丹江口庫區(qū)水域面積動態(tài)變化分析——基于長時間序列Landsat數(shù)據(jù)

董亞東，楊文宇，秦 赫

(1.湖北漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖北武漢 430048；2.湖北丹江口水力發(fā)電廠，湖北丹江口 442700)

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丹江口庫區(qū)水域面積動態(tài)變化分析
——基于長時間序列Landsat數(shù)據(jù)

董亞東1，楊文宇1，秦 赫2

(1.湖北漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司，湖北武漢 430048；2.湖北丹江口水力發(fā)電廠，湖北丹江口 442700)

地表水是人類發(fā)展重要的戰(zhàn)略資源和生態(tài)環(huán)境的重要組成部分之一。儲存在河流湖泊和水庫等中的地表淡水在農(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、水力發(fā)電、防災(zāi)減災(zāi)、生活及工業(yè)用水等方面發(fā)揮著巨大作用[1]。我國水資源總量占世界總量的5.8%左右，人均水資源僅為世界平均水平的25%[2]。更重要的是，我國淡水資源時空分布非常不平衡，南方地區(qū)水資源量占全國的80%左右，而北方地區(qū)只擁有18%左右的水資源，尤其是黃淮海地區(qū)，人口占全國的35%，耕地面積占39%，而水資源僅占7%，是全國水資源最為緊缺的地區(qū)[3]。為解決華北和西北地區(qū)水資源短缺問題，我國從2002年開始實(shí)施包括東線、中線、西線3條調(diào)水線的南水北調(diào)工程。其中，中線工程是從長江流域最大支流的漢江流域上游的丹江口水庫向河南、河北、北京和天津調(diào)水。

為了實(shí)施南水北調(diào)中線工程，丹江口大壩從2005年9月開始進(jìn)行加高；加高工程實(shí)施后，會影響丹江口水庫庫區(qū)水域面積的變化。而且丹江口水庫庫區(qū)水域面積變化分析在水資源管理、土地利用變化、庫區(qū)生態(tài)監(jiān)測等方面具有重要指導(dǎo)意義。因此，需要對丹江口庫區(qū)水域面積動態(tài)變化進(jìn)行長時間序列監(jiān)測分析。遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋區(qū)域大、來源穩(wěn)定和成本低等特點(diǎn)，為大范圍水域面積定量估算提供了可能[4]。

目前，TM(Thematic Mapper)、ETM+(Enhanced Thematic Mapper Plus)、OLI(Operational Land Imager)、MODIS(MOderate-resolution Imaging Spectroradiometer)、HJ-A/B(Environment-Disaster Monitoring-Forecasting A/B)等多源遙感數(shù)據(jù)被成功應(yīng)用到地表水域面積提取或變化監(jiān)測中[1，4-10]。雖然高時間分辨率的遙感數(shù)據(jù)(如MODIS)可用來監(jiān)測水域面積的連續(xù)變化[10-12]，對應(yīng)丹江口庫區(qū)而言，最窄的水面寬300 m左右，該類數(shù)據(jù)的空間分辨率(250～1 000 m)很低，水域面積估算精度差[1]。為了研究丹江口水庫庫區(qū)水域面積動態(tài)變化，筆者利用1993～2013年的陸地資源系列衛(wèi)星(Landsat-5，Landsat-7和Landsat-8)的TM、ETM+和OLI多源遙感數(shù)據(jù)，定量分析丹江口水庫水域面積近20年的動態(tài)變化情況，為丹江口水庫庫情監(jiān)測和南水北調(diào)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況丹江口水庫(110° 59′～111° 49′ E、32° 36′～33° 48′ N)是南水北調(diào)中線工程的水源地，也是亞洲最大的人工湖。丹江口水庫位于漢江干流與其支流丹江的交匯地，丹江口庫區(qū)成“V”字形(圖1)，分為丹江庫區(qū)和漢江庫區(qū)。庫區(qū)總面積846 km2，庫區(qū)水面東西寬為超過20 km。丹江口水庫控制流域面積約為9.52萬km2，占漢江流域集水面積的60%[13]。庫區(qū)多年平均流量409億m3，丹江口水庫來水量主要包括漢江流域上游和其支流丹江。為了實(shí)施南水北調(diào)中線工程，丹江口大壩從2005年9月開始進(jìn)行加高，在2013年5月完成加高工程；大壩加高后，丹江口水庫正常蓄水位從157 m提高至170 m，庫容從174.5億m增加到290.5億m3。

