成建國 ，陳德清 ，郭善昕

（1. 水利部水文局 ，北京 100053；2. 武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430079）

0 引言

遙感觀測技術(shù)的出現(xiàn)，為人類更好地管理和利用水資源，提供了一種全新的視角。衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)由于觀測范圍廣，周期性重訪等獨(dú)特優(yōu)勢，已經(jīng)引起包括水利、環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。利用遙感數(shù)據(jù)有效地提取水域信息，已經(jīng)成為當(dāng)前水利遙感技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

湖泊是自然界生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對湖泊的水域變化監(jiān)測是水利部門的工作重點(diǎn)之一。湖泊的傳統(tǒng)水文觀測方法，是通過地面站網(wǎng)監(jiān)測水文數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對湖泊特性的觀測，這種方法的缺點(diǎn)是，各個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分散性大，缺少對全局變化的整體性觀測；觀測周期長，需要耗費(fèi)巨大的人力、物力，對于大面積水域的動態(tài)監(jiān)測可謂力不從心。航天遙感技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一難題，對于同區(qū)域水域的觀測從過去的約 6 個(gè)月 1 次，提高到現(xiàn)在的 2 天 1 次。觀測能力的提升，為觀測水域變化提供了更好的平臺。隨著我國自主對地資源觀測衛(wèi)星環(huán)境系列衛(wèi)星的出現(xiàn)，現(xiàn)階段衛(wèi)星遙感已經(jīng)成為綜合對地觀測的重要組成部分，呈現(xiàn)出高空間、光譜、時(shí)間分辨率，和多平臺、傳感器、角度的發(fā)展趨勢[1]。

鄱陽湖是國際重要濕地，是長江干流重要的調(diào)蓄性湖泊，是我國十大生態(tài)功能保護(hù)區(qū)之一，也是世界自然基金會劃定的全球重要生態(tài)區(qū)之一，對維系區(qū)域和國家生態(tài)安全具有重要作用。

本文基于環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星在鄱陽湖流域的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地形及水文站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)對鄱陽湖湖區(qū)的水域面積進(jìn)行觀測，以得到鄱陽湖水域變化情況，同時(shí)結(jié)合地形數(shù)據(jù)，地面水位觀測數(shù)據(jù)，獲取鄱陽湖區(qū)域的水位-庫容-面積關(guān)系曲線，為防汛抗旱提供支撐。

1 遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)及處理

1.1 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座 A 和 B 星（HJ-1A /1B 星）于 2008 年 9 月 6 日發(fā)射，HJ-1A 星搭載了 CCD 相機(jī)和超光譜成像儀（HSI），HJ-1B 星搭載了 CCD 相機(jī)和紅外相機(jī)（IRS）。這 2 種衛(wèi)星上裝載的 CCD 相機(jī)設(shè)計(jì)原理完全相同，以星下點(diǎn)對稱放置，平分視場、并行觀測，聯(lián)合完成對地刈幅為700 km、地面像元分辨率為 30 m、4 個(gè)譜段的推掃成像。環(huán)境衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)光譜監(jiān)測范圍與 TM前 4 個(gè)波段的光譜范圍保持一致，因此環(huán)境衛(wèi)星影像適于水體提取指數(shù)的計(jì)算，光譜范圍具體如表1所示。

表1 環(huán)境衛(wèi)星CCD與TM前4波段光譜范圍對比μm

環(huán)境衛(wèi)星最大的缺點(diǎn)是，在同等空間分辨率下缺失了中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的影像，這對于水體提取的精度是非常不利的。因此在使用環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行水體監(jiān)測的過程中，如何去除其他地物對水體提取的干擾成為核心問題之一。由于中紅外傳感器的缺失，諸如改進(jìn)型水體指數(shù)等一系列利用到次波段的方法都無法應(yīng)用。因此面向環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星 CCD數(shù)據(jù)的水體提取算法，重點(diǎn)依靠的波譜特征就只有近紅外波段。這對算法上有效去除山體陰影、城區(qū)、云層陰影提出更高的要求。

