基于GF_1衛(wèi)星的丹江口水庫水面面積—蓄水量—水位相關(guān)性研究

孫建蕓　袁琳　王新生　李朋澤　鄒金秋

摘要：基于GF_1衛(wèi)星16 m分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)及水文觀測數(shù)據(jù)，通過計(jì)算NDWI水體指數(shù)來提取丹江口水庫水面面積，并研究水面面積、水位與蓄水量三者之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)動態(tài)分析水庫蓄水量變化情況，以期為“南水北調(diào)”提供決策支撐。研究發(fā)現(xiàn)：（1）南水北調(diào)中線首個(gè)調(diào)度年前后丹江口水庫水面面積-水位，水位-蓄水量以及水面面積-蓄水量之間均為顯著相關(guān)關(guān)系，且三對變量依次呈現(xiàn)明顯的1次、2次、3次曲線關(guān)系，擬合曲線方程的決定系數(shù)分別達(dá)到0.976、0.999和0.980，因此可以根據(jù)其中一個(gè)已知變量預(yù)測其他兩個(gè)未知量；（2）水面面積自2014年10月5日至2016年5月5日最大變化幅度相差180 km²，是影響周邊環(huán)境變化的重要因素；（3）同時(shí)蓄水量在首個(gè)調(diào)度年內(nèi)，于2014年11月初達(dá)到最大值204.10億m³，可調(diào)水量在16.53～78.93億m³范圍內(nèi)浮動，且年內(nèi)整體變化平緩穩(wěn)定，保證了2015調(diào)度年內(nèi)南水北調(diào)中線工程的供水需求。

關(guān)鍵詞：丹江口水庫；GF_1衛(wèi)星；水面面積；水位；蓄水量

中圖分類號：P962 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0089-08

我國南澇北旱的氣候特征制約了我國社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的健康可持續(xù)發(fā)展。通過跨流域的水資源合理配置，可以大大緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題，促進(jìn)南北方經(jīng)濟(jì)、社會與人口、資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?！澳纤闭{(diào)工程”總體布局被設(shè)計(jì)為3條調(diào)水線路，即西線工程，中線工程和東線工程，分別從長江上、中、下游調(diào)水，以適應(yīng)西北，華北各地發(fā)展需要，是緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程。丹江口水庫，作為南水北調(diào)中線引水工程的水源地，水庫庫容的三維形態(tài)并不易直接獲取，但通過水位一蓄水量一水面面積相關(guān)性研究可以估算水庫蓄水量和水面面積變化，為中線工程水資源的監(jiān)測保護(hù)和分配決策提供依據(jù)，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

