太浦河水面和岸線利用遙感監(jiān)測分析研究

蔡 輝，金照青

（太湖流域管理局蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011）

太浦河水面和岸線利用遙感監(jiān)測分析研究

蔡 輝，金照青

（太湖流域管理局蘇州管理局，江蘇 蘇州 215011）

以太浦河為研究對象，利用 2014 年國產(chǎn)高分一號衛(wèi)星 2 m 全色/8 m 多光譜影像，結(jié)合地理信息技術(shù)（GIS）技術(shù)，對太浦河流域面積和長度及離岸 200 m 區(qū)域內(nèi)土地資源利用現(xiàn)狀進(jìn)行遙感監(jiān)測，得到太浦河總流域面積、長度，分析得出流域內(nèi)城鎮(zhèn)村及工礦用地面積較大，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)多元化，且分布較均衡。研究結(jié)果表明，遙感監(jiān)測能準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測河道及兩岸的土地開發(fā)利用情況及空間分布狀況，是進(jìn)行大范圍、周期性水面和岸線利用監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源，具有很大的應(yīng)用潛力。

太浦河；水面；岸線利用；遙感監(jiān)測

0 引言

太浦河西起東太湖邊上的吳江市七都鎮(zhèn)，東至上海市南大港接西泖河入黃浦江，跨江蘇、浙江、上海 3 ?。ㄊ校Ｌ趾娱_通后成為太湖洪水的骨干排洪河道，也是太湖向下游供水的骨干河道，還是重要的航運(yùn)通道。太浦河工程按 1954 年型洪水設(shè)計(jì)，汛期 5—7 月需承泄太湖洪水 22.5 億m3，占太湖外排水量的 49%，同時承泄杭嘉湖北排澇水 1.6 億m3；遇流域特枯年份，7—9 月可向黃浦江供水 18.5 億m3，將顯著改善黃浦江和上海取水口水源地水質(zhì)。太浦河工程不僅是太湖流域綜合治理的重要組成部分，在承擔(dān)太湖流域防洪排澇的同時還擔(dān)負(fù)“引江濟(jì)太”的重要任務(wù)，也是流域內(nèi)水資源調(diào)度的重要河道。隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，太浦河工程社會和經(jīng)濟(jì)效益日益顯著。因此，全面查清太浦河流域面積、河流長度，了解太浦河水面和離岸 200 m 區(qū)域內(nèi)土地資源利用現(xiàn)狀，對河湖岸線管理和開發(fā)利用規(guī)劃具有十分重要的意義。

遙感技術(shù)具有宏觀、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，以及獲取信息受條件限制少、信息量大等優(yōu)勢[1], 克服了傳統(tǒng)調(diào)查手段費(fèi)時、費(fèi)力，難以及時、準(zhǔn)確、全面監(jiān)測的缺點(diǎn)，成為現(xiàn)代河湖岸線利用監(jiān)測的主要手段。White 等利用 TM 影像監(jiān)測尼羅河三角洲的岸線變化，查出了岸線變化最快的區(qū)域，并對其進(jìn)行更為嚴(yán)密的監(jiān)測，為尼羅河三角洲流域的海岸帶管理提供了有力的技術(shù)支持[2]。楊金中等利用 MSS 和TM 等影像對杭州灣地區(qū)近 115 km 長的海岸進(jìn)行了遙感調(diào)查研究，調(diào)查自 1955 年以來杭州灣海岸線變遷規(guī)律及影響因素，并預(yù)測發(fā)展趨勢，為杭州灣合理開發(fā)、管理和保護(hù)提供了依據(jù)[3]。王琳等利用TM/ETM + 影像研究了廈門 1989—2000 年的岸線變化情況，有助于決策者對廈門沿岸水域和陸域做合理的布局和安排[4]。

鑒于遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，利用高分辨率遙感影像，結(jié)合 GIS 分析方法，對太浦河的水面和岸線利用現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測，為太浦河流域的科學(xué)規(guī)劃和管理提供重要的參考依據(jù)。

