DB61 T 1130-2018 农业干旱风险遥感评估技术规范.pdf

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1、ICS 07.040A 77 DB61陕 西 省 地 方 标 准DB 61/T 1130 2018农 业 干 旱 风 险 遥 感 评 估 技 术 规 范 Technological specification for risk assessment of agricultural drought supported byremote sensing and meteorological observation 2018 -03- 09发 布 2018- 04-09实 施陕 西 省 质 量 技 术 监 督 局 发 布 DB61/T 11302018 I 目 次前 言 .II1 范 围 .12 规

2、 范 性 引 用 文 件 .13 术 语 和 定 义 .14 评 估 步 骤 .2附 录 A（ 资 料 性 附 录 ） 部 分 遥 感 指 数 形 式 及 说 明 .8附 录 B（ 规 范 性 附 录 ） 冬 小 麦 与 玉 米 各 生 育 期 的 参 考 需 水 风 险 系 数 .9 DB61/T 11302018 II 前 言本 标 准 按 照 GB/T 1.1 2009给 出 的 规 则 起 草 。本 标 准 由 杨 凌 农 业 高 新 技 术 产 业 示 范 区 科 技 信 息 中 心 提 出 。本 标 准 由 陕 西 省 农 业 厅 归 口 。本 标 准 起 草 单 位 ： 北 京

3、农 业 信 息 技 术 研 究 中 心 、 北 京 农 业 质 量 标 准 与 检 测 技 术 研 究 中 心 、 杨 凌 农 业高 新 技 术 产 业 示 范 区 科 技 信 息 中 心 。本 标 准 主 要 起 草 人 ： 杨 贵 军 、 杨 浩 、 赵 春 江 、 杨 小 冬 、 王 纪 华 、 卫 景 芳 、 侯 宝 英 、 龙 慧 灵 、 汶 誓 、谢 胜 菊 。本 标 准 由 杨 凌 农 业 高 新 技 术 产 业 示 范 区 科 技 信 息 中 心 负 责 解 释 。本 标 准 首 次 发 布 。 联 系 信 息 如 下 ：单 位 ： 杨 凌 农 业 高 新 技 术 产 业 示

4、范 区 科 技 信 息 中 心电 话 ： 029 87030801地 址 ： 陕 西 省 咸 阳 市 杨 凌 农 业 高 新 技 术 产 业 示 范 区 新 桥 北 路 6号 政 务 大 厦 312室邮 编 ： 712100 DB61/T 11302018 1 农 业 干 旱 风 险 遥 感 评 估 技 术 规 范1 范 围本 标 准 规 定 了 农 业 干 旱 风 险 遥 感 评 估 的 技 术 要 求 与 方 法 步 骤 。本 标 准 适 用 于 陕 西 区 域 冬 小 麦 与 玉 米 为 主 的 遥 感 技 术 与 气 象 观 测 相 结 合 的 大 田 作 物 干 旱 风 险 评 估业

5、 务 。2 规 范 性 引 用 文 件下 列 文 件 对 于 本 文 件 的 应 用 是 必 不 可 少 的 。 凡 是 注 日 期 的 引 用 文 件 ， 仅 所 注 日 期 的 版 本 适 用 于 本 文件 。 凡 是 不 注 日 期 的 引 用 文 件 ， 其 最 新 版 本 （ 包 括 所 有 的 修 改 单 ） 适 用 于 本 文 件 。 GB/T 20481 气 象 干 旱 等 级GB/T 32136 农 业 干 旱 等 级3 术 语 和 定 义下 列 术 语 和 定 义 适 用 于 本 文 件 。3.1 农 业 干 旱 agricultural drought指 农 作 物 生

6、长 过 程 中 因 供 水 不 足 ， 阻 碍 作 物 正 常 生 长 而 发 生 的 水 量 供 需 不 平 衡 ， 进 而 影 响 作 物 生 长发 育 及 产 量 的 现 象 。3.2 风 险 评 估 risk assessment指 在 干 旱 事 件 发 生 之 前 或 发 生 过 程 中 ， 分 级 量 化 测 评 干 旱 对 农 作 物 生 长 的 威 胁 程 度 。3.3 遥 感 影 像 数 据 remote sensing imagery data应 用 卫 星 、 航 空 飞 机 或 无 人 机 等 飞 行 平 台 获 取 覆 盖 大 面 积 农 田 区 域 的 多 光 谱