丹江口庫區(qū)地處北亞熱帶向暖溫帶過渡帶，屬于北亞熱帶季風(fēng)型大陸性半濕潤氣候，年平均氣溫15～16 ℃，雨量比較充沛，年平均降水量800～1 000 mm，降水主要集中在4～10月[1]。丹江口水庫庫區(qū)是一個相對獨(dú)立的自然地理單元，地形復(fù)雜，地貌多姿，庫區(qū)以中小起伏山地為主。庫區(qū)地勢呈西北高，東南低。西部、北部被伏牛山所環(huán)繞，東部自北向南依次為山地、丘陵、壟崗、平原，南部與江漢平原相連。庫區(qū)高山丘陵面積占全部面積的97%，平原只占3%[13-14]。庫區(qū)植被以常綠針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林和農(nóng)業(yè)植被為主；主要土壤類型有黃棕壤、山地黃棕壤、水稻土、潮土和黃褐土[1]。

1.2數(shù)據(jù)來源為了定量分析丹江口水庫庫區(qū)水域面積的動態(tài)變化，該研究從美國地質(zhì)調(diào)查中心(USGS)(http://earthexplorer.usgs.gov/ )收集了1993～2013年丹江口庫區(qū)共72景Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(表1)。

圖1　丹江口庫區(qū)Fig.1　Danjiangkou Reservoir

時間Date衛(wèi)星/傳感器Satellite/sensor時間Date衛(wèi)星/傳感器Satellite/sensor時間Date衛(wèi)星/傳感器Satellite/sensor1993-09-24Landsat-5/TM2001-08-21Landsat-7/ETM+2004-03-14Landsat-5/TM1995-11-17Landsat-5/TM2001-11-09Landsat-7/ETM+2004-05-17Landsat-5/TM1996-01-04Landsat-5/TM2001-11-17Landsat-5/TM2004-07-04Landsat-5/TM1996-02-05Landsat-5/TM2001-12-27Landsat-7/ETM+2004-10-08Landsat-5/TM1996-04-25Landsat-5/TM2002-01-04Landsat-5/TM2005-04-02Landsat-5/TM1996-05-27Landsat-5/TM2002-01-12Landsat-7/ETM+2005-10-11Landsat-5/TM1996-08-31Landsat-5/TM2002-01-28Landsat-7/ETM+2006-03-04Landsat-5/TM1996-10-18Landsat-5/TM2002-02-21Landsat-5/TM2006-05-23Landsat-5/TM1999-09-01Landsat-7/ETM+2002-03-09Landsat-5/TM2006-06-24Landsat-5/TM1999-12-22Landsat-7/ETM+2002-04-02Landsat-7/ETM+2006-07-10Landsat-5/TM2000-03-19Landsat-5/TM2002-04-18Landsat-7/ETM+2006-09-12Landsat-5/TM2000-03-27Landsat-7/ETM+2002-07-07Landsat-7/ETM+2006-10-14Landsat-5/TM2000-04-04Landsat-5/TM2002-08-24Landsat-7/ETM+2007-06-11Landsat-5/TM2000-04-12Landsat-7/ETM+2002-09-01Landsat-5/TM2007-08-14Landsat-5/TM2000-04-28Landsat-7/ETM+2002-09-25Landsat-7/ETM+2007-09-15Landsat-5/TM2000-06-15Landsat-7/ETM+2002-10-27Landsat-7/ETM+2009-07-18Landsat-5/TM2000-07-17Landsat-7/ETM+2002-11-04Landsat-5/TM2009-11-23Landsat-5/TM2000-08-10Landsat-5/TM2002-11-28Landsat-7/ETM+2010-05-02Landsat-5/TM2000-12-24Landsat-7/ETM+2002-12-30Landsat-7/ETM+2011-08-09Landsat-5/TM2001-02-18Landsat-5/TM2003-01-07Landsat-5/TM2011-08-25Landsat-5/TM2001-05-01Landsat-7/ETM+2003-03-20Landsat-7/ETM+2013-06-11Landsat-8/OLI2001-06-18Landsat-7/ETM+2003-04-05Landsat-7/ETM+2013-08-14Landsat-8/OLI2001-07-04Landsat-7/ETM+2003-05-07Landsat-7/ETM+2013-09-15Landsat-8/OLI2001-08-05Landsat-7/ETM+2003-06-16Landsat-5/TM2013-11-18Landsat-8/OLI