1.2 監(jiān)測模型及數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)來源以中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心每日分發(fā)的 2級 CCD 產(chǎn)品數(shù)據(jù)為主。產(chǎn)品經(jīng)過系統(tǒng)幾何校正，每個(gè)像素點(diǎn)具有實(shí)際的地理空間坐標(biāo)。在計(jì)算水體提取指數(shù)前，必須進(jìn)行輻射定標(biāo)，采用以下 2 個(gè)步驟：

1）將接收到的 2 級產(chǎn)品的初始值（Digital Number，DN 值）轉(zhuǎn)換為輻亮度值。公式如下：

式中：Lλ為波長為 λ 進(jìn)入傳感器的輻亮度值；Lλmax是傳感器所探測的最大輻亮度值；Lλmin是傳感器所探測的最小輻亮度值；Q 為每個(gè)波段像素點(diǎn)的記錄值；Qmax是 Lλmax所對應(yīng)的最大記錄值；Qmin是 Lλmin所對應(yīng)的最小記錄值。

在環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星的元數(shù)據(jù)文件中，詳細(xì)記錄了傳感器每個(gè)波段的增益和偏移系數(shù)，計(jì)算如下：

式中：Gain和 Bias分別為傳感器的增益和偏移系數(shù)。

2）將輻亮度值轉(zhuǎn)換為大氣頂層的表觀反射率。計(jì)算方法如下：式中：ρλ是波長 λ 對應(yīng)的大氣頂層的表觀反射率； π為圓周率常量；d 為天文單位的日地距離；Eλ為外大氣層平均輻照度；θs為瞬時(shí)像元的太陽方位角，環(huán)境衛(wèi)星每幅 CCD 數(shù)據(jù)的太陽方位角在產(chǎn)品中已用 TXT格式給出。經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理，環(huán)境衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行后續(xù)的水體提取工作。

通過遙感影像有效地提取水體信息，是監(jiān)測水域的重要方式，關(guān)鍵是依據(jù)水體自身的光譜特征有效識別水體，將水體與其他地物進(jìn)行區(qū)分。目前國際上經(jīng)典的水體特征指數(shù)是由 Mcfeeters[3]提出的歸一化差異水體指數(shù)（NDWI），其機(jī)理為水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱，在近紅外和中紅外波長范圍內(nèi)吸收性最強(qiáng)，幾乎無反射，因此用可見光波段和近紅外波段的反差構(gòu)成的 NDWI 可以突出影像中的水體信息。另外由于植被在近紅外波段的反射率一般最強(qiáng)，因此采用綠光波段與近紅外波段的比值可以最大程度地抑制植被的信息，從而達(dá)到突出水體信息的目的[4]。但在很多情況下，用NDWI 提取的水體信息中仍然夾雜著許多非水體信息，不利于提取城市范圍內(nèi)的水體，云層和山體陰影，以及城區(qū)常會錯分為水體。該方法的閾值選擇是整個(gè)提取精度的關(guān)鍵，但由于每幅影像成像條件不同，不同水體閾值不同，如鄱陽湖區(qū)域最佳水體閾值大多在 0.1～0.3 之間。

2 環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)在鄱陽湖水域監(jiān)測中的應(yīng)用

在汛期，洪澇災(zāi)害發(fā)生前后可以利用光學(xué)遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，災(zāi)中以微波遙感災(zāi)害監(jiān)測產(chǎn)品為補(bǔ)充，對水域面積進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可準(zhǔn)確把握洪澇的發(fā)展現(xiàn)狀與當(dāng)前的受災(zāi)情況，為防汛工作的開展提供數(shù)據(jù)支撐；在非汛期，利過遙感監(jiān)測的水體提取算法精度與地面站網(wǎng)監(jiān)測得到的水位、容積、面積關(guān)系曲線進(jìn)行對比，通過實(shí)際檢測結(jié)果，進(jìn)一步提高關(guān)系曲線的精度。為汛期數(shù)據(jù)缺失條件下的湖庫面積進(jìn)行較為準(zhǔn)確的評估，進(jìn)一步對湖庫的蓄洪、抗洪、防洪能力進(jìn)行評估。

