基于遙感技術(shù)的水域監(jiān)測

田文婷萬　紫王　新/ 1.浙江省水利河口研究院　2.浙江省水利防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

基于遙感技術(shù)的水域監(jiān)測

田文婷1,2萬紫1,2王新1,2/ 1.浙江省水利河口研究院2.浙江省水利防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

水域監(jiān)測是指利用遙感影像基于水體特征進(jìn)行的水域信息提取，本文利用高分辨率航空影像，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)以及已有的水域調(diào)查資料等，提取蘇州市河湖水域信息，確定其屬性信息，并對提取結(jié)果進(jìn)行野外測繪驗(yàn)證。結(jié)果證明該方法獲取的水域面積精確可靠，可為客觀掌握水域情況、加強(qiáng)河湖管理提供依據(jù)。

遙感影像；水域監(jiān)測

引言

遙感技術(shù)具有大范圍、主動、快速、準(zhǔn)確地獲得地表信息的優(yōu)勢，可以有效解決監(jiān)測區(qū)域大、監(jiān)測目標(biāo)分散的問題[1]，目前已經(jīng)在國土、林地調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。利用遙感技術(shù)提取水域信息主要是依靠水體與其他地物的光譜反射差異[2]。但是基于光譜信息提取的水域范圍實(shí)際是水面范圍，與水利部門所關(guān)心的水域范圍有一定差異，而且不同時期水位差異會導(dǎo)致水域范圍的差異。因此基于光譜信息提取的水域范圍在實(shí)際應(yīng)用中有一定問題。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，影像空間分辨率增大，地物信息表達(dá)更詳細(xì)，水域信息提取中輔助信息更豐富[3]。本文將結(jié)合水利部門的實(shí)際需要，以高清遙感影像以及大比例地形圖為依據(jù)，提取蘇州市水域范圍，并通過實(shí)地測繪調(diào)查檢驗(yàn)提取結(jié)果。通過該方法可調(diào)查清楚全市水域總面積和分布情況，為今后加強(qiáng)河湖管理，確保水面積不減少提供依據(jù)。

一、研究區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

（一）研究區(qū)概況

蘇州市位于長江三角洲中部、太湖流域東北部，東鄰上海，南連浙江省嘉興、湖州兩市，西傍太湖，與無錫相接，北枕長江。根據(jù)《2014年蘇州統(tǒng)計年鑒》，全市總面積8488平方公里，地形以平原為主，地勢低平。蘇州河湖資源豐富，境內(nèi)河道縱橫，湖泊眾多，河湖相連，形成“一江、百湖、萬河”的獨(dú)特水網(wǎng)。全市擁有長江和太湖岸線300多公里，大小湖泊300多個，各級河道2萬余條。其中，列入江蘇省保護(hù)名錄的湖泊94個，列入江蘇省骨干河道名錄的河流93條。各類河湖水域在蘇州市防洪、排澇、灌溉、供水、發(fā)電、航運(yùn)和生態(tài)景觀、水文化等方面發(fā)揮了巨大的綜合功能。

（二）數(shù)據(jù)介紹

本研究遙感影像主要是2013年拍攝的彩色航空影像，已經(jīng)過正射校正和波段融合處理，空間分辨率為0.2米。研究基準(zhǔn)年為2013年，以基準(zhǔn)年航空影像為工作底圖，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的常水位岸線采集水域范圍邊界。

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括蘇州市測繪基礎(chǔ)地形圖、蘇州市電子地圖數(shù)據(jù)，是各項(xiàng)調(diào)查相關(guān)信息的主要數(shù)據(jù)來源之一。另外還可以利用蘇州市第一次全國水利普查成果、湖泊勘測成果、堤防規(guī)劃調(diào)查資料、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)水系規(guī)劃成果和其它各種水域調(diào)查相關(guān)圖件、文檔和表格等作為參考。

