East Oweinat农场高光谱地物分类和作物健康监测

埃及西部沙漠干燥，但东部撒哈拉沙漠部分更为极端，年降雨量仅几厘米，被称“超干旱”。但在上个冰河时代，撒哈拉沙漠是一片热带草原，气候类似于今天的肯尼亚和坦桑尼亚。年降雨量比现在大得多，有许多河流和湖泊，几十万年的降雨也使得在流沙下面隐藏了巨大的地下蓄水层，被称为努比亚砂岩含水层系统（NSAS）。

利用这些地下水可以在沙漠的心脏地带开展农业，随着East Oweinat工程的开展，该地区建立起了一个大型中枢灌溉项目。

项目概览

该工程于1997年开工，与图什卡工程、达尔卜•艾尔巴因（Darb El Arbein）工程、和平渠（El Salam Canal）工程、新村计划同为埃及超级工程。虽然上述工程大多夭折，但该项目依然在正常运行。目前该项目范围覆盖了近5,000平方公里。主要种植作物为土豆、小麦和药用芳香植物，如洋甘菊，还有部分玻璃温室。

这个位于撒哈拉沙漠的项目离最近的城市约290公里，距离托什卡湖约210公里。位于图什卡以西的东阿维纳特（East Oweinat）。该项目的灌溉水源全部来自努比亚砂岩含水层系统的深层地下水。同时该地区被认为是世界上最大的平坦区域，高程几乎没有变化，区域直径约350公里。由于位于沙漠深处，因此农产品和农资的运输均依靠位于项目东部的机场进行。

努比亚砂岩含水层系统（NSAS）是世界上最大的化石地下水资源之一。在乍得北部，特别是在提贝斯提和恩内迪山脉地区，季节性降水量高达 150 毫米/年。这种降水可能会导致分散补给，以及沿着间歇性洪水河谷的集中补给。最新的研究表明，在乍得北部确实发生了现代补给，但在空间和时间上的程度都非常有限。这意味着只有通过严格的定量评估才能实现这种可再生资源的可持续管理。

△  图1 国际空间站在年拍摄的EastOweinat地区全景图 （2018）

△  图2   Landsat卫星在拍摄的阿联酋EastOweinatFarm项目（2017）

△  图3   Landsat卫星在拍摄的阿联酋EastOweinatFarm项目细节（2017）

 图1和图2展示了EastOweinatFarm的位置和项目范围。中枢灌溉地块星罗密布地分布在沙漠深处，在卫星影像中有很高的辨识度。

图3每个灌溉单元的直径都在850米左右，面积约850亩。图3展现了该中枢灌溉农场的细节，其中部分地块混种了土豆和小麦（或其他作物）。部分浅棕色的地块可能经过了控制燃烧，以清理秸秆为下一季度种植做准备，这在后续的地物分类和作物健康度分布图中也有所体现。

△  图4   使用WSCM技术构建的土壤/地下水承载力地图

地下水资源评估

 使用2007—2008年采集的地下水深度、总固体可溶物、井安全产量、钠吸附比、土壤盐分、土壤深度、土壤可交换钠百分比和阳离子交换能力等水文地质和土壤承载力数据，并将这些属性整合到一个多层地理信息系统（GIS）中。使用这些层进行加权空间能力建模（WSCM）技术，以确定土壤/地下水能力区域。

如图所示，在项目区，高和中等土壤/地下水能力区占总面积的89.18%，而低能力类别仅限于总面积的10.81%。而中枢灌溉农田主要分布在本研究区的高和中等能力类别区域中，同时指示了灌溉农业适合在这个重要的发展区域进一步扩展，但由于努比亚砂岩含水层系统（NSAS）的水源补给目前极为有限，仍应视为不可再生资源，East Oweinat地区是否能够承载更大规模的中枢灌溉农业系统还是未知数，后续可以通过气象参数如蒸发量等结合LAI、NDVI等植被指数对生物量进行反演，以进一步评估该农业系统的需水量以及稳定性。

△  图5   基于高光谱遥感的EastOweinatFarm地块类型分布地图（2024）

△  图6   基于高光谱遥感的EastOweinatFarm地块作物健康度分布地图（2024）

中科西光航天-地块类型和健康度监测

我们使用XIGUANG-002星在2024年3月24日获取的高光谱影像，对EastOweinatFarm部分区域进行了地物分类和作物健康度评估。

如图5所示，拍摄时主要的地块类型有3种，具体有：正在进行种植的高植被覆盖地块、深色土壤覆盖的地块，以及浅色土壤/沙覆盖的地块。该分布图基本展示了该地区主要种植作物的类型和在不同区域的轮作情况。同时我们注意到中部和北部地区有部分地块似乎被沙子覆盖，呈现与沙漠类似的光谱特征，目前尚不清楚是暂时休耕还是永久弃用。

图6展示了该区域的植被健康度分布，该指数由多种植被指数组成，能够从叶绿素、冠层结构、水分状况综合反映作物的健康度。注意到部分呈现深色的地块没有对应的健康度指数，说明该地块全部或部分被深色土壤覆盖。而正常生产的地块大部分健康度较高，说明该中枢灌溉项目目前运行情况较好，有较好的产量预期。

△  图7   基于高光谱遥感的EastOweinatFarm典型地块类型光谱曲线对比图（2024）

 上图的光谱曲线展示了不同地物类型的光谱差异，主要用于区分深色土壤覆盖和植被覆盖区域，可以看到存在植被的区域在700-760nm范围内有明显的红边效应。根据红边出现的位置以及红边斜率等参数，可以计算红边植被指数并以此来判断作物的覆盖率和健康程度，进行更加细致的分类。