通過多源遙感數(shù)據(jù)的結(jié)合使用，充分結(jié)合光學(xué)和微波遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成一套針對洪澇監(jiān)測全過程的優(yōu)勢互補(bǔ)的監(jiān)測體系；同時(shí)注重與地面站網(wǎng)監(jiān)測得到的水位、降水信息的有效校驗(yàn)，在汛期形成對洪澇情況的評估，形成一套自動化動態(tài)監(jiān)測湖庫水域范圍的產(chǎn)品生產(chǎn)體系。其中與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的耦合校驗(yàn)主要依靠地方提供的經(jīng)驗(yàn)水位、庫容、面積曲線進(jìn)行調(diào)整。目前水位-庫容-面積曲線主要來源于大型水庫，但是相關(guān)湖泊由于觀測條件較為復(fù)雜，尚未形成有效的關(guān)系曲線。因此借助遙感觀測，可為無曲線湖泊建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線模型提供數(shù)據(jù)支持，有效推動對現(xiàn)有湖泊、水庫的監(jiān)測。

由于鄱陽湖水域隨季節(jié)的變更而變化，同時(shí)在鄱陽湖周邊存在很多小型湖泊，這部分湖泊并沒有和鄱陽湖區(qū)域有效聯(lián)通，因此不能作為鄱陽湖水域的范圍。采用鄱陽湖歷史上最大的水域范圍對數(shù)據(jù)有效地裁剪，可以去除這部分水域面積對計(jì)算精度的影響。本文采用的鄱陽湖最大范圍是鄱陽湖星子站 1998 年 8 月 2 日水位情況下的范圍，該水位是近十年的最高水位，水位達(dá) 22.52 m（吳淞基面），鄱陽湖湖區(qū)面積達(dá) 4384 km2，水體容積為 351 億 m3，為鄱陽湖區(qū)域水域歷史最大范圍。

鄱陽湖的水域面積監(jiān)測選擇環(huán)境衛(wèi)星 1A 和 1B的 CCD 傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求選擇 7 級以上數(shù)據(jù)，利用 NDWI 水體提取算法進(jìn)行自動化水體提取。整體算法流程如圖1 所示。通過對 1998 年 8月 2 日最大湖區(qū)面積矢量進(jìn)行緩沖，得到鄱陽湖區(qū)域監(jiān)測裁剪影像；對 2012 年 3—8 月的影像進(jìn)行裁剪，得到不同時(shí)相鄱陽湖庫區(qū)水域范圍產(chǎn)品。為統(tǒng)計(jì)水域面積，將環(huán)境衛(wèi)星原有的 UTM 投影方式轉(zhuǎn)換為等面積投影方式，由計(jì)算機(jī)自動計(jì)算水域面積。

在衛(wèi)星遙感監(jiān)測湖泊面積的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，和星子、康山、湖口、都昌 4 個(gè)水文站水位觀測數(shù)據(jù)，插值形成鄱陽湖區(qū)域水位圖，可表明鄱陽湖整個(gè)湖面的水力坡度。再結(jié)合湖泊面積和 DEM 數(shù)據(jù)，能夠計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)水位與 DEM 的差值。以 DEM 為標(biāo)準(zhǔn)參考基面，能夠得到參考的庫容變化。圖2 所示為鄱陽湖不同時(shí)期水位與DEM的差值，該差值可以近似地認(rèn)為是水深數(shù)據(jù)，不過與真正的水深相比，該數(shù)據(jù)受限于 DEM 數(shù)據(jù)本身。此數(shù)據(jù)可以用于在洪澇時(shí)期被淹作物損失評估的參考之一。

選擇環(huán)境衛(wèi)星 CCD 數(shù)據(jù)取成像質(zhì)量 7 級以上數(shù)據(jù)源，保證對鄱陽湖區(qū)域進(jìn)行自動面積監(jiān)測產(chǎn)品的精度，同時(shí)收集當(dāng)天衛(wèi)星過境地方時(shí)（上午 10 時(shí)）星子水位觀測數(shù)據(jù)，用于修正鄱陽湖區(qū)域水位-面積-庫容曲線，為進(jìn)一步估算鄱陽湖區(qū)域的水體容積奠定基礎(chǔ)。

