【遥感应用】卫星图像揭示农业用水状况
来源: https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/spinoff/Satellite_Imagery_Sheds_Light_on_Agricultural_Water_Use
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2018-09-27

2018年4月24日

地球可谓是个“蓝色星球”,70%以上的地球表面覆盖着水,但它仍然是一个“口渴”的星球,淡水需求旺盛。最为显著的用水抽取体现在农作物灌溉方面,按照一些测量方法,这方面的用水占美国总地表淡水消耗的将近2/3。

对覆盖数百万英亩农田进行水量使用跟踪记录,如何确保水资源利用合法有效,及时满足需水地点的需求——此项工作不是一件容易的事情。

最近,研究人员利用Landsat地球观测卫星数据,并与Google合作,着手使这项工作变得容易。美国Idaho大学、Nebraska大学和沙漠研究所(Desert Research Institute)研究人员使用基于卫星图像对地面蒸发或植物蒸发的蒸散水平测量结果进行制图。

蒸散量是估算植物使用水量的一种方法。有些水蒸汽直接从土壤蒸发,但很多是先经过植物后散发。

Idaho大学水资源工程教授Richard Allen解释,这是一个必需的过程,因为从土壤中流经植物的水可以输送植物所需养分。

无论是通过降雨还是通常利用灌溉途径,满足这个地区的用水需求,使这个过程得以持续进行。

Allen提到,蒸发和蒸腾代表水资源的总消耗。由于蒸发和蒸腾作用都使用能量,所以它们具有冷却效果,就像出汗使人的皮肤变凉一样。

如果农民能够将实际蒸散量与预期或理想水平进行比较,他们就能更好地了解他们的灌溉量(是否灌溉得足够多或浇水过多)。他们还可以查看整个农田的各地点的蒸散水平,确保他们的喷管灌溉对整个农田进行均匀覆盖,而不会造成一些地块浇水不够,而其他一些地方浇水过多。

美国国家航空航天管理局(NASA)于1972年7月发射第1颗Landsat卫星,由美国地质调查局(USGS)进行管理,该项目从那时起一直提供地表连续图像。

Landsat系列最新卫星Landsat 8于2013年2月送入轨道,每16天能够获取高分辨率全球图像。与仍在运行的Landsat 7相结合进行工作,每8天进行1次全球覆盖。这2颗卫星均各自搭载1个热成像仪,可以捕捉显示地表较暖和较冷地点红外波段图像。

技术转让

1999年以来,Allen一直使用基于Landsat数据进行蒸散量研究的工作,当时,Idaho水资源部首次接触他进行该项工作,该部门获得一项NASA拨款,通过美国Raytheon公司(该公司是美国专门从事国防、政府民用和网络安全解决方案的技术和创新型领袖),旨在发现卫星数据更广泛用途。

Allen最近参加了一个在欧洲召开的学术会议,在那里,一位名叫Wim Bastiaanssen的荷兰研究员提出利用蒸散图改进水资源管理信息。Bastiaanssen设计出一种名为“地表能量平衡算法(SEBAL)”模型,Allen认为他可以把该模型进行调整并用于Idaho州。

Allen提到,在大约3到4年后,我们开始改进SEBAL模型,适应美国西部地区应用需求。我们把它命名为METRIC,从那以后就一直开展改进工作。蒸散量的内标标定测算法(Mapping Evapotranspiration with Internalized Calibration:缩写为METRIC)需要进行大量Landsat图像下载到一台台式电脑上,基于天气观测台站数据和其他详细结果对它们进行校正。面对培训、强大计算机访问功能接入和时间成本增加的情况下,完成这些工作着实不易。

总部位于加州山景城(Mountain View)的谷歌(Google)公司于2010年推出谷歌地球引擎(Google Earth Engine),Allen和他的合作者们找到了一个机会。云计算平台使用Landsat数据,USGS已经开始免费分发这些数据,从而能够获取全球范围的海量信息。

Google Earth Engine开发倡导者Tyler Erickson解释,地球引擎(Earth Engine)所能做的就是摆脱单一下载和存储数据繁重工作(这对任何研究人员来说都会花费相当长的时间)。

Allen与来自Nebraska大学的Ayse Kilic以及来自沙漠研究所(Desert Research Institute)的Justin Huntington一道,在Google团队支持和指导下,牵头进行了基于Earth Engine的METRIC算法改进工作,创建地球引擎蒸散通量(Earth Engine Evapotranspiration Flux:缩写为EEFlux)计算方法。现在通过互联网接入都可以访问Landsat数据,选择一个位置,并在几秒钟内看到一个蒸散图。

利好之处

Erickson强调,我们非常高兴,他们正在开发一个应用程序,这个应用程序将覆盖更多用户网络,而不仅仅是面向他们自己的研究小组。

EEFlux早期用户包括加利福尼亚水资源部、加利福尼亚水控制委员会和世界银行,研究人员希望在完成程序测试后,进行使用范围进一步扩大。Allen指出,他们还在充实这个应用程序,这样就能填补卫星快照之间的空隙,并对整个生长季节中水资源总量消耗进行表达。这是可以用METRIC做的事,目前与Earth Engine的适配工作还在进行。

他表示,该项目对需要将水资源管理作为一个单元的用水群体来说最为有用,因为他们的工作正在对地下水开采造成影响。他们需要知道谁在抽水,是否可持续开展该工作?我们要怎么做才能使开采符合可持续补给?

水资源管理机构在制定提高灌溉效率计划或者进行农场主和城市间用水权分配评估工作时也需要数据。

Huntington表示,他们经常会提出这样的问题,到底节约了多少水?以及,新作物使用的水比过去消耗的多了还是少了。

基于METRIC和EEFlux应用程序,可以快速获得详细答案。Kilic指出,该算法还有助于进行早期干旱迹象预警工作。在此之前,用水监测小组基于植被指数进行植物健康状况观测,捕捉干旱迹象。她说,这并不能立即发现干旱问题。我们更倾向于使用蒸散(ET)干旱指数,这是基于卫星的,而且它确实能够立即获取干旱特征。

Allen解释,虽然某个地区看起来仍然呈现绿色,但是如果因为土壤干燥而感到压力,它的ET就会减少,产量就会降低。

他补充指出,除了水资源管理机构,我们希望个体农民可以使用这些技术。

Kilic说,他们已经在做精准农业,仔细选择灌溉农田的最佳方式,特别是那些供水有限的州。例如,这片农田的某一部分产量较低,原因是否缘于灌溉方式?他们可以从用水消耗量图中看出这一点。有了这些数据,他们就能立即发现问题。

她指出,目前,大型农场收集水资源信息主要途径是通过无人机拍照。无论是为农场提供信息的咨询公司,还是为农场主或农民自己提供信息,一个基于免费卫星数据的网络系统可以节省大量资金。

然而,如果没有NASA星基热红外卫星图像,这一切都不可能实现。Allen指出,这种情况差一点发生,因为在原计划中,Landsat 8没有配置热成像仪。

他指出,全美国水资源社区(特别是灌溉地区)极大受益于NASA Landsat 8热成像仪,这将为未来Landsat卫星配备热成像仪提供保障。

 

原文题目:

Satellite imagery sheds light on agricultural water use

资料来源:

https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/spinoff/Satellite_Imagery_Sheds_Light_on_Agricultural_Water_Use

 

(王化编译,殷永元审核)