1 遙感監(jiān)測方法

1.1 遙感數(shù)據(jù)源

結(jié)合太浦河監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)能夠反映太浦河水面、沿岸開發(fā)利用及動態(tài)變化情況，因此，應(yīng)采用高空間分辨率、高時間覆蓋能力的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。經(jīng)比較，采用 2014 年 10 月 15 日全面覆蓋太浦河區(qū)域的 2 景國產(chǎn)高分一號衛(wèi)星 2 m 全色/8 m多光譜影像。高分一號衛(wèi)星主要載荷包括 2 臺空間分辨率為 2 m 全色/8 m 多光譜的高分辨率相機(jī)（簡稱 PMS 相機(jī)），及 4 臺空間分辨率為 16 m 的多光譜寬覆蓋相機(jī)（簡稱 WFV 相機(jī)）。高分一號衛(wèi)星的PMS 相機(jī)圖像幅寬可達(dá) 60 km，重訪周期 41 d[5]，探測全色和藍(lán)、綠、紅、近紅外 4 個譜段，可識別出河流、植被、城市建筑和水利工程等的分布特征，同時兼顧成像范圍和圖像獲取的時間分辨率要求，為本研究的主要數(shù)據(jù)源。

1.2 遙感監(jiān)測方法

1.2.1 遙感影像預(yù)處理

本研究以人工交互目視解譯為主要工作方法，遙感影像處理主要為全色波段與多光譜波段匹配、幾何糾正和圖像增強(qiáng)（融合）。

1.2.1.1 波段匹配

由于高分一號衛(wèi)星成像時，多光譜波段和全色波段成像存在一定的時間差異，因此在融合時必須進(jìn)行匹配。本研究采用多光譜波段向全色波段進(jìn)行匹配，然后再由全色波段選地面控制點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一幾何校正。

1.2.1.2 幾何糾正

幾何糾正控制點(diǎn)主要通過內(nèi)業(yè)初定和外業(yè)測量獲取[6]?？刂泣c(diǎn)分為以下 2 種：1）局部控制點(diǎn)。局部控制點(diǎn)選取在河道兩側(cè) 5 km 范圍內(nèi)，在融合影像（2 m）上清晰，實(shí)際調(diào)查中標(biāo)識明顯，交通較為便利的小型地物。2）全局控制點(diǎn)。全局控制點(diǎn)為控制整個圖面的精度，在圖面四角選取的控制點(diǎn)，選取方法與局部控制點(diǎn)相同。由于監(jiān)測區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，現(xiàn)狀變化較快，內(nèi)業(yè)工作中多確定一些控制點(diǎn)，以保證有效控制點(diǎn)數(shù)目能滿足圖像幾何糾正的需要。內(nèi)業(yè)初步確定的太浦河工作區(qū)控制點(diǎn)為 71 個。

內(nèi)業(yè)初步確定控制點(diǎn)后，外業(yè)進(jìn)行實(shí)地測量，采用差分 GPS 測量方法（RTK）進(jìn)行實(shí)地測量。外業(yè)測量（含補(bǔ)測）的太浦河工作區(qū)的控制點(diǎn)為 25 個。

對于內(nèi)外業(yè)工作獲得的控制點(diǎn)，進(jìn)行二次多項(xiàng)式的誤差分析，對誤差大于 1 個像元（2 m）的控制點(diǎn)進(jìn)行剔除，同時為了使控制點(diǎn)能控制整個河道（包絡(luò)控制）和滿足合理的數(shù)量，對于無法包絡(luò)控制的區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)測，最后確定 16 個控制點(diǎn)。幾何糾正采用二次多項(xiàng)式，殘差均小于 1 個像元。幾何糾正時，進(jìn)行三次褶積重采樣，糾正后的像元大小為 2 m。

