一种利用Sentinel-2和GEE技术在中国西北部绘制农业水库分布的集成框架

《Journal of Hydrology》：An integrated framework for mapping agricultural water impoundments using Sentinel ?2 and GEE in Northwest China

农业水洼监测框架与Hexi走廊实证研究首次实现10米分辨率多年度监测，准确识别2037处人工水体（2022年新建占比26.5%），提出融合时间序列分析和形态学特征的三阶段监测模型，揭示三种河流-水库-AWIs分布模式，为干旱区水资源管理提供新方法。

　　

陈昊冲|张玉祥|于海超|李思恩

中国北京农业水资源高效利用国家重点实验室

摘要

农业蓄水设施对于干旱地区的农业生产至关重要，但由于其规模较小，传统遥感技术难以实现大规模监测。本研究提出了一种针对干旱地区农业蓄水设施（AWIs）年度监测的定制化地图绘制框架。在传统方法因无法覆盖这些设施的实地规模而失效的情况下，该方法通过结合年际水分持续性分析与基于向量的形态学特征，并运用集成学习架构，克服了传统遥感方法的局限性，能够准确区分农业蓄水设施与天然水体（总体准确率为0.89），从而实现了首次在河西走廊进行的高分辨率（10米）多年度库存监测（2018–2023年）。2023年，我们共识别出2,037个蓄水设施，其面积范围从1000平方米到10,000平方米不等。其中26.5%的蓄水设施建于2022年，该年度新建的蓄水设施中有63.5%属于此类。此外，通过上下游分析，首次明确了河西走廊三种不同的河流-水库-蓄水设施分布模式。与井相比，靠近河流的蓄水设施更适合作为河流水源的直接灌溉点。本研究为干旱地区农业水资源基础设施的监测提供了新的视角，为可持续水资源管理提供了重要见解。

引言

为增强农业对干旱的抵御能力，确保灌溉用水的稳定供应（Smith和Edwards，2021年）以及提高灌溉区的水资源承载能力（Lankford等人，2023年）至关重要。然而，由于人类活动的加剧和气候变化，干旱的频率和强度持续增加（Smith和Edwards，2021年）。多项研究表明，以土壤水分迅速流失为特征的突发性干旱对干旱地区的农业生产构成了日益严重的威胁（Chen等人，2024年；Yuan等人，2023年）。为了减轻干旱带来的潜在风险，加强灌溉基础设施并建立有效的灌溉响应机制显得十分紧迫（Lu等人，2022年）。这一举措将决定干旱地区农业生产的未来可行性。

在灌溉系统中，农业蓄水设施（AWIs）作为分布式微观水资源基础设施，在干旱和半干旱地区的农业灌溉、水资源分配和生态保护中发挥着重要作用（Donchyts等人，2022年；Liebe等人，2009年；Rodrigues等人，2023年）。这些蓄水设施的规模通常只有几百平方米，储水能力有限，但它们靠近农业用地，因此为农民提供了独特优势。这种邻近性使得水资源管理更加灵活，实现了“就地取水”和按需用水。此外，它们能够有效缓解突发性干旱等突发性水资源短缺（Liu等人，2024年）。与水库结合使用时，蓄水设施构成了分层的水资源分配网络。在该网络中，水库被确定为年度水资源战略管理的关键基础设施，能够调节河流径流（Meira Neto等人，2024年）。而蓄水设施则有助于实时调度灌溉，从而优化农业水资源利用。研究表明，配备蓄水设施的农业区作物产量可提高五倍（Ribeiro Neto等人，2024年），并可满足高达60%的年度农场用水需求（Di Francesco等人，2022年）。然而，研究也指出，蓄水设施可能会使下游水库的干旱持续时间延长30%。尽管如此，它们对当地农业的益处明显超过了其对流域水资源可用性的影响，这凸显了制定协调地方利益与流域利益的政策的必要性（Ribeiro Neto等人，2022年）。因此，有效监测蓄水设施对于改善干旱地区的水资源管理至关重要。

分辨率的提升使得卫星遥感成为监测农业基础设施的强大工具，从而更深入地理解农业景观的模式和布局（Yu等人，2024a）。以往的研究利用MODIS和Landsat等传感器，在全球和国家层面产生了大量地表水数据集，例如JRC GSW1_2（全球地表水）（Pekel等人，2016年）、GSWED（全球8天/250米地表水范围动态）（Han和Niu，2020年）以及GWP（Global WaterPack）（Klein等人，2024年）。然而，MODIS的空间分辨率（250–500米）不足以检测到众多蓄水设施。相比之下，Landsat虽然分辨率较高（30米），但其16天的重访周期无法捕捉蓄水设施的水位快速变化。研究强调了Sentinel卫星系列在监测小型水体方面的关键作用（Ogilvie等人，2018年；Wang等人，2025年）。尽管这些数据来源可靠，但仍缺乏有效的监测框架来区分蓄水设施与其他小型水体（Casadei等人，2019年）。