7、 影 像 数 据 。3.4 植 被 指 数 vegetation index利 用 遥 感 影 像 数 据 不 同 波 段 反 射 率 ， 通 过 运 算 生 成 的 可 以 表 达 植 被 生 长 状 况 的 变 量 指 标 。3.5 归 一 化 差 值 植 被 指 数 normal difference vegetation index； NDVI DB61/T 11302018 2 指 遥 感 影 像 近 红 外 波 段 （ NIR） 与 可 见 光 红 光 波 段 （ Red） 的 反 射 率 之 差 与 二 者 之 和 的 比 值 ， 该 指 数能 够 用 来 表 征 植 被 长 势

8、 状 况 。3.6 地 表 反 射 率 land surface reflectance指 地 表 反 射 能 力 的 大 小 ， 以 向 上 的 反 射 辐 射 总 能 量 与 入 射 辐 射 总 能 量 的 比 值 表 示 。3.7 反 照 率 albedo为 半 球 反 射 率 ， 目 标 地 物 的 反 射 辐 射 通 量 与 入 射 辐 射 通 量 的 比 值 ， 即 单 位 时 间 、 单 位 面 积 上 各 方 向出 射 的 总 辐 射 能 量 与 入 射 的 总 辐 射 能 量 之 比 。3.8 降 水 量 precipitation从 天 空 降 落 到 地 面 上 的 液

9、态 或 固 态 （ 经 融 化 后 ） 水 ， 未 经 蒸 发 、 渗 透 、 流 失 ， 而 在 水 平 面 上 积 聚 的深 度 ， 单 位 为 毫 米 （ mm） 。3.9 土 壤 含 水 量 soil water content为 单 位 容 积 或 重 量 土 壤 中 的 水 分 含 量 占 同 容 积 或 干 土 重 量 的 百 分 比 ， 以 百 分 率 （ %） 表 示 。4 评 估 步 骤4.1 准 备 工 作4.1.1 在 农 作 物 生 长 期 内 ， 根 据 气 象 预 测 ， 每 隔 固 定 时 间 单 元 （ 5 天 10天 ） 进 行 周 期 性 评 估 。 具

10、体 评 估 时 间 和 频 次 可 根 据 干 旱 发 生 的 严 重 性 与 实 际 需 求 进 行 调 整 。4.1.2 在 进 行 农 业 干 旱 风 险 遥 感 评 估 工 作 之 前 ， 应 充 分 搜 集 和 熟 悉 已 有 的 成 果 资 料 。 必 须 着 重 搜 集 以下 方 面 的 基 础 数 据 ： 1： 100万 中 国 行 政 区 划 图 ； 不 低 于 1： 5 万 地 形 图 ； 1:1万 土 地 利 用 空 间 分 布 。4.2 遥 感 及 气 象 数 据 获 取 与 处 理4.2.1 采 用 的 遥 感 影 像 至 少 需 包 含 红 光 波 段 、 近 红

11、外 波 段 、 短 波 红 外 波 段 、 热 红 外 波 段 等 光 谱 谱 段 。其 中 ， 热 红 外 波 段 遥 感 数 据 成 像 时 间 分 辨 率 需 达 到 12h以 内 ， 其 它 谱 段 遥 感 数 据 成 像 时 间 分 辨 率 需 达 到8d 以 内 。 遥 感 影 像 空 间 分 辨 率 需 达 到 500m。4.2.2 按 照 上 述 要 求 ， 选 择 获 取 评 估 区 域 近 10年 来 清 晰 无 云 且 无 传 感 器 条 带 噪 声 的 时 间 序 列 遥 感 影 像数 据 ； 对 获 取 的 影 像 进 行 辐 射 定 标 、 大 气 校 正 和 几

12、何 精 校 正 等 标 准 化 数 据 处 理 （ 几 何 校 正 精 度 需 达 到 1 个 像 素 以 内 ） ， 获 得 统 一 空 间 坐 标 系 统 （ 如 ： WGS84 坐 标 系 ， UTM投 影 ） 和 统 一 时 空 分 辨 率 的 遥 感 数 据产 品 ， 包 括 ： 红 光 地 表 反 射 率 ； 近 红 外 地 表 反 射 率 ； DB61/T 11302018 3 短 波 红 外 地 表 反 射 率 ； 热 红 外 地 表 发 射 率 ； 反 照 率 。4.2.3 此 外 ， 获 取 评 估 区 域 内 站 点 的 气 象 数 据 ， 包 括 ： 近 10年 来 的

