一種改進(jìn)的基于數(shù)字高程模型的水體覆蓋范圍模擬方法

李子彧++甘文霞++蔡曉斌

摘 要：實(shí)時(shí)獲取水體空間覆蓋范圍，對(duì)于災(zāi)害的防治、水資源的合理調(diào)配具有重要的意義?；跀?shù)字高程模型和實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)模擬水體覆蓋范圍的方法具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，已有研究通常采用單一水位值作為參數(shù)，該文考慮水位的空間分布，對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于實(shí)測(cè)水位空間插值的水體淹沒(méi)范圍模擬方法。通過(guò)在鄱陽(yáng)湖入江水道這一水體動(dòng)態(tài)特征明顯的區(qū)域進(jìn)行水域范圍模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)方法的精度進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明該文方法能夠有效模擬水體范圍，相比現(xiàn)有方法模擬精度提高，當(dāng)水位空間分布差異較大時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)更為明顯。這一研究成果對(duì)水資源綜合管理相關(guān)研究與實(shí)際工作具有較為重要的實(shí)用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水體覆蓋范圍模擬 數(shù)字高程模型 空間分布 鄱陽(yáng)湖

中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）06（b）-0095-04

實(shí)時(shí)獲取水體空間覆蓋范圍，可以更好地了解對(duì)象的水文過(guò)程，為政府決策提供參考信息，對(duì)于水資源的綜合管理、水資源合理調(diào)配、洪旱災(zāi)害的防治具有重要的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)水文情勢(shì)的觀測(cè)與描述主要是基于傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)手段，但水文站數(shù)量少，觀測(cè)范圍小，觀測(cè)結(jié)果僅能反映水文站所在區(qū)域的水文情況，對(duì)于整個(gè)區(qū)域的水文情勢(shì)的把握有其不足之處?；谛l(wèi)星遙感觀測(cè)技術(shù)可以大尺度獲取地表信息，但受傳感器時(shí)間、空間分辨率限制以及天氣因素的影響，經(jīng)常無(wú)法獲得目標(biāo)時(shí)刻的水體覆蓋范圍。

對(duì)于給定水體，水域的空間分布與水位之間有其內(nèi)在聯(lián)系，都是從其特定角度出發(fā)對(duì)水量和水體形態(tài)的反映，從這個(gè)思路出發(fā)，出現(xiàn)了采用數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）與實(shí)測(cè)水位相結(jié)合的水體覆蓋范圍模擬方法，以水位數(shù)據(jù)作為閾值，與DEM柵格對(duì)應(yīng)高程值比較，確定該柵格點(diǎn)是否被淹沒(méi)，這種基于柵格的方法數(shù)據(jù)要求少、計(jì)算簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且能獲得精度較高的水體覆蓋范圍模擬結(jié)果。當(dāng)前研究中通常使用代表水文站點(diǎn)水位或者平均水位作為閾值進(jìn)行模擬。然而，水位具有空間異質(zhì)性，而非空間不變，現(xiàn)有方法中缺少對(duì)這一實(shí)際特點(diǎn)的考慮。

基于此，該文對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了顧及水位空間特征的水體淹沒(méi)范圍模擬方法。以鄱陽(yáng)湖入江水道這一高動(dòng)態(tài)水域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)方法的精度和與現(xiàn)有方法的差異進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 方法

1.1 基于DEM和水位空間插值的水體動(dòng)態(tài)范圍模擬

該文的方法通過(guò)水文站點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值得到模擬的水位空間分布，結(jié)合水位、淹沒(méi)源和DEM地形數(shù)據(jù)，采用有源淹沒(méi)算法判斷淹沒(méi)區(qū)域。方法可以概括為以下4步。

（1）數(shù)據(jù)獲取。獲取待模擬區(qū)域的數(shù)字高程模型、待模擬時(shí)期的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)。

（2）水體淹沒(méi)源區(qū)獲取。待判斷點(diǎn)是否與源區(qū)連通是判斷點(diǎn)是否被淹沒(méi)的必須條件。因此需要提前獲取淹沒(méi)源區(qū)。

（3）實(shí)測(cè)水位空間插值。采用空間插值方法將空間上離散的點(diǎn)狀水位數(shù)據(jù)空間化，獲取待模擬區(qū)域的水位柵格圖。該文中選擇反距離權(quán)重法進(jìn)行水位的空間插值，它以插值點(diǎn)到已知點(diǎn)之間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均。