如表1所示，該研究選用的Landsat-5的TM數(shù)據(jù)共40景，Landsat-7的ETM+數(shù)據(jù)28景，Landsat-8的OLI數(shù)據(jù)4景。TM、ETM+和OLI多光譜遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，重復(fù)周期為16 d。為了定量分析南水北調(diào)實(shí)施前后丹江口庫區(qū)水域面積的動態(tài)變化，其中大壩加高工程前的Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)共53景，加高過程中的遙感數(shù)據(jù)15景，加高后4景。

1.3研究方法目前，包括監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類、單波段閾值、植被指數(shù)、歸一化水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index，NDWI)、MNDWI(Modified NDWI)和ONDWI(Override NDWI)等模型都被成功應(yīng)用到地表水體識別與提取[1，5-9，15]。與監(jiān)督或非監(jiān)督分類比較，NDWI或MNDWI能更簡單快速提取地表水域面積信息。研究結(jié)果表明，MNDWI模型比NDWI模型更適合Landsat系列衛(wèi)星遙感的地表水域信息提取[6，8]。MNDWI的計算公式為：

(1)

式中，ρGreen和ρSWIR分別為綠光波段和短波近紅外波段圖像的反射率。

對于TM、ETM+和OLI3種傳感器來講，ρGreen為TM傳感器第二波段(Band2：0.52～0.60μm)對應(yīng)的數(shù)據(jù)；也為ETM+傳感器第二波段數(shù)據(jù)(Band2：0.525～0.605μm)，為OLI傳感器第三波段數(shù)據(jù)(Band3：0.53～0.59μm)。由于TM、ETM+和OLI多光譜遙感數(shù)據(jù)都包括兩個通道的短波近紅外數(shù)據(jù)，如TM的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.08～2.35μm)，ETM+的通道5(Band5：1.55～1.75μm)和通道7(Band7：2.09～2.35μm)，OLI的通道6(Band6：1.57～1.65μm)和通道7(Band7：2.11～2.29μm)。選擇哪個通道的短波近紅外數(shù)據(jù)，是利用Landsat系列衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和MNDWI模型進(jìn)行丹江口水庫庫區(qū)水域面積動態(tài)監(jiān)測首先需要解決的問題。研究結(jié)果表明，波譜范圍處于1.2～1.8μm的短波近紅外數(shù)據(jù)更適合TM、ETM+和OLI構(gòu)建MNDWI[6-8]。

對于Landsat-5的TM數(shù)據(jù)，MNDWI模型轉(zhuǎn)化為：

(2)

式中，ρTMB2和ρTMB5分別TM傳感器對應(yīng)的Band2和Band5數(shù)據(jù)的反射率。

對于Landsat-7的ETM+數(shù)據(jù)，MNDWI模型轉(zhuǎn)化為：

(3)

式中，ρETM+B2和ρETM+B5分別ETM+傳感器對應(yīng)的Band2和Band5數(shù)據(jù)的反射率。

對于Landsat-8的OLI數(shù)據(jù)，MNDWI模型轉(zhuǎn)化為：

(4)

式中，ρOLIB3和ρOLIB6分別OLI傳感器對應(yīng)的Band3和Band6數(shù)據(jù)的反射率。

公式(2)～(5)利用TM、ETM+和OLI多光譜數(shù)據(jù)中綠波和短波近紅外2個通道數(shù)據(jù)的反射率數(shù)據(jù)獲得MNDWI圖像，必須將USGS提供的TM、ETM+和OLI原始遙感數(shù)據(jù)通過大氣校正獲得所需的反射率數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

該研究在ENVI5.0平臺上，首先利用FLAASH(FastLine-of-sightAtmosphericAnalysisofSpectralHypercubes) 模塊對所選用Landsat系列衛(wèi)星的多光譜遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得MNDWI模型所需要的TM、ETM+和OLI綠波和短波近紅外通道數(shù)據(jù)的反射率數(shù)。然后利用公式(2)～(5)獲得丹江口庫區(qū)1993～2013年不同時相的MNDWI圖像。在獲得MNDWI圖像的基礎(chǔ)上，利用Otsu模型獲得不同時相MNDWI圖像分割閾值，并利用獲得閾值對丹江口庫區(qū)的水域面積進(jìn)行分割和制圖；最后通過空間統(tǒng)計獲得丹江口庫區(qū)不同時相水域面積。1993～2013年丹江口水庫庫區(qū)水域面積變化見圖2。由圖2可知，1993～2013年丹江口庫區(qū)水域面積變化較大。統(tǒng)計結(jié)果表明，1993～2013年丹江口庫區(qū)最小面積為292.34 km2(1999年12月22日)，最大面積為506.64 km2(2005年10月11日)，面積比為1.73。庫區(qū)最小水域面積處于枯水期；而最大面積出現(xiàn)在10月，而不是漢江中上游流域降水最大的7月，主要原因是2005年10月漢江流域中上游地區(qū)發(fā)生了100年一遇的華西秋雨[16]。在所選的72景Landsat數(shù)據(jù)中，有6個面積小于300 km2，有46個面積處于300～400 km2，有19個面積處于400～500 km2，面積超過500 km2的只有1個，平均水域面積為367.56 km2。