13、 逐 日 降 水 量 ； 气 象 站 点 太 阳 辐 射 通 量 等 。4.3 干 旱 风 险 评 估 指 标 计 算4.3.1 降 水 量 的 计 算日 降 水 量 数 据 的 空 间 化 。 根 据 气 象 站 点 的 地 理 位 置 ， 基 于 区 域 内 的 所 有 站 点 降 水 量 数 据 进 行 整 个 评估 区 域 降 水 量 的 空 间 插 值 （ 克 里 金 插 值 方 法 ） ， 进 一 步 将 评 估 区 域 降 水 量 数 据 转 化 为 栅 格 图 像 并 进 行 重采 样 （ 统 一 的 分 辨 率 ） ， 得 到 每 一 像 素 单 元 时 间 段 的 累 计

14、降 水 量 。 4.3.2 土 壤 含 水 量 的 计 算以 遥 感 数 据 为 数 据 源 ， 以 土 壤 热 惯 量 指 数 （ ATIP ） 和 植 被 供 水 指 数 （ VSWI ） 为 反 演 基 础 。 一 般情 况 下 ， 在 农 田 处 于 裸 地 或 植 被 覆 盖 度 小 于 15%时 ， 采 用 热 惯 量 模 型 ； 在 农 田 植 被 覆 盖 度 大 于 等 于 15%，采 用 植 被 供 水 指 数 模 型 。 具 体 如 下 ：a) 当 裸 露 地 表 覆 盖 度 小 于 15%， 按 照 公 式 （ 1） 和 公 式 （ 2） 计 算 ：605.0P424.1

15、5SWC ATI .(1)式 中 ：SWC 为 土 壤 含 水 量 （ Soil Water Content） ；ATIP 为 表 观 热 惯 量 （ Apparent Thermal Inertia Index） 。T )ABE1(Q2)TT( C)ABE1(SV2P minmax 1ATI .(2)式 中 ：ATIP 为 表 观 热 惯 量 （ Apparent Thermal Inertia Index） ；S 为 太 阳 常 数 ；V 为 大 气 透 明 度 ；ABE 为 地 表 全 波 段 反 照 率 （ Albedo） ；1C 为 太 阳 赤 纬 和 经 纬 的 函 数 ； 为 地

16、 球 自 转 频 率 ；maxT 为 一 天 最 高 地 表 温 度 ； minT 为 一 天 最 低 地 表 温 度 ；Q 为 总 太 阳 辐 射 通 量 ； DB61/T 11302018 4 T 为 一 天 最 高 、 最 低 地 表 温 差 。b) 当 植 被 覆 盖 地 表 覆 盖 度 大 于 等 于 15%， 按 照 公 式 （ 3） 和 公 式 （ 4） 计 算 ：100VSWI34.118.40SWC .(3)式 中 ：SWC 为 土 壤 含 水 量 （ Soil Water Content） ；VSWI 为 植 被 供 水 指 数 。 dReNIR dReNIRTNDVITV

17、SWI ss .(4)式 中 ：VSWI 为 植 被 供 水 指 数 ；sT 为 地 表 温 度 ；NDVI 为 归 一 化 差 值 植 被 指 数 ；NIR 为 近 红 外 波 段 反 射 率 ；dRe 为 红 光 波 段 的 反 射 率 。4.3.3 植 被 水 分 的 计 算按 照 公 式 （ 5） 计 算 ： )02.0SWIR()1.0NIR( )02.0SWIR()1.0NIR(GVMI .(5)式 中 ：GVMI 为 全 球 植 被 水 分 指 数 （ Global Vegetation Moisture Index） ；NIR 为 近 红 外 波 段 反 射 率 ；SWIR 为

18、 短 波 红 外 波 段 反 射 率 。 4.4 评 估 指 标 时 间 序 列 归 一 化以 同 期 历 史 时 间 序 列 数 据 为 基 础 ， 判 定 某 一 指 标 在 当 前 的 相 对 风 险 大 小 ， 并 将 不 同 评 估 指 标 映 射 到同 一 可 比 空 间 ， 构 成 降 水 量 风 险 指 数 （ PCI ） ， 土 壤 水 分 风 险 指 数 （ GCI ） ， 以 及 植 被 水 分 风 险 指 数（ MCI ） ， 按 照 公 式 （ 6） ， 公 式 （ 7） ， 公 式 （ 8） 计 算 ：minmax minPIPI PIPIPCI .(6)式 中 ：