（4）采用有源淹沒(méi)算法，以第（3）步獲取的水位數(shù)據(jù)作為閾值，如果柵格的高程值低于給定的水位閾值且與已淹沒(méi)點(diǎn)聯(lián)通，則認(rèn)為該點(diǎn)被淹沒(méi)，反之不被淹沒(méi)。

1.2 有源淹沒(méi)算法實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前有源淹沒(méi)算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通常采用堆棧法，按照水位值初始化淹沒(méi)源堆棧，之后向鄰域8個(gè)方向搜索，該文結(jié)合柵格DEM的固有特征，提出一種高速有源淹沒(méi)算法——數(shù)字柵格外推式掃描法，算法思想為：首先將所有淹沒(méi)源區(qū)的點(diǎn)集放入堆棧，然后先沿著x方向掃描已經(jīng)淹沒(méi)區(qū)域柵格點(diǎn)左右兩個(gè)方向鄰域點(diǎn)，將高程低于水面的柵格點(diǎn)加入集合；然后沿著y軸方向，掃描集合內(nèi)所有點(diǎn)上下方向鄰域點(diǎn)，得到新增被淹沒(méi)點(diǎn)并將其加入集合；重復(fù)上述步驟對(duì)集合內(nèi)所有點(diǎn)進(jìn)行操作，當(dāng)集合不再發(fā)生變化時(shí)，所有集合的點(diǎn)即為最終淹沒(méi)區(qū)域。相比現(xiàn)用的八鄰域掃描法，該文的數(shù)字柵格外推式掃描法采用x、y方向交叉掃描，算法效率可以提高近16倍。

1.3 精度驗(yàn)證

大量研究表明，基于遙感手段能夠準(zhǔn)確的提取水體，獲取水體覆蓋范圍，提取精度能達(dá)到90%以上。該文以遙感提取結(jié)果為真實(shí)值，通過(guò)模擬準(zhǔn)確比例、模擬錯(cuò)誤比例值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了綜合精度評(píng)價(jià)。

1.4 衛(wèi)星遙感水體范圍提取方法

該文采用改進(jìn)歸一化水體指數(shù)（Modified Normalized Water Index，MNDWI）閾值分割法從衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)中提取水體覆蓋范圍[8]。水體的MNDWI值較低而植被、土壤等地表其他地物的MNDWI值較高，設(shè)置恰當(dāng)?shù)拈撝导纯蓞^(qū)分水體和其他地物，提取出水體覆蓋范圍。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 研究區(qū)域

鄱陽(yáng)湖地處江西省北部、長(zhǎng)江中下游南岸，是中國(guó)第一大淡水湖，湖區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)飽受水旱災(zāi)害的困擾[9]。鄱陽(yáng)湖區(qū)以松門(mén)山島為界，可以分為東（南）部主湖區(qū)和西（北）部入江水道。湖底自東向西、由南向北傾斜，高程由最高處的12 m降至湖口1 m左右[10]。流域內(nèi)水域年內(nèi)變化顯著，該文選取鄱陽(yáng)湖入江水道作為研究區(qū)域（圖1），有助于綜合評(píng)估方法在不同水文情況下的模擬效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)。該文中所使用的水文數(shù)據(jù)來(lái)自江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，各站刊布水位值轉(zhuǎn)換至吳淞基準(zhǔn)高程。

（2）湖底地形DEM數(shù)據(jù)。該文采用長(zhǎng)江水利委員會(huì)2000年1∶2.5萬(wàn)的湖底地形圖數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字化、TIN模型構(gòu)建，內(nèi)插成30 m空間分辨率的柵格DEM數(shù)據(jù)，采用1985年國(guó)家高程系統(tǒng)。

（3）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，該文選用了Landsat TM/ETM+傳感器所獲取的晴空條件下的遙感影像，共12景（見(jiàn)表1），數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)NASA的美國(guó)地球資源觀測(cè)中心（Earth Resources Observation and Science Center，EROS），幾何校正精度在一個(gè)像素以?xún)?nèi)，采用WGS 84全球投影坐標(biāo)系統(tǒng)。

2.3 水體覆蓋范圍模擬精度評(píng)價(jià)