（三）技術(shù)路線

圖1　技術(shù)路線

二、水域信息提取

水域面積是水域所對應(yīng)的面積。根據(jù)實(shí)際需要，水利部門水域管轄范圍包括兩岸堤防（岸線）之間的水面、邊灘、沙洲的面積。

本文調(diào)查中原則上水域面積計算按照有硬質(zhì)岸線和無硬質(zhì)岸線兩種基本情況考慮：對于有硬質(zhì)岸線（包括堤防，硬質(zhì)護(hù)坡、護(hù)岸，擋墻和道路）的水域面積是指硬質(zhì)岸線之間的面積。在航空影像上硬質(zhì)岸線一般呈現(xiàn)為白色條狀，特征明顯，可以根據(jù)影像數(shù)據(jù)結(jié)合地形圖數(shù)據(jù)沿硬質(zhì)岸線或房屋的迎水側(cè)邊緣勾繪水域邊界（如圖2）。

圖2　有硬質(zhì)岸線水域范圍示意圖

對于無硬質(zhì)岸線的水域面積是指河岸線之間（或湖岸線所包圍的）的面積。以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的水域常水位岸線為基礎(chǔ)，結(jié)合不同時段的高分航空影像，沿水陸痕跡線勾繪水域邊界（如圖3）。

圖3　無硬質(zhì)岸線水域范圍示意圖

（一）屬性信息

根據(jù)遙感影像可以準(zhǔn)確提取水域范圍，確定水域空間分布位置。然后借鑒其他資料為水域信息添加屬性，包括河流的分段命名，根據(jù)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)確定河流流經(jīng)區(qū)域，確定河流起止點(diǎn)，計算河流長度、面積等。

三、結(jié)果分析

根據(jù)以上方法確定河道基本信息表（部分）見表2，對蘇州市河湖信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3

表2　河道基本信息表（部分）

表3　蘇州市分水域類型面積統(tǒng)計表

表3展示的是含太湖和長江水域在內(nèi)的蘇州市各類別、各等級水域基本情況。根據(jù)該表，蘇州全市水域面積為3205.005 km2。

圖4　蘇州市分水域類型面積成果

根據(jù)圖4，含太湖和長江水域在內(nèi)，蘇州市湖泊水域面積最大，占全市水域總面積的68.6％；其次是河道，比例為29.9％；塘壩水域面積占比最小，為1.5％；

含太湖和長江水域在內(nèi)，蘇州市省管湖泊和流域性河道水域面積為2231.426km2，占全市水域總面積的69.6％；市管河湖水域面積為452.351km2，占全市水域總面積的14.1％；縣級及以下水域面積為521.228km2，占全市水域總面積的16.3％。

蘇州全市共有各級河道21879條，河道水域總面積為958.117km2，河道總長度為21637.51km。其中，蘇州市流域性河道有4條，為長江、望虞河、太浦河和京杭大運(yùn)河，長江水域面積為456.315km2，占全市水域總面積的14.2％，流域性河道水域面積為476.048km2，占全市河道水域總面積的49.7％，流域性河道長度為289.26 km，占全市河道總長度的1.3％；市管河道有36條，蘇州市管河道水域面積為59.975km2，占全市河道水域總面積的6.3％，市管河道長度為764.01km，占全市河道總長度的3.5％；蘇州市縣級河道有78條，水域面積為36.563km2，占全市河道水域總面積的3.8％，縣級河道長度為901.18km，占比為4.2％；蘇州市鎮(zhèn)村河道條數(shù)最多，為21761條，其面積為385.531km2，占全市河道水域總面積的40.2％，鎮(zhèn)村河道長度為19683.07 km，占比為91.0％。

蘇州全市共有大小湖泊353個，湖泊水域總面積為2197.838 km2。其中，蘇州市省管湖泊有3個，為太湖，鵝真蕩，嘉陵蕩，太湖水域面積為1754.342km2，占全市水域總面積的54.7％，省管湖泊水域面積為1755.378km2，占全市湖泊水域總面積的79.9％；列入省湖泊保護(hù)名錄的其余91個湖泊為市管湖泊，市管湖泊水域面積392.376km2，占全市湖泊水域總面積的17.8％；其余的湖泊均為縣管及以下湖泊，縣管及以下湖泊有259個，水域面積為50.084km2，占比為2.3％。