國內(nèi)外針對水庫水面面積提取、水位面積曲線測定、蓄水量、調(diào)水量以及水文情勢的研究采用了多種技術(shù)手段，解決了相關(guān)方面的問題。喬平林以實(shí)地觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立水庫水面面積-庫容的關(guān)系曲線，決定系數(shù)達(dá)到0.96，利用TM影像提取面積，進(jìn)一步求出水庫資源量；唐曉玲利用EOS/MODIS資料，采用閾值法對向海水庫水面面積進(jìn)行遙感動態(tài)監(jiān)測；丁志雄將DEM和遙感相結(jié)合對水庫水位一水面面積曲線測定方法進(jìn)行了研究，得出水位面積關(guān)系曲線；張杰等以國產(chǎn)HJ-1A/B的CCD多時(shí)相遙感影像為數(shù)據(jù)，采用單閾值法、NDWI法和決策樹分類方法提取丹江口庫區(qū)水域信息，研究三期水面面積動態(tài)變化；陳文倩等研究了基于國產(chǎn)GF-1遙感影像的水體提取方法，將單閾值法，NDWI法與多波段法進(jìn)行對比研究，并提出新的決策樹水體信息提取方法；陳華等探討了漢江丹江口以上流域降水特征及變化趨勢，分析其降水量的變化規(guī)律，指導(dǎo)水庫的調(diào)度運(yùn)行。陳桂亞等對丹江口水庫的棄水可調(diào)水量是否滿足南水北調(diào)（中線）供水區(qū)的要求做了分析研究；郭文獻(xiàn)等采用動態(tài)范圍分析法對研究了丹江口水庫對漢江中下游水文情勢的影響；靖立玲等采用兩種秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對南水北調(diào)一期工程的生態(tài)補(bǔ)水潛力進(jìn)行了研究。Feng，L等利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測鄱陽湖洪水長期變化對周邊生態(tài)環(huán)境的影響，Ding Xiaowen用微波遙感監(jiān)測手段對洞庭湖水面面積進(jìn)行研究，取得較好結(jié)果，國內(nèi)外多是對水體水面面積的提取方法進(jìn)行探究，對于丹江口水庫也主要集中在對水庫局部特征的研究，如降水量，調(diào)水量等，針對丹江口水庫的整體研究較少，尤其是水面面積、水位、蓄水量三者關(guān)系聯(lián)動研究幾乎查閱不到，且自GF-1衛(wèi)星發(fā)射以來，在丹江口水庫上的應(yīng)用研究并不多。而三者之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，聯(lián)動研究能夠更加直觀地反映水庫的調(diào)水運(yùn)行情況，可以準(zhǔn)確掌握水庫的整體信息。

因此，本文以丹江口水庫為研究對象，利用GF_1衛(wèi)星上WFV傳感器所拍攝的16 m多光譜數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍從2014年10月5日到2016年1月2日，通過歸一化水體指數(shù)法（NDWI）提取不同時(shí)間的水面面積，將其結(jié)果與水位和蓄水量數(shù)據(jù)結(jié)合做相關(guān)性分析，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三者關(guān)系模型，為通過水位來科學(xué)估算水面面積和蓄水量提供科學(xué)依據(jù)，以期能夠宏觀尺度動態(tài)監(jiān)測和評價(jià)庫區(qū)對周邊區(qū)域影響范圍變化情況，分析調(diào)度年的水文響應(yīng)情況，同時(shí)指導(dǎo)年度調(diào)水的相關(guān)決策。

1研究區(qū)概況

丹江口水庫（圖1），分布于湖北省丹江口市（庫區(qū)還涉及到湖北省鄖縣、十堰市張灣區(qū)、鄖西縣等）和河南省南陽市淅川縣之間，水源來自于漢江及其支流丹江。研究區(qū)地理位置介于北緯32°36′-33°48′，東經(jīng)110°59′-111°49′之間，橫跨鄂、豫兩省。由湖北境內(nèi)的漢江庫區(qū)和河南境內(nèi)的丹江庫區(qū)兩大部分組成，多年平均入庫水量為394 8億m³，水源來自于漢江及其支流丹江。水庫死水位為150m，2012年丹江口水庫大壩加高到176.6 m后，水庫設(shè)計(jì)正常蓄水位由157 m提高到170 m，庫容從174.5億m³增加到290.5億m³，并于2013年9月開始蓄水。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

GF_1衛(wèi)星是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，于2013年4月26日成功發(fā)射，同年12月30日正式投入使用。該衛(wèi)星搭載了兩臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機(jī)，四臺16 m分辨率多光譜相機(jī)，其中16 m多光譜數(shù)據(jù)含有4個(gè)波段，分別為藍(lán)光波段（0.45～0.52 um）、綠光波段（0.52～0.59 μm）、紅光波段（0.63～0.69μm）、近紅外波段（0.77～0.89 lam），是本文提取水面面積的數(shù)據(jù)來源?；谘芯績?nèi)容，下載丹江口水庫區(qū)域所有云覆蓋率為零的16 m多光譜高分?jǐn)?shù)據(jù)影像共21幅，時(shí)間跨度從2014年10月5日到2016年1月2日，且為了保證后期研究質(zhì)量，盡量滿足每個(gè)月均有影像覆蓋。截取丹江口庫區(qū)在時(shí)間序列受外界環(huán)境變化明顯的主要區(qū)域進(jìn)行面積提取。endprint