根據(jù)水文站點(diǎn)的空間分布，該文選擇了湖口、星子、都昌這3個(gè)水文站的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，以歷年遙感影像中所提取的最小水體覆蓋范圍作為淹沒(méi)源，對(duì)表1中所列日期水體覆蓋范圍進(jìn)行了模擬，以遙感影像水體提取結(jié)果作為真實(shí)值對(duì)模擬結(jié)果精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)（見(jiàn)表2）。

從表中可以看出，模擬結(jié)果精度均在80%以上，精度最高達(dá)98.09%。圖2直觀地表現(xiàn)了模擬結(jié)果以及模擬精度的空間分布狀況。

可以很明顯地看到大多數(shù)淹沒(méi)區(qū)域已被成功模擬，整體來(lái)說(shuō)，豐水期的結(jié)果優(yōu)于枯水期模擬結(jié)果，枯水期入江水道中間洲灘容易被遺漏，靠近湖口的區(qū)域內(nèi)較易出現(xiàn)多提，可能是因?yàn)榭菟诤谒患铀傧滦?，?dǎo)致插值出的水位想比實(shí)際水位偏高，進(jìn)而導(dǎo)致已經(jīng)出露的洲灘模擬時(shí)仍被判定為淹沒(méi)區(qū)域。

2.4 與現(xiàn)有方法的對(duì)比

此節(jié)對(duì)該文方法與現(xiàn)有方法（采用單一閾值進(jìn)行作為參數(shù)）進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表3是方法在豐水期和枯水期的模擬精度，表3直觀地表現(xiàn)了不同方法提取的結(jié)果空間上的對(duì)照分析。

總體來(lái)說(shuō)該文方法由于現(xiàn)有方法，從表3可以看出方法的精度有所有提高，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法所提取的枯水期的水體覆蓋范圍有較為明顯的差異，主要表現(xiàn)在入江水道中部靠近湖口的區(qū)域。該文方法可以準(zhǔn)確捕捉到入江水道靠近湖口區(qū)域的洲灘的出露狀況，而使用單一水位作為閾值則無(wú)法模這一區(qū)域的淹沒(méi)狀況。考慮的水位變化后，漏提明顯減少，提高了模擬精度。在豐水期，兩種方法提取結(jié)果并沒(méi)有特別大的差別，其原因可能是因?yàn)樨S水期水位較為平穩(wěn)，水位空間插值結(jié)果差異較小且與平均水位相差較小。

綜上表明，實(shí)測(cè)水位空間插值結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地描述水位的分布特征，作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行水體淹沒(méi)范圍模擬可以有效地改善模擬精度，當(dāng)水位空間差異較大時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)更為明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)測(cè)水位和數(shù)字高程模型進(jìn)行模擬是獲取水體覆蓋范圍的重要手段之一，對(duì)于這一問(wèn)題的研究對(duì)于水文、水環(huán)境、防災(zāi)減災(zāi)等問(wèn)題具有重要的作用。該文認(rèn)為在這一過(guò)程中，需要考慮水位的空間差異，提出了一種改進(jìn)的基于數(shù)字高程模型和實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)的水體淹沒(méi)范圍模擬方法，采用由多站點(diǎn)水位空間插值結(jié)果作為水域范圍模擬的閾值參數(shù)。基于歷史水位數(shù)據(jù)的水位空間分布特征分析為這一改進(jìn)提供了理論支撐，在鄱陽(yáng)湖入江水道這一高動(dòng)態(tài)水體的實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)水位進(jìn)行插值得到水位面，替代單一水位作為水體覆蓋范圍模擬的閾值，可以較大程度地提高模擬精度，尤其是當(dāng)水位存在大的空間分布差異時(shí)，效果更加明顯，這一結(jié)論可以為相關(guān)研究與實(shí)踐工作提供參考。該文在相關(guān)的研究?jī)?nèi)容取得了一定的進(jìn)展，但仍然有很多需要改進(jìn)與提高之處。衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)作為一項(xiàng)測(cè)量水面高度的新技術(shù)，從20世紀(jì)70年代逐漸興起，相比傳統(tǒng)水文觀測(cè)，具有不受環(huán)境影響，觀測(cè)范圍大的特點(diǎn)，使用衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)獲取空間密度更高的水位分布狀況，將可以對(duì)水位的空間分布提供更加詳盡和準(zhǔn)確的描述，進(jìn)一步提高模擬精度。

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