圖1 鄱陽湖水域檢測流程

圖2 鄱陽湖不同時(shí)期水位與DEM的差值

水位-面積曲線是表示水庫或湖泊水位與其相應(yīng)水體面積關(guān)系的曲線。該曲線結(jié)合庫容-面積曲線，是水庫規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理調(diào)度的重要依據(jù)。表2 記錄自 2011 年 6 月至 2012 年 9 月鄱陽湖區(qū)域部分時(shí)相星子水位與同期水域面積。由于星子水文站位于鄱陽湖中部，因此可以認(rèn)為星子站水位代表了整個(gè)鄱陽湖的水位信息。

衛(wèi)星遙感觀測鄱陽湖水域面積與星子水文觀測站水位-面積曲線和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)水位-面積曲線的對比如圖3 所示。從圖3 可以看出，2 種曲線在整體上趨于一致，在水位從 10～15 m 上升階段，水域面積急速擴(kuò)張；15 m 之后由于部分區(qū)域觸及提防，水域面積增長變緩；在高水位區(qū)域往往伴隨有陰雨天氣，所以衛(wèi)星光學(xué)遙感無法獲取有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。同時(shí)還可看出衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測湖庫水域面積結(jié)果與長期水文觀測站點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推ヅ潢P(guān)系良好。

表2 不同時(shí)相鄱陽湖水域面積與當(dāng)日主要水文觀測站地方時(shí)（上午10時(shí)）水位

圖3 鄱陽湖湖區(qū)面積與星子站水位關(guān)系圖

由數(shù)字高程模型，康山、湖口、星子和都昌水位數(shù)據(jù)，以及衛(wèi)星水域觀測面積數(shù)據(jù)，估算出當(dāng)前庫容與 DEM 形成時(shí)刻（DEM 采用航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命 SRTM，2001 年 11 月觀測數(shù)據(jù)）的庫容差。以 DEM 時(shí)期的庫容差為基準(zhǔn)，可以計(jì)算出鄱陽湖多個(gè)時(shí)期的庫容變化。若部分湖泊具有水下地形數(shù)據(jù)，可更為精確地得到當(dāng)前的湖泊庫容。星子站水位與庫容差值的關(guān)系曲線如圖4 所示。利用遙感技術(shù)對庫容曲線的率定，對于在汛期評估鄱陽湖的行洪、分洪能力具有重要意義。

圖4 星子站水位與庫容差值的關(guān)系曲線（以2001年11月SRTM90mDEM為基準(zhǔn)）

3 結(jié)語

衛(wèi)星遙感技術(shù)為全國地表水域監(jiān)測提供了高精度、快速重訪的監(jiān)測能力。本文以國產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對鄱陽湖區(qū)域不同時(shí)相的影像進(jìn)行跟蹤觀測。通過檢驗(yàn)，衛(wèi)星遙感水域觀測結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)觀測方法有很高一致性，能夠和原有的水位-面積-庫容曲線很好地結(jié)合，可以看出衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠快速獲取某個(gè)湖泊或水域的關(guān)系曲線，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測方法監(jiān)測周期長，數(shù)據(jù)精度不高，以點(diǎn)帶面所帶來的片面觀測等不足。該方法在準(zhǔn)確把握水域動態(tài)變化的同時(shí)，提供水域面積動態(tài)變化的空間信息，為準(zhǔn)確把握湖區(qū)、庫區(qū)、河道的空間動態(tài)性提供基礎(chǔ)。

[1]周成虎，駱劍承. 高分辨率衛(wèi)星遙感影像地學(xué)計(jì)算[M].北京：科學(xué)出版社，2008: 35-37.

[2]中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心（CRESDA). HJ-A、B衛(wèi)星介紹[EB/OL]. [2012-10-15].http://www.cresda.com/n16/n1130/n1582/8384.html.

[3]McFEETERS, S.K., The use of the Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water features[J]. International Journal Of Remote Sensing, 1996 (17):1425-1432.

[4]徐涵秋. 利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）提取水體信息的研究[J]. 遙感學(xué)報(bào)，2005, 9 (5): 589-595.