丹江口大壩加高前，庫區(qū)平均水域面積為355.44 km2；加高過程中庫區(qū)平均水域面積為406.08 km2；大壩加高后，庫區(qū)平均水域面積為383.79 km2。加高工程前，庫區(qū)水域平均面積接近1993～2013年的平均水域面積；加高過程中的8年(2005～2012年)，平均水域面積大于多年平均面積和加高后的庫區(qū)水域平均面積。其原因主要為：加高過程選擇的15景Landsat數(shù)據(jù)多集中在漢江上游流域降雨充沛的4～10月，只有2景(2006年3月4日和2009年11月23日)處于枯水期。大壩加高后，丹江口庫區(qū)水域面積明顯大于多年平均值，如2013年8月14日水域面積為415.23 km2，2013年9月15日水域面積為387.63 km2，而處于枯水期的水域面積也高達(dá)375.28 km2(2013年11月18日)。

3結(jié)論與討論

該研究收集了1993～2013年丹江口庫區(qū)的TM、ETM+和OLI多時相多源Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，利用水體指數(shù)模型提取了丹江口庫區(qū)72個不同時相的水域面積，實(shí)現(xiàn)了對丹江口庫區(qū)水域面積的動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明，在過去的近20年中，庫區(qū)最小面積為292.34 km2，最大面積為506.64 km2，多年水域面積為367.56 km2。1993～2013年丹江口庫區(qū)水域面積變化比較大，庫區(qū)水域面積變化主要由漢江流域中上游地區(qū)降雨等因素引起。為了更加深入地分析丹江口庫區(qū)水域面積動態(tài)變化原因，需要進(jìn)一步分析庫區(qū)水域面積變化與漢江中上游的降水量的關(guān)系。

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摘要丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程水源地，庫區(qū)水域面積的變化監(jiān)測對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和南水北調(diào)工程都具有重要的意義。該研究以1993～2013年的Landsat多源多時相遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用修正的歸一化水體指數(shù)(MNDWI)模型對丹江口庫區(qū)過去20年的水域面積進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果表明：庫區(qū)最小面積為292.34 km2，最大面積為506.64 km2，多年平均面積為367.56 km2。研究成果能為丹江口水庫庫情監(jiān)測、水資源調(diào)度和南水北調(diào)管理提供科學(xué)的決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞水體提取;動態(tài)變化;Landsat; MNDWI;丹江口水庫

Dynamic Analysis of Water Area in Danjiangkou Reservoir—Based on Long-time Series Landsat data

DONG Ya-dong，YANG Wen-yu，QIN He(1.Hubei Han River Water Conservancy and Hydropower (Group) Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430048; 2.The Danjiangkou Hydropower Plant，Danjiangkou，Hubei 442700)

AbstractDanjiangkou Reservoir is the freshwater source of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project (MRSNWDP) in China.Monitoring the surface water area change of Danjiangkou Reservoir is of great significance to ecological environment construction and MRSNWDP.Based on Landsat remote sensing images from 1993 to 2013，dynamic monitoring on water area of Danjiangkou Reservoir in the past 20 years was carried out by using the MNDWI model.Research results showed that the minimum and maximum areas of Danjiangkou Reservoir were 292.34 and 506.64 km2，respectively; and the perennial average area was 367.56 km2.This research provides scientific base for the decision making of reservoir situation monitoring，water resources scheduling and SNWDP project in Danjiangkou Reservoir.

Key wordsWater extraction; Dynamic change; Landsat; MNDWI; Danjiangkou Reservoir

收稿日期2015-12-10

作者簡介董亞東(1981- )，男，湖北黃岡人，工程師，從事水力發(fā)供電和發(fā)展規(guī)劃編制研究。

中圖分類號S 129

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-321-04