水位和蓄水量數(shù)據(jù)：根據(jù)研究目的，本文在全國水雨情網(wǎng)站收集到自丹江口水庫壩高達(dá)到176.6m之后每一天的水位和對應(yīng)蓄水量數(shù)據(jù)作為參與研究的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)時(shí)間范圍從2014年10月5日到2016年5月5日，如表1為21幅庫區(qū)影像對應(yīng)時(shí)期的水位和蓄水量數(shù)據(jù)。

GF_1衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理在ENVI軟件平臺上進(jìn)行操作，首先在內(nèi)部自行開發(fā)的GF_1數(shù)據(jù)處理插件中選中批量處理高分?jǐn)?shù)據(jù)界面，確定制定的數(shù)據(jù)位置和后續(xù)結(jié)果的保存位置，軟件將以全國地理行政區(qū)底圖為配準(zhǔn)基礎(chǔ)，自動根據(jù)影像及其參數(shù)實(shí)現(xiàn)對所有數(shù)據(jù)的幾何校正過程，然后利用ENVI軟件中的圖像鑲嵌（Mosaicking）工具對每一個(gè)時(shí)期的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到能完整覆蓋丹江口水庫的影像數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步的分析使用。

2.2研究方法

本文主要把歸一化水體指數(shù)法（NDWI）提取出的水庫水面面積與水位和蓄水量數(shù)據(jù)結(jié)合，在SPSS軟件中基于pearson相關(guān)分析方法確定三者相關(guān)性，并在此基礎(chǔ)上上構(gòu)建三者關(guān)系模型。

2.2.1歸一化水體指數(shù)（NDWI）

對水庫周邊五種主要地物的光譜曲線進(jìn)行分析，植被在第二波段綠光波段反射率雖然與水體差異不大，但在第四波段近紅外波段具有較高的反射率，和水體反射率形成較大反差；空地，建筑物和山體陰影的光譜曲線走勢與水體相似，但它們的綠光波段和近紅外波段反射率差值與水體相比均較小，歸一化差異水體指數(shù)NDWI是根據(jù)植被和水體在可見光和近紅外波段的波譜特點(diǎn)，利用綠與紅波段的數(shù)據(jù)構(gòu)建而成。該指數(shù)可以一定程度地抑制植被信息，突出水體信息，還可以有效地將水體與植被及山體陰影等信息區(qū)分開。

為了更好提取水體信息，可以借助GF_1衛(wèi)星的多光譜影像，將NDWI指數(shù)作為提取水庫區(qū)域信息的分類依據(jù)。利用ENVI的Band Math工具輸入NDWI的計(jì)算公式：

式中：b2對應(yīng)綠光波段，即高分影像的第二波段；b4對應(yīng)近紅外波段，即高分影像的第四波段。計(jì)算所得NDWI影像結(jié)果，通過密度分割設(shè)定閾值將水體信息突出顯示，在ARCMAP中運(yùn)用柵格轉(zhuǎn)矢量（Raster to polygon）工具將水庫水面面積提取，得到最終水體提取結(jié)果。

2.2.2相關(guān)性分析

庫區(qū)地形環(huán)境復(fù)雜，受到多方面因素的影響，但最終會直觀反映到水庫水位，水面面積和蓄水量的變化上，因此，水庫的水位、水面面積和庫容量之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性，在一定情況下，可以通過上述三個(gè)因素的實(shí)際觀測值，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建關(guān)系模型，在實(shí)際應(yīng)用中較好地反映出三者之間的關(guān)系曲線。

