基于多时相MODIS EVI种植结构提取的作物需水量估算

摘要：作物需水量（CWR）估算是干旱地区合理用水和农业节水的关键。利用遥感数据获取大面积长期 CWR 有助于缺水地区的水资源管理。本研究以中国西北干旱区的开都-孔旗河流域为研究区，探讨了协同利用物候特征、Savitzky-Golay滤波器、谐波分析和决策树从MODIS EVI中提取作物种植结构（CPS）的可行性，同时分析了估计 CWR 的时空变化。结果表明，该CPS识别提取一体化方法可行、可靠，分类准确率超过80%。中期阶段需要的水最多，经济作物比谷类作物需要更多的水。夏季占生长季节用水总量的 69%。棉花等高需水作物种植面积显着增加，使流域总水草比从 14.91×10 猛增8米3在2000至34.92×10 8米3在2017年CWR的空间分布是更相关的作物种类和面积比的气候条件。控制耕地扩张，优化农业种植结构，仍是流域水资源可持续管理的重要任务。

学习区

塔里木河支流之一的开都-孔启河位于中国新疆天山南坡（图 1）。流域面积7.73×10 4 km 2经度为 82º56' - 88º12'E，纬度为 40º48' - 43º20'N。研究区具有独特的高温、少雨、日照充足的气候，是新疆重要的农业生产基地。年平均降水量仅为155.6毫米，但非均质性很强，夏季降水量75%，西北700多毫米，东南50毫米。河流由降水（45.4%）和冰雪融化（15.2%）补给。河流流量全年分布不均，春季为22.4%，夏季为44.9%，秋季为21.3%，冬季为11.4%。农业灌溉占用水总量的90%。

遥感数据

遥感数据包括2000年、2005年、2010年和2017年的MOD13Q1（植被指数）和MCD12Q1（土地覆盖）（https://modis.gsfc.nasa.gov）。250 m 空间分辨率的 MOD13Q1 数据用于提取作物类型。共有 356 张图片。轨道号涉及h24v04、h24v05、h25v04和h25v05。MCD12Q1 土地覆盖数据用于帮助确定作物的分布。使用MODIS重投影工具和ArcGIS软件对影像进行拼接、投影转换和裁剪等预处理。

气象资料

新疆66个站点的每日气象数据来自中国气象数据共享网（http://data.cma.cn），包括最低和最高气温、日照时数、相对湿度和平均风速。数据用于ET 0计算。

实地调查数据

于2017年7月1日至15日在研究区进行了实地调查。剔除无效数据后，共选取275个样本点（图 1）进行作物分类的训练和验证。研究区主要农作物有小麦、玉米、棉花、甜菜、番茄、辣椒和梨七种。

统计数据

作物面积数据来自巴音郭楞蒙古自治州统计年鉴（2001年、2006年、2011年和2018年）。统计数据用于作物分类提取的准确性验证。

方法

Savitzky-Golay 滤波器

MODIS EVI采用最大值合成法生成，可有效消除部分云、气溶胶和地物双向反射的干扰，但仍有云层的影响（Wu et al. 2009），会造成锯齿状不规则EVI 曲线的波动并影响作物识别。Savitzky-Golay (SG) 滤波器可用于平滑 EVI 时间序列并帮助改进作物分类（Cao 等人，2018 年）。SG 过滤过程的细节可以在 Chen 等人 ( 2004 ) 的文献中找到。