1.2.1.3 圖像增強(qiáng)（融合）

采用 IHS 變換（也稱彩色變換）方法對高分一號 8 m 多光譜與 2 m 全色影像進(jìn)行融合。首先對多光譜影像進(jìn)行重采樣，使多光譜影像的分辨率與全色影像一致；然后對多光譜影像進(jìn)行 IHS 變換，并用全色影像替換經(jīng)過 IHS 變換后得到的多光譜影像的 I 分量；最后進(jìn)行 IHS 反變換得到高分辨率的多光譜影像。

1.2.2 監(jiān)測信息獲取

1.2.2.1 太浦河面積和長度

太浦河水面及沿岸開發(fā)利用情況以河流岸邊200 m 范圍為界，其中河流邊界通過衛(wèi)星遙感影像解譯獲取，經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證后確定以擋墻作為河流水面邊界。太浦河流域調(diào)查面積按河流水域和沿岸 200 m范圍的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中河流水域面積包括河流水面面積、河流線內(nèi)的圍網(wǎng)養(yǎng)殖和取土工程、內(nèi)陸灘涂及水工建筑用地（堤路林）。河流沿岸 200 m 范圍面積統(tǒng)計(jì)到行政村。

河流水面面積的計(jì)算遵循以下原則：若河流支流有水閘，以水閘為分界將支流與兩河面積分開；若無水閘，則以支流與兩河連接處的河岸線連線為分界將支流與兩河面積分開。太浦河水域面積包括汾湖穿湖堤以北的汾湖水面面積。

太浦河的河口起止點(diǎn)參照了 2003 年測繪成果，以河流中心線長度（包括湖、蕩的中心線長度）作為河流長度。

1.2.2.2 開發(fā)利用地類

太浦河河道及沿岸土地類主要依據(jù) GB/T 21010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》[7]分為耕地、園地、林地、交通運(yùn)輸用地、城鎮(zhèn)村及工礦用地，以及水域及水利設(shè)施用地等 6 個一級地類。同時為突出河流水面及岸線開發(fā)利用的特點(diǎn)，將魚塘、圍網(wǎng)養(yǎng)殖和取土工程等 3 個三級地類劃分到一級地類中，如表1 所示。水域及水利設(shè)施用地細(xì)分為河流水面、內(nèi)陸灘涂、溝渠和水工建筑用地等 4 個二級地類。

表 1 土地利用一級分類表

根據(jù)內(nèi)外業(yè)建立的解譯標(biāo)志，依據(jù)直接判讀法、對比分析法、信息覆合法、地理相關(guān)分析法及綜合推理法等對影像地類進(jìn)行判讀解譯，并進(jìn)行外業(yè)逐圖斑核查。對圖斑精度驗(yàn)證包括以下 3 個部分：對每條河各取 1 個圖斑利用差分 GPS 測量（RTK）驗(yàn)證；對每條河各取 3 個圖斑利用手持GPS 進(jìn)行面積測量驗(yàn)證；對一些長度利用皮尺進(jìn)行長度測量驗(yàn)證。

2 遙感監(jiān)測成果分析

2.1 監(jiān)測成果

2.1.1 太浦河面積和長度

根據(jù)遙感影像監(jiān)測和內(nèi)外業(yè)核查，太浦河及河岸 200 m 范圍內(nèi)共提取 1 223 個圖斑，圖斑總面積約4 129.01 hm2，長度約 57.6 km。

2.1.2 開發(fā)利用現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

對 1 223 個圖斑按表 1 中的地類進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，各地類所占面積如表 2 所示。

表 2 太浦河及沿岸（200 m）地類統(tǒng)計(jì)表

結(jié)果顯示，水域及水利設(shè)施用地是太浦河流域范圍內(nèi)用地面積最大的地類，占總面積的 40.70%，包括河流水面 1 429.05 hm2、內(nèi)陸灘涂 3.51 hm2、溝渠 0.07 hm2、水工建筑用地 247.79 hm2。