3研究結(jié)果

3.1基于遙感數(shù)據(jù)水庫面積信息提取

根據(jù)上述研究方法和操作流程圖，本文將丹江口水庫的21幅遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了水面面積提取，圖2為局部水面面積提取效果，其中藍(lán)色區(qū)域是水體，可以看到水體與非水體界限明顯。為了驗(yàn)證結(jié)果的精確性，本文在ARCGIS中對每一期影像水體提取矢量結(jié)果分別隨機(jī)選取500到600個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將分類正確的點(diǎn)屬性值設(shè)為1，錯誤點(diǎn)設(shè)為0，最后統(tǒng)計(jì)正確點(diǎn)所占比例，正確率均在97%左右，滿足研究所需。圖3列出丹江口水庫8個(gè)不同時(shí)期的水面面積提取結(jié)果，可以看出在中線工程正式供水伊始，即2014年的11月、12月，為了保證供水量，水庫水面面積保持較高水平，隨后幾個(gè)月面積逐漸減少，到2015年的10月下旬，第一個(gè)調(diào)度年即將結(jié)束之時(shí)，水面面積已明顯縮小。

3.2水面面積-水位-蓄水量相關(guān)性分析

根據(jù)庫區(qū)水面面積提取結(jié)果以及對應(yīng)時(shí)期的水位以及蓄水量數(shù)據(jù)，繪制水面面積-水位，水面面積-蓄水量及水位-蓄水量三對變量在時(shí)間跨度上變化趨勢的組合折線圖，（見圖4）。從圖中可判斷出2014年的10月到2016年1月初南水北調(diào)中線工程第一個(gè)調(diào)度年前后，丹江口水庫的水位，面積以及蓄水量的變化由緩慢下降向平穩(wěn)趨勢過渡，且三者之間相關(guān)關(guān)系明顯。為了精確評價(jià)三對變量間的相關(guān)關(guān)系，將水位，水面面積，蓄水量三個(gè)變化因子兩兩輸入到SPSS軟件中進(jìn)行相關(guān)性分析，研究表明：水位-蓄水量、水面面積-水位以及水面面積-蓄水量三對變量間在a=0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.999，0.988，0.985（見表2）。

3.3面積-水位-蓄水量關(guān)系模型構(gòu)建

為了進(jìn)一步研究水面面積-水位，蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的定量關(guān)系，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上對三對變量的關(guān)系做回歸分析，將水庫水位和蓄水量作為白變量進(jìn)行曲線估計(jì)，經(jīng)過多次擬合研究驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)水面面積-水位一次線性關(guān)系明顯，決定系數(shù)R²達(dá)到0.976；蓄水量-水位在2次曲線關(guān)系上擬合最好，決定系數(shù)為0.999；而水面面積-蓄水量則在三次曲線關(guān)系上擬合程度最高，決定系數(shù)為0.980（見圖5）。

根據(jù)曲線的擬合結(jié)果，可以得到三對變量模擬曲線的相關(guān)參數(shù)（表3），求出水庫水面面積-水位，通過擬合獲得的曲線方程式精確度較高，可以在一定誤差范圍內(nèi)模擬三個(gè)變量測量結(jié)果。本文水位數(shù)據(jù)可以直接獲得，因此擬合方程優(yōu)先將水位數(shù)據(jù)作為自變量研究，得到三個(gè)回歸方程，分別見式（2）-式（4）。