大多数传统的水体检测方法仅专注于水像素的分析（Dong等人，2022年）。Yang等人（2024年）结合了Sentinel-1和SAR数据来监测山区的小型水体，但未能区分用于农业灌溉的水体。Arvor等人（2018年）采用了一种创新的时间序列方法来识别小型水库，但他们侧重于整体水面范围而非功能分类。Wright等人（2025年）利用深度学习技术成功检测到了小型水体，但他们的研究仅依赖于卫星图像与现有矢量数据之间的栅格级比较，而非直接从卫星观测中确定蓄水设施的精确位置。总之，基于像素的水体检测方法在绘制连续水面方面效果显著，但在监测分布式蓄水设施时存在根本性局限（Thakare等人，2019年；Wang等人，2021年；Weng等人，2025年）。仅分析光谱特征不足以区分灌溉蓄水设施与天然水体。此外，像素级分析阻碍了对水文系统空间和功能特征的解释。

河西走廊位于中国西北部，在粮食生产中发挥着重要作用，约占全国总产量的17%。作为中国最重要的种子生产区，该地区供应了50%的玉米种子和75%的出口蔬菜及花卉种子（Chen等人，2023年）。然而，河西走廊面临严重的水资源短缺问题，因此自2018年起开始建设大规模开放式蓄水设施。显然，监测这些蓄水设施对于确保未来灌溉需求的有效管理至关重要。本研究的目标是：（1）利用Sentinel-2数据建立一个专门针对小型人工水体（如蓄水设施）的监测框架，包括水提取、时间序列分析和机器学习分类；（2）对河西走廊的蓄水设施进行全面调查，生成2018年至2023年的详细数据集；（3）基于生成的数据集，结合井的位置，全面分析这些蓄水设施的建设和分布情况，并评估河西走廊的田间灌溉系统发展。

研究区域

河西走廊位于中国甘肃省的西北部，范围从北纬37°17′至40°48′，东经93°23′至104°28′（见图1），总面积为276,000平方公里。该地区属于温带大陆性气候，年平均降水量约为150毫米，某些地区（如嘉峪关）甚至低至60毫米。年平均潜在蒸发量达到1070毫米，因此被归类为干旱至半干旱地区。

方法

河西走廊蓄水设施的提取分为三个步骤：首先，通过结合多种植被指数绘制该地区的最大年水面范围；其次，对提取的水体进行一系列图像处理操作并将其转换为矢量格式，以获得年度矢量化的水分布；最后，构建了2018–2024年的多年度矢量水数据库，并应用基于规则的标准进行筛选和识别。

水体映射

如图5所示，河西走廊的年地表水范围存在显著的年际变化。2018年提取的水体面积最小（25.74平方公里），这与该年度可用卫星图像数量最少相符；而2022年达到最大值（302.59平方公里）。其他年份的水体面积相对稳定，分别为297.97平方公里（2019年）、267.11平方公里（2020年）、267.39平方公里（2021年）、254.21平方公里（2023年）和281.10平方公里（2024年）。

农业水文监测

传统的农业水资源监测研究主要关注在中等分辨率遥感图像（如Landsat、MODIS）中清晰可见的大型水库和主要渠道系统。然而，在干旱和半干旱地区，往往是分散的小型水设施（如蓄水设施）网络对田间灌溉和家庭用水效率有着重要贡献。

结论

本研究提出了一种综合框架，利用Sentinel-2图像和Google Earth Engine（GEE）准确检测和监测河西走廊的小型农业蓄水设施（AWIs）。该方法结合了多指标水体提取和时间序列分析来识别持续存在的人工水体，并采用基于形态学的集成学习分类器进行精确区分。

未引用的参考文献

Wang等人，2022a；Wang等人，2022b；Yang等人，2017年；Yang等人，2017年；Yu等人，2023a。

CRediT作者贡献声明

陈昊冲：撰写初稿、可视化处理、软件开发、资源获取、方法论设计、数据分析、概念构建。张玉祥：可视化处理、监督工作。于海超：监督工作。李思恩：项目管理和资金筹措。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52379052）和中国国家重点研发计划（2022YFD1900801）的资助。