城鎮(zhèn)村及工礦用地面積大小處于第 2 位，占總面積的 16.35%，約為耕地面積的 1.64 倍。

耕地、魚塘、圍網(wǎng)養(yǎng)殖和林地所占面積基本相當(dāng)，分別約占總面積的 8%～10%。

太浦河河流范圍內(nèi)除河流水面外，主要用地類型為圍網(wǎng)養(yǎng)殖和水工建筑用地，面積分別為 340.31和 236.52 hm2。

2.2 監(jiān)測成果分析

對太浦河水面和岸線利用的遙感監(jiān)測成果進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

1）太浦河流域內(nèi)城鎮(zhèn)村及工礦用地面積較大，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。雖然水域及水利設(shè)施用地是研究范圍內(nèi)占比最大的地類，但扣除河流水面面積，城鎮(zhèn)村及工礦用地面積占比最大，可見區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)太浦河沿岸產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)，地區(qū)經(jīng)濟(jì)主要以工業(yè)為主，工業(yè)類型主要以紡織、印染為主，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一且已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，以傳統(tǒng)紡織印染為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來大量工業(yè)污染排放，對太浦河水質(zhì)構(gòu)成影響。

2）太浦河流域內(nèi)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)多元化，且分布較均衡。流域內(nèi)主要農(nóng)業(yè)用地為耕地、魚塘、圍網(wǎng)養(yǎng)殖和林地，分別約占總面積的 8%～10%。園地面積不大，不足總面積的 1%。

3）圍網(wǎng)養(yǎng)殖對防洪排澇、水資源調(diào)度影響不大。流域內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積占總面積的 8.24%，占水面面積的 23.8%。經(jīng)進(jìn)一步分析，圍網(wǎng)養(yǎng)殖主要集中在汾湖南側(cè)區(qū)域，位于行洪通道（太浦河穿汾湖）南側(cè)區(qū)域，并不占用主航道，因此對行洪及水資源調(diào)度影響不大。

3 結(jié)語

利用高分一號 2 m 全色/8 m 多光譜數(shù)據(jù)對太浦河水面和岸線利用的遙感監(jiān)測實(shí)踐表明：

1）高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)與 GIS 技術(shù)相結(jié)合，能準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測河道及兩岸的土地開發(fā)利用情況及空間分布狀況，可為水行政主管部門的有效管理提供第一手的決策數(shù)據(jù)。

2）高分一號衛(wèi)星 2 m 全色/8 m 多光譜數(shù)據(jù)可識別河流水面及岸線開發(fā)利用的 10 個一級地類和 4 個二級地類，并兼顧成像范圍和圖像獲取的時間分辨率要求，是進(jìn)行大范圍、周期性水面和岸線利用監(jiān)測的理想數(shù)據(jù)源，具有很大的應(yīng)用潛力。

下一步將利用多時相的高分一號 2 m 全色/8 m多光譜數(shù)據(jù)，對太浦河水面和岸線利用進(jìn)行變化檢測，及時、準(zhǔn)確地反映水面和岸線利用的變化信息，為河湖岸線管理和開發(fā)利用規(guī)劃提供技術(shù)支撐。

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Analysis and Study of Water Surface and Coastline of Taipu River Using Satellite Remote Sensing Monitoring

CAI Hui, JIN Zhaoqing
(Suzhou Administration Bureau of Taihu Basin Authority, Suzhou 215011, China)

Focusing on Taipu River, taking multispectral image of domestic high resolution-1 satellite in 2014, combining with the GIS technology, this paper does remote sensing monitoring about the present utilization situation of land resources of the drainage area, and the length and offshore 200 meters of Taipu River. It gets the total area and the length of Taipu River, realizes the inner city county-rural and mining area are large, agricultural structure is diversified and distribution is balanced. The study results show remote sensing monitoring can monitor the land development and utilization situation and spatial distribution on the both sides of the river and riverway accurately and comprehensively. It is the ideal data source for wide range, periodic surface and shoreline utilization monitoring, which has prodigious utilization potentiality.

Taipu River; water surface; coastline utilization; remote sensing monitoring

P208.2；TP7

A

1674-9405(2015)03-0042-04

2015 -02-28

蔡 輝（1979－），男，江蘇泰州人，工程師，從事水政監(jiān)察、工程管理、水資源管理等工作。