基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)的洞庭湖蓄水量估算＊

蔡 青，黃 璐，梁 婕，李曉東，龍 勇，肖 義，劉卡波，謝更新，曾光明?

（1.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082； 2.環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南 長(zhǎng)沙 410082； 3.湖南省水利廳，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 4.湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

洞庭湖是長(zhǎng)江中下游重要的調(diào)蓄型湖泊，對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)調(diào)蓄洪水、維持水沙平衡等具有重要作用，同時(shí)也最容易受長(zhǎng)江水勢(shì)的影響.近年來(lái)長(zhǎng)江中游一系列工程措施，如調(diào)弦口堵口、荊江截彎、葛洲壩樞紐工程等，在改變長(zhǎng)江水文特征的同時(shí)，不可避免地對(duì)洞庭湖造成一定影響.研究長(zhǎng)江中下游河段水利設(shè)施對(duì)洞庭湖的影響具有理論和現(xiàn)實(shí)意義.目前，在洞庭湖水面水量研究方面，李景剛等研究了MODIS數(shù)據(jù)在洞庭湖水面面積變化中的應(yīng)用［1－2］，龜山哲等利用水位和湖區(qū)數(shù)字高程模型分析了洞庭湖水量年內(nèi)變化［3］.由于三峽工程投入運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，三峽工程對(duì)洞庭湖水文情勢(shì)的影響研究尤其是涉及洞庭湖蓄水量變化的研究還少見報(bào)導(dǎo).同時(shí)目前對(duì)湖泊水量的研究中多數(shù)忽略了水位梯度，使用某個(gè)水文站測(cè)得的水位數(shù)據(jù)代替大面積湖區(qū)的水位，并以此估算蓄水量；對(duì)洞庭湖這類大型過水型湖泊來(lái)說忽略水位梯度往往會(huì)給水量測(cè)算帶來(lái)較大的計(jì)算誤差.本文以洞庭湖為研究對(duì)象，在考慮洞庭湖水位梯度的前提下，利用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)以及湖底高程數(shù)據(jù)，研究洞庭湖水位－水域面積－水量三者之間的相互關(guān)系和變化趨勢(shì)，旨在分析洞庭湖對(duì)三峽工程運(yùn)行初期的水文響應(yīng)，為長(zhǎng)江中游后三峽時(shí)代水文調(diào)度提供依據(jù).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

以洞庭湖為研究對(duì)象.湖區(qū)位于荊江南岸，跨湘、鄂兩省，介于北緯28°30′～30°20′，東經(jīng)110°40′～113°10′之間.豐水期湖面海拔平均33.5m，其中西洞庭35～36m，南洞庭34～35m，東洞庭33～34 m，平均水深6～7m，最深處30.8m；主要入湖河流有湘江、資江、沅江、澧水、長(zhǎng)江三口、汨羅江、藕池東支、華容河等.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1）水位數(shù)據(jù)：研究收集了洞庭湖及周邊各水文站和水位站的水位數(shù)據(jù)，包括城陵磯、岳陽(yáng)、鹿角、營(yíng)田、楊柳潭、沅江、小河咀、南咀、石龜山、安鄉(xiāng)、北景港11個(gè)水文／水位站點(diǎn)（圖1）.三峽工程在2003年開始蓄水，因此本文選擇蓄水前后3年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析.

圖1 研究區(qū)域概況圖Fig.1 Sketch map of study area

2）SRTM數(shù)字高程數(shù)據(jù)：來(lái)源于美國(guó)對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)（Global Land Cover Facility，GLCF）的3弧秒（約90m）分辨率的全球高程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2000年2月中旬，此時(shí)洞庭湖正處在枯水期，城陵磯水位20m左右，湖底高程數(shù)據(jù)質(zhì)量較高.利用ArcGIS的空間分析（重采樣、重投影、地理配準(zhǔn)等）功能，將洞庭湖湖底高程數(shù)據(jù)空間分辨率和空間投影方式處理成與Terra／MODIS MOD13Q1數(shù)據(jù)保持一致.