19、PCI 为 降 水 量 风 险 指 数 ， 范 围 为 0， 1， 0表 示 旱 灾 风 险 大 ， 1表 示 旱 灾 风 险 小 ；PI 为 某 一 像 素 当 前 时 间 的 降 水 量 值 ；minPI 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 小 降 水 量 ； maxPI 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 大 降 水 量 。 DB61/T 11302018 5 minmax minSWCSWC SWCSWCGCI .(7)式 中 ：GCI 为 土 壤 水 分 风 险 指 数 ；SWC 为 某 一 像 素 当 前 时

20、间 的 土 壤 含 水 量 （ Soil Water Content） ；minSWC 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 小 土 壤 含 水 量 ；maxSWC 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 大 土 壤 含 水 量 。minmax minGVMIGVMI GVMIGVMIMCI .(8)式 中 ：MCI 为 植 被 水 分 风 险 指 数 ；GVMI 为 某 一 像 素 当 前 时 间 的 全 球 植 被 水 分 指 数 ；minGVMI 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 小

21、全 球 植 被 水 分 指 数 ；maxGVMI 为 该 像 素 近 10年 来 同 期 单 位 时 间 段 内 的 最 大 全 球 植 被 水 分 指 数 。同 上 ， 利 用 公 式 （ 6） 、 公 式 （ 7） 和 公 式 （ 8） 输 入 历 史 上 同 期 PI 平 均 值 、 SWC 平 均 值 、 GVMI平 均 值 数 据 ， 计 算 出 历 史 平 均 降 水 量 风 险 指 数 （ PCI ） ， 历 史 平 均 土 壤 含 水 量 风 险 指 数 （ GCI ） ， 以及 历 史 平 均 植 被 水 分 风 险 指 数 （ MCI ） 。4.5 主 成 分 分 析 算

22、法 融 合利 用 主 成 分 分 析 算 法 分 别 对 评 估 当 期 PCI 、 GCI 、 MCI 及 历 史 平 均 PCI 、 GCI 、 MCI 进 行信 息 融 合 ， 在 定 量 耦 合 不 同 评 估 指 标 的 同 时 去 除 冗 余 信 息 ， 提 取 包 含 干 旱 风 险 最 大 信 息 量 的 最 大 主 成 分 分 量 ， 按 照 公 式 （ 9） 计 算 ： CIBIAIP 321 .(9)式 中 ：P 为 主 成 分 分 析 方 法 得 到 的 第 一 主 成 分 分 量 PCA或 PCA ；1I 、 2I 和 3I 为 变 量 协 方 差 矩 阵 计 算 后

23、 的 主 成 分 系 数 ， 由 主 成 分 分 析 算 法 得 到 ；A 为 降 水 量 风 险 指 数 PCI 或 PCI ；B 为 土 壤 水 分 风 险 指 数 GCI 或 GCI ；C 为 植 被 水 分 风 险 指 数 MCI 或 MCI 。4.6 农 业 干 旱 风 险 分 级 与 数 据 验 证4.6.1 风 险 分 级 按 照 本 标 准 4.5 的 计 算 结 果 为 基 础 ， 根 据 作 物 各 生 育 期 的 “ 参 考 需 水 风 险 系 数 ”（ 如 表 B.1） 计 算 “ 农业 干 旱 风 险 指 数 ” ， 按 照 公 式 （ 10） 计 算 。 DB61/

24、T 11302018 6 WPCAR .(10)式 中 ：R 为 农 业 干 旱 风 险 指 数 ；PCA 为 主 成 分 分 析 方 法 得 到 的 第 一 主 成 分 分 量 ；W 为 该 评 估 时 间 段 作 物 所 处 生 育 期 的 “ 参 考 需 水 风 险 系 数 ” 。利 用 公 式 (10)根 据 历 史 平 均 PCA 可 计 算 R ， 进 而 计 算 待 评 估 区 域 的 平 均 值 ， 按 照 公 式 （ 11） 计算 ： 1 2 NR R RM N . (11)式 中 ：M 为 评 估 区 域 R 的 平 均 值 ；iR 为 评 估 区 域 影 像 某 个 像

25、素 的 R ；N 为 评 估 区 域 的 所 有 像 素 个 数 。基 于 均 值 ， 计 算 评 估 区 域 的 方 差 。 按 照 公 式 （ 12） 计 算 ： 2 2 2 1 2 NR M R M R MN .(12)式 中 ： 为 评 估 区 域 R 的 方 差 ；M 为 评 估 区 域 R 的 平 均 值 ；iR 为 评 估 区 域 影 像 某 个 像 素 的 R ；N 为 评 估 区 域 的 所 有 像 素 个 数 。 参 照 国 家 农 业 干 旱 等 级 标 准 （ GB/T 20481， GB/T 32136） ， 并 据 此 确 定 农 业 干 旱 等 级 划 分 标 准

