和660 nm反射率曲线(图是显而易见的1)。的红色边的肩膀从叶绿素吸收和近红外叶散射非常独特的和广泛的(690 - 750 nm)。有高反射率在近红外区域(700 - 1100 nm)和一些水吸收峰约970纳米(图1)。

3.2。空间变化的指数

结果表明植被指数的空间相关性。较低的值修改红色边缘归一化植被指数发生在北部和中部部分Anayere样本。之间存在着较强的空间变化计算水乐队指数()和光化学反射指数()(数据2和3)。较低的区域的值修改红色边缘归一化植被指数(mNDVI_705年)有更高的水乐队指数。更好的空间变异作物可解析的光化学反射指数()(图3)。地区高水位乐队指数()显示更高的二氧化碳(有限公司₂(数字)吸收或更高的光合活动2和3)。绿色的地区与更高的二氧化碳吸收(有限公司₂),而红色的地区与低二氧化碳(有限公司₂吸收速率(图)3)。空间格局的变化计算soil-specific氮指数对应其他指数然而,微妙的变化无法解决所表现出的光化学反射指数。

3.3。二元数据分析

光化学反射率之间有强烈的负相关指数()和水乐队指数()。Anayere 73.68%变化是由(图4),在特别的变化的69.74%是由在Atankuidi解释60.77%的变异,在Bimbisi变异的49.04%是由。有一个可怜的相关性和表明土壤氮状态不是一个作物性能的决定因素在所有采样的地区。

诊断分析模型的回归显示了良好的性能。块残差的距离最适合的行显示在Anayere适合除了一个竖线是远离最适合线(图4 (b))。情节的残差拟合模型与水平线的±3,±2,±1个标准差的残差叠加显示合适的模型只有一个点躺在±3标准差。大部分的分属于±2和±1个标准差(图5(一个))。正常quantile-quantile块的残差四个样本区域显示很好的模型(图的性能5 (b))。

3.4。概率克里格的水压力区域

在Anayere, 52.20%的观察跌破0.95的阈值(图6 (b))。在特别,64.47%的观察跌破0.95的阈值。Atankuidi,观察低于阈值的62.05%,而且,在Bimbisi, 93.20%的观察是低于阈值。Postplot的在Anayere展览区域较低值(图6(一))。的空间分布的点对应于空间变化观察到的其他指标如光化学反射指数(归一化植被指数)和修改红色边缘(mNDVI_705年)。样本的概率地图区域清楚地显示了大面积的高概率值低于阈值(图7 (b))。

4所示。讨论

生产力,代表通过光化学反射指数(),是与水乐队指数相关。是吸收率的测量的大气二氧化碳(公司₂通过作物);因此,将会有更大的二氧化碳吸收的速度哪里有更高的光合活性和更高的收益率。尽管养分有效性是作物产量的主要因素之一28),在这项研究中特定土壤氮指数()不相关。这个结果可能是由于这样的事实:合成肥料应用于提高土壤养分浓度。也增加了增加;也就是说,价值越高越多,光合作用的活动。因此,水资源比营养更重要作物研究站点可用性暗示Atankuidi流域内非正式的灌溉方式Volta盆地并不高效。

本研究显示位置和斜率的电磁波谱的红色边缘应力条件下产生的变成了一个蓝色的红边位置的转移。压力可能导致生化变化在细胞和叶水平,这可能影响色素系统和树冠含水率(28]。自然表面的反射光谱敏感材料特殊的化学键,无论是固体、液体或气体(29日]。变化的复合材料引起的变化在光谱吸收带的位置和形状(29日]。水资源是植物生存和发展的关键因素和水压力是最常见的一种初级生产力的限制(30.]。因此,能力评估使用光谱反射率测量植被水分胁迫症状是遥感研究的一个重要目标(31日]。在农作物重要的是能够尽早检测水分胁迫的发病,可以采取预防措施,如灌溉(29日]。

5。结论

高光谱遥感数据可以在灌溉管理发挥重要作用。连续样本的能力在狭窄的乐队和整个电磁波谱使重要的生物物理吸收特性是利用环境管理。这项研究表明,非正式的灌溉实践Atankuidi流域地区正在进行的不是有效的。因此不是一个可持续水资源管理方法。应用地质统计学风险映射方法,可以划定潜在水缺乏的地区帮助灌溉调度。施肥调度也可以增强通过应用地质统计学风险映射到突出的地区潜在缺氮。高光谱遥感是一个精密农业工具,可用于提高农作物产量。它也可以被用来减少养分载荷到地表和地下水体因为肥料将仅适用于地区土壤养分较少从叶面反射率数据可以计算。

确认

作者完全感谢国际科学基金会(IFS),瑞典国际发展合作署(SIDA),自然界,独立检察官办公室的常务委员会科学技术合作促进科技与合作(COMSTECH)资金支持这个项目(批准号W / 4300 - 1)。他延伸先生诚挚的感谢艾利Sokpoli GLOWA,加纳,他巨大的帮助在他的领域工作。他是感谢的人或其他导致这项工作的成功。读者的信息,他没有金融赞助厂商的设备都是他委托公司进行本研究。是这项研究的作者纯粹出于学术目的,不得用于任何商业目的。

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