3）遙感影像數(shù)據(jù)：使用 MODIS影像數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)洞庭湖水面動(dòng)態(tài)提取.數(shù)據(jù)從美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）旗下的 WIST 網(wǎng)站（https：／／wist.echo.nasa.gov／api）申請(qǐng).MODIS數(shù)據(jù)集包含多個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，本文研究中選用TERRA衛(wèi)星的植被指數(shù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品集（MOD13Q1），該數(shù)據(jù)集空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率16d（為了保證植被指數(shù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)集對(duì)16d影像進(jìn)行了最大值合成）.數(shù)據(jù)集包含歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)（NDVI）、增強(qiáng)植被指數(shù)數(shù)據(jù)（EVI）、4個(gè)波段的反射率值和一系列質(zhì)量描述文件等.

2 材料與方法

2.1 MODIS影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

MOD13Q1數(shù)據(jù)產(chǎn)品已經(jīng)采用最大值合成算法（MVC）進(jìn)行了預(yù)處理，合成過程中優(yōu)先選擇近星下點(diǎn)無(wú)云的像元，盡可能減小云、陰影、大氣中氣溶膠的影響，并應(yīng)用二向反射率（BRDF）模型對(duì)觀測(cè)角度進(jìn)行了訂正.因此數(shù)據(jù)集已經(jīng)在一定程度上去除了云層等的影響和干擾，但是對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)集仍存在一定程度的噪聲影響.在本文的研究中，為了增加洞庭湖水面提取的精度，使用TIMESAT軟件包對(duì)MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理［4－5］，采用S－G濾波去除 NDVI等時(shí)間序列數(shù)據(jù)中突變的部分［6－7］，影像處理效果見圖2，由圖可知，該方法處理效果較好，能有效地去除MODIS時(shí)間序列的噪聲.

圖2 歸一化植被指數(shù)去噪效果Fig.2 De－noise of NDVI timeseries

2.2 水面提取

參照李景剛等人的研究，利用MODIS影像數(shù)據(jù)提取水域，采取對(duì)MODIS13Q1數(shù)據(jù)的NDVI指數(shù)和NIR波段（近紅外波段反射率）分別設(shè)定閾值的方法提取水面［1－2］.在研究中NDVI指數(shù)與NIR波段閾值均設(shè)定為1 000，即認(rèn)為NDVI和NIR波段值小于1 000的均為水面（MODIS數(shù)據(jù)集將NDVI和NIR數(shù)據(jù)分別乘以10 000，轉(zhuǎn)換成16位整數(shù)形式保存，以節(jié)省存儲(chǔ)空間）.研究發(fā)現(xiàn)該方法對(duì)洞庭湖水面提取結(jié)果較好，能滿足本文研究的需要.

2.3 蓄水量估算

圖3 MODIS數(shù)據(jù)不同規(guī)則的洞庭湖水面提取Fig.3 Comparison of the extracted water area results from NDVI and NIR

利用DEM數(shù)據(jù)、水位和提取的水域面積計(jì)算洞庭湖蓄水量（圖3）.計(jì)算過程如下：①利用 MODIS數(shù)據(jù)提取洞庭湖水面范圍；②對(duì)提取出來(lái)的水面上每一個(gè)像素點(diǎn)，計(jì)算其水位與DEM高程之間的差值，得出該像素點(diǎn)的水柱高度；③水柱高度與像素面積相乘，得出該像素點(diǎn)水柱的體積；④將洞庭湖水面上所有像素點(diǎn)水柱體積積分，即得出洞庭湖該時(shí)間點(diǎn)的蓄水量.由于洞庭湖不同區(qū)域同一時(shí)刻水位差別較大，因此不能使用一個(gè)水位值進(jìn)行計(jì)算.本文使用洞庭湖區(qū)域10個(gè)水文站（暫無(wú)沅江水文站2004—2006年數(shù)據(jù)）的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到洞庭湖水位分布.根據(jù)MODIS影像數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間，選擇與影像同期的水位數(shù)據(jù)；利用ArcGIS的空間分析功能，對(duì)10個(gè)水文站的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行反距離空間插值（Inverse Distance Weighting，IDW），得到洞庭湖水位的空間分布（圖4）.