26、 ， 共分 为 4 级 ， 即 重 旱 ， 中 旱 ， 轻 旱 ， 无 旱 ： 重 旱 ： R 2M 中 旱 ： 2M R 2/2M 轻 旱 ： 2/2M R 2M 无 旱 ： R 2M 4.6.2 结 果 订 正4.6.2.1 参 考 陕 西 省 县 级 土 肥 站 及 农 技 中 心 固 定 监 测 台 站 测 报 并 公 开 发 布 的 数 据 、 气 象 局 土 壤 水 分 数 据 对 结 果 进 行 订 正 。4.6.2.2 在 作 物 种 植 区 划 的 基 础 上 ， 将 遥 感 评 估 结 果 与 地 面 监 测 结 果 进 行 比 较 ， 依 据 分 级 结 果 最 大 匹配

27、 的 统 计 原 则 划 分 风 险 评 估 的 分 级 阈 值 。 DB61/T 11302018 7 4.6.2.3 采 用 调 整 后 的 分 级 阈 值 对 干 旱 风 险 重 新 分 级 ， 制 作 该 区 域 的 风 险 空 间 分 布 图 ， 进 行 干 旱 风 险评 估 。4.7 编 写 评 估 报 告农 业 干 旱 风 险 遥 感 评 估 结 果 经 过 专 家 会 商 形 成 评 估 报 告 ， 报 告 内 容 如 下 ： 报 告 题 目 ： 点 明 该 评 估 区 域 该 时 间 段 农 作 物 干 旱 风 险 的 总 体 形 势 ； 报 告 正 文 ： 该 区 域 发

28、生 干 旱 风 险 的 总 体 评 价 ， 分 区 域 评 价 ； 附 表 ： 该 区 域 该 时 间 段 分 具 体 区 域 的 评 估 统 计 结 果 ； 附 图 ： 该 区 域 该 时 间 段 干 旱 风 险 等 级 空 间 分 布 图 。 DB61/T 11302018 8 AA附 录 A（ 资 料 性 附 录 ）部 分 遥 感 指 数 形 式 及 说 明A.1 部 分 遥 感 指 数 形 式 及 说 明 表 A.1 部 分 遥 感 指 数 形 式 及 说 明遥 感 指 数 名 称 表 达 式 归 一 化 差 值 植 被 指 数 （ NDVI ） dReNIR dReNIRNDVI 土

29、 壤 热 惯 量 指 数 （ ATIP ） TABEQPATI )1(2植 被 供 水 指 数 （ VSWI ） NDVITVSWI s全 球 植 被 水 分 指 数 （ GVMI ） )02.0()1.0( )02.0()1.0( SWIRNIR SWIRNIRGVMI降 水 量 风 险 指 数 （ PCI ） minmax minPIPI PIPIPCI 土 壤 水 分 风 险 指 数 （ GCI ） minmax minSWCSWC SWCSWCGCI 植 被 水 分 风 险 指 数 （ MCI ） minmax minGVMIGVMI GVMIGVMIMCI 注 ： dRe 、 NIR

30、 和 SWIR分 别 为 红 光 波 段 、 近 红 外 波 段 和 短 波 红 外 波 段 反 射 率 ； Q为 太 阳 总 辐 射 通 量 、 ABE为 反 照 率 、 T 为 最 高 最 低 温 差 、 PI 为 降 水 量 、 SWC 为 土 壤 含 水 量 。 DB61/T 11302018 9 BB附 录 B（ 规 范 性 附 录 ）冬 小 麦 与 玉 米 各 生 育 期 的 参 考 需 水 风 险 系 数B.1 冬 小 麦 与 玉 米 各 生 育 期 的 参 考 需 水 风 险 系 数表 B.1 冬 小 麦 与 玉 米 各 生 育 期 的 参 考 需 水 风 险 系 数冬 小 麦 生 育 期 参 考 需 水 风 险 系 数 玉 米 生 育 期 参 考 需 水 风 险 系 数 播 种 至 越 冬 0.15 播 种 至 拔 节 0.18越 冬 至 返 青 0.06 拔 节 至 吐 丝 0.38返 青 至 拔 节 0.15 吐 丝 至 灌 浆 0.32拔 节 至 抽 穗 0.26 灌 浆 至 成 熟 0.12抽 穗 至 成 熟 0.38 _