塘壩為水域面積小于或等于50畝，具有一定利用功能的小型水域，蘇州全市共有塘壩8404個，水域面積為49.050km2。

分行政區(qū)匯總

表4　蘇州市各市、區(qū)水域面積勘察成果統(tǒng)計表

根據(jù)表4含太湖和長江水域在內(nèi)，蘇州各市、區(qū)中，吳中區(qū)的水域面積列首位，占全市水域總面積的50.6％，主要原因是太湖的大部分水域在吳中區(qū)境內(nèi)，吳中區(qū)太湖水域面積占吳中區(qū)水域總面積的95.0％；排名第二位的是吳江區(qū)，主要原因是蘇州市91個市管湖泊有55個在吳江區(qū)境內(nèi)，且境內(nèi)包含部分太湖水域，吳江區(qū)市管湖泊水域面積占吳江區(qū)水域總面積的35.1％，太湖水域面積占比為25.9％；蘇州市水域面積最小的市、區(qū)是姑蘇區(qū)，因?yàn)楣锰K區(qū)行政區(qū)劃面積較小，且境內(nèi)無大湖大河，境內(nèi)基本為河道水域。

四、結(jié)果驗(yàn)證

抽樣外業(yè)測量驗(yàn)證工作測量采用GPS JSCORS模式，測段總長度約600KM，選取了蘇州市各級河道若干段進(jìn)行了外業(yè)測量。

其中，流域性河道中長江未測量，其他3條河道的測段總長度為82.5 km，占除長江以外流域性河道總長度的49％；市管河道抽取了其中35條河道，測段總長度為416.3 km，占市管河道總長度的54％；縣級河道抽取了其中18條進(jìn)行了測量，測段總長度為74.1km，占全市縣級河道總長度的8.2％；鎮(zhèn)村河道抽取了其中43條進(jìn)行了測量，測段總長度為51.1 km。 以下是各級河道抽樣測量的情況。

基于遙感技術(shù)提取的流域性河道水域范圍線點(diǎn)位中誤差為±0.11m；水域面積相對誤差為-0.1％。基于遙感技術(shù)提取的市管河道水域范圍線點(diǎn)位中誤差為±0.18m；水域面積相對誤差為0.2％?；谶b感技術(shù)提取的縣級河道水域范圍線點(diǎn)位中誤差為±0.19m；水域面積相對誤差為0.3％?；谶b感技術(shù)提取的鎮(zhèn)村級河道水域范圍線點(diǎn)位中誤差為±0.20m；水域面積相對誤差為-0.3％。

表5　水域面積抽樣驗(yàn)證結(jié)果匯總表

根據(jù)抽樣河段的驗(yàn)證結(jié)果，基于遙感手段提取水域面積的方法精確可靠，精度符合實(shí)際需求。說明基于遙感技術(shù)提取的水域邊界線具有較高的精度，獲取的水域面積精確可靠。

五、結(jié)論

遙感技術(shù)為水域監(jiān)測提供了高精度、多時效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文以航空影像為基礎(chǔ)，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，對蘇州市水域進(jìn)行監(jiān)測，提取水域面積。通過野外測繪調(diào)查發(fā)現(xiàn)該方法提取精度高，為準(zhǔn)確把握區(qū)域水域面積、空間位置提供基礎(chǔ)。

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

[2]萬紫,劉江,徐慶華,王新.基于多源空間數(shù)據(jù)的河道水域變化監(jiān)測方法研究[J].2013,5(23):37 -45.

[3]成建國,陳德清,郭善昕.環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)在潘陽湖水域監(jiān)測中的應(yīng)用[J].2013,1:52-56.

浙江省省屬科研院所專項(xiàng)計劃項(xiàng)目（編號2013F10049）

田文婷（1987-），女，碩士研究生，主要從事水利遙感研究。