圖4 湖底DEM與水位插值分布圖Fig.4 DEM and inverse distance weighting interpolation for water level of Dongting Lake

考慮到洞庭湖湖底高程數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2000年2月，此時(shí)洞庭湖仍有一定的蓄水量，獲取的高程數(shù)據(jù)并非真正的湖底高程（此時(shí)水面被作為湖底），因此最后蓄水量數(shù)據(jù)需要加上DEM數(shù)據(jù)采集時(shí)洞庭湖的蓄水量.參照相關(guān)文獻(xiàn)，確定洞庭湖該時(shí)段蓄水量為11.05×108m3［3，8］.

3 結(jié)果與分析

3.1 水面面積與蓄水量計(jì)算結(jié)果

圖5 水位－面積，水位－蓄水量，面積－蓄水量關(guān)系曲線Fig.5 The water level－area，water level－volume，water area－volume rating curve of Dongting Lake

根據(jù)2.3小節(jié)的方法，計(jì)算洞庭湖流域水面面積和蓄水量，繪制洞庭湖水位－水面面積－蓄水量變化曲線圖（圖5，蓄水量單位為108m3，下同）.由圖可知，洞庭湖水位（城陵磯）－面積－蓄水量三者之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系.根據(jù)相關(guān)分析的結(jié)果，水位－面積，水位－蓄水量，面積－蓄水量三對(duì)變量之間相關(guān)系數(shù)分別為0.760，0.919和0.868，且均通過了α＝0.01的顯著性檢驗(yàn).洞庭湖2000—2006年7年之間水面面積變化范圍是［241.76，2004.80］，蓄水量變化范圍是［11.13，156.37］.MODIS13Q1數(shù)據(jù)集在時(shí)間上存在16d間隔，本研究水面面積和蓄水量均與MODIS數(shù)據(jù)在時(shí)間上保持同步，即按照16 d間隔計(jì)算.由于洪水季節(jié)的極端高水位和枯水季節(jié)極端低水位持續(xù)時(shí)間一般不長(zhǎng)，因此本文的計(jì)算結(jié)果并不代表洞庭湖水面和蓄水量的最大值與最小值，而是反應(yīng)洞庭湖水面與蓄水量在全年的變化趨勢(shì).

對(duì)比分析各年度水位變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)（圖6），洞庭湖2000—2003年，洞庭湖汛期（6月—9月）水量與其他時(shí)段（10月—明年5月）水量占全年水量變化沒有明顯規(guī)律，2003年以后，汛期累積水量逐漸減少，2004—2006年分別為65.08%，60.09%和48.29%.尤其是2006年，汛期累積水量首次低于全年累積水量的一半.三峽工程對(duì)洞庭湖洪水調(diào)蓄功能初顯.

圖6 洞庭湖水量年內(nèi)分配變化Fig.6 Annual distribution of water volume

根據(jù)李景保等人的研究，2006年度為長(zhǎng)江流域枯水年.洞庭湖2006年入湖流量與往年相比（表1），長(zhǎng)江三口入湖流量減少最多，從2005年的643億m3驟降至183億m3，洞庭湖流域內(nèi)小支流也有一定減少，四水入湖流量則有小幅增加.但從長(zhǎng)時(shí)間累積比例上看，近30年四水為洞庭湖入湖水量的主要來(lái)源，占總?cè)牒康?3%左右，而三口入湖流量只占洞庭湖入湖總流量的25%左右.據(jù)此，研究認(rèn)為流域秋季降水量減少是洞庭湖出現(xiàn)退水過早的主要原因，同時(shí)三峽工程在此時(shí)段蓄水，下泄流量減少加重了湖區(qū)夏秋連旱的影響.

3.2 水位－面積，水位－蓄水量，面積－蓄水量擬合

由于三峽工程2003年開始蓄水，將研究數(shù)據(jù)分成2000—2002年、2004—2006年兩部分，分別進(jìn)行擬合.根據(jù)擬合效果的對(duì)比，綜合考慮擬合曲線的意義，對(duì)水位－面積關(guān)系和面積－蓄水量關(guān)系，實(shí)行2次曲線擬合，對(duì)水位－蓄水量關(guān)系，實(shí)行3次曲線擬合.擬合曲線和擬合參數(shù)分別見圖7和表2.

表1 洞庭湖均徑流量變化Tab.1 Variations of annual runoff amount in Dongting Lake

根據(jù)擬合結(jié)果，2次曲線能較好地描述洞庭湖水位－水面面積以及水面面積－水量的相關(guān)關(guān)系.3次曲線能較好地描述洞庭湖水位－水量相關(guān)關(guān)系.其中兩階段水位－水量擬合曲線的擬合程度最高，決定系數(shù)分別達(dá)到了0.915和0.928.兩階段擬合方程見式（1）、式（2）.利用該擬合方程式，可以使用洞庭湖城陵磯水文站水位推算洞庭湖蓄水量：

對(duì)比三峽工程截流前后3年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，洞庭湖在三峽工程截流前水位、面積、水量的最大值均有所降低，與此同時(shí)，其最小值也出現(xiàn)了一定程度的減小.說明一方面三峽工程的蓄水調(diào)度，對(duì)洞庭湖防汛工作有一定的利好；與此同時(shí)，由于夏末秋初季節(jié)三峽水庫(kù)蓄水，加上三峽截流后庫(kù)區(qū)清水下泄，荊江江段河道沖刷下切，導(dǎo)致三口來(lái)水減少，造成洞庭湖湖面萎縮，水位降低，在一定程度上加深了區(qū)域秋旱對(duì)洞庭湖的影響，對(duì)區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)不利.同時(shí)由于四水與洞庭湖在水文上的聯(lián)系，洞庭湖水位降低造成四水下泄速度加快，水位降低，對(duì)四水沿岸城市尤其是長(zhǎng)株潭城市群供水系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和湘江水質(zhì)、航運(yùn)安全帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn).

圖7 水位－面積，水位－蓄水量，面積－蓄水量擬合曲線Fig.7 The water level－area，water level－volume，water area－volume fitting curve of Dongting Lake

表2 水位－面積，水位－蓄水量，面積－蓄水量擬合參數(shù)Tab.2 The fitting parameters of water level－area，water level－volume，water area－volume

4 結(jié) 論

利用MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合洞庭湖流域水文站水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和洞庭湖湖底DEM數(shù)據(jù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)洞庭湖蓄水量的估算.計(jì)算結(jié)果顯示洞庭湖2000—2006年7年間水面面積變化范圍為［241.76，2004.80］（km2），蓄水量變化范圍為：［11.13，156.37］（108m3）.

洞庭湖蓄水量與城陵磯水位呈現(xiàn)明顯的3次曲線關(guān)系，擬合效果良好，擬合方程決定系數(shù)達(dá)到了0.915和0.928.

對(duì)比三峽工程截流前后3年洞庭湖水文數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)截流后三峽工程調(diào)蓄功能初顯，連續(xù)3年洞庭湖汛期累積水量占全年水量比重減小；但同時(shí)洞庭湖夏末秋初出現(xiàn)退水時(shí)間較截流前提前的現(xiàn)象.夏末秋初季節(jié)三峽水庫(kù)蓄水，在一定程度上加深了洞庭湖2006年夏秋連旱的影響.

MODIS對(duì)地觀測(cè)系列衛(wèi)星提供了長(zhǎng)時(shí)間序列空間影像，結(jié)合水文站的地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，使得對(duì)洞庭湖等大型湖泊的水域面積、需水量的連續(xù)觀測(cè)分析成為可能.同時(shí)MODIS數(shù)據(jù)對(duì)植被覆蓋等生態(tài)因素也具備一定的辨識(shí)能力，這為三峽工程對(duì)洞庭湖以及整個(gè)長(zhǎng)江中下游水文、生態(tài)效應(yīng)等方面的研究提供了新的手段與方法.

［1］李景剛，李紀(jì)人，黃詩(shī)峰，等.Terra／MODIS時(shí)間序列數(shù)據(jù)在湖泊水域面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究——以洞庭湖地區(qū)為例［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（5）：923－934.LI Jing－gang，LI Ji－ren，HUANG Shi－feng，et al.Application of terra／MODIS time series data in dynamic monitoring of lake water area variations－a case study in Dongting lake region，China［J］.Journal of Natural Resources，2009，24（5）：923－934.（In Chinese）

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