根據(jù)上述三個(gè)擬合公式，只要已知三個(gè)變化因素之中的一個(gè)變量，就可以推算出其他兩個(gè)未知變蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的擬合曲線方程，其中每個(gè)方程的未知系數(shù)均達(dá)到精度要求，因此量的近似值。其中，水位數(shù)據(jù)可以在實(shí)際中直接觀測，而蓄水量數(shù)據(jù)也可通過水位-蓄水量曲線反推出來，因此水位-水面面積關(guān)系曲線可以間接反映水面面積與蓄水量的關(guān)系，因此為了評價(jià)監(jiān)測丹江口水庫首個(gè)調(diào)度年前后庫區(qū)的水面面積和蓄水量變化，本文把收集到的庫區(qū)對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)每日的水位數(shù)據(jù)代入到擬合公式中，在一定誤差范圍內(nèi)推算研究庫區(qū)在壩高增加以后的水面面積信息，結(jié)合已有對應(yīng)水位下的蓄水量數(shù)據(jù)，可以有效反映和預(yù)測庫區(qū)水面面積及蓄水量的變化范圍和趨勢。需要注意的是，水庫的壩頂高度決定著水庫的蓄水能力，因而也會牽制水位和水面面積的變化，因此，本文研究所得擬合公式只適用于在水庫壩高為176.6 m并且?guī)烊菪螒B(tài)變化一定的情況下使用，該關(guān)系并不能滿足所有水庫形態(tài)下的水面面積、水位、蓄水量變化。endprint

3.4研究結(jié)果應(yīng)用分析

通過對21個(gè)不同時(shí)期的丹江口水庫的面積提取，結(jié)合對應(yīng)時(shí)期的水位和蓄水量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了水面面積-水位，蓄水量-水位以及水面面積-蓄水量的關(guān)系模型。依據(jù)此關(guān)系模型，可以監(jiān)測丹江口水庫近期水面面積變化，從而測算出水面面積變化對水庫周邊地區(qū)的影響范圍；同時(shí)，也可通過此模型評價(jià)水庫通水一年來每天可調(diào)水量變化幅度以及是否滿足供水要求。

將2014年10月5日至2016年5月5日的蓄水量數(shù)據(jù)代入模型中（式（4））得到2014年至2016年水庫正式通水前后庫區(qū)水面面積變化。如圖6，丹江口水庫研究區(qū)域在首個(gè)調(diào)度年前后面積的變化范圍是650～830 km²，對應(yīng)時(shí)間為2014年11月1日研究庫區(qū)水面面積達(dá)到最大，2015年11月5日水面面積達(dá)到最小值，直接影響范圍達(dá)到將近180km²。通過對影像結(jié)果的對比分析（可參考圖3），水面面積的變化敏感區(qū)域主要位于河南省淅川縣內(nèi)的丹江口庫區(qū)以及湖北省老河口市和谷城縣交界處的漢江下游地區(qū)，整體水面會有明顯縮減。而且從圖中也可以看到2015年內(nèi)面積的變化基本以月為間隔，依次呈現(xiàn)出增大然后減小的波動性變化，這可能受到水庫供水周期變化的影響。從整個(gè)時(shí)間跨度上丹江口水庫水面面積在2015年內(nèi)表現(xiàn)緩慢波動性減小的趨勢，到2016年開始趨于平穩(wěn)。但庫區(qū)在水量調(diào)節(jié)作用下水面面積變化整體較穩(wěn)定，不會對周邊環(huán)境造成較大沖擊。

水庫蓄水量首個(gè)調(diào)度年內(nèi)的變化范圍在141.70～204.10億m³內(nèi)波動。為了評價(jià)首個(gè)調(diào)度年內(nèi)水庫是否滿足供水條件，利用關(guān)系模型計(jì)算得到水庫在死水位線上的理論蓄水量為125億m³，由此可得每天可調(diào)水量，如圖7?？晒┧孔兓秶?6.53～78.93億m³內(nèi)。由于社會經(jīng)濟(jì)的需要，近期年均調(diào)水量95億m³，調(diào)水計(jì)劃從時(shí)間跨度可分為汛期和非汛期，受水區(qū)非汛期調(diào)度期為11月至次年4月，汛期為5月至10月。由供水量圖可看出水庫在非汛期可供水量較大，汛期供水量整體降低。說明研究時(shí)段內(nèi)水庫的蓄水量滿足向外正常供水的基本條件，保證庫區(qū)年均調(diào)水95億m³計(jì)劃的實(shí)施。但在同一時(shí)間段內(nèi)，可調(diào)水量和受水區(qū)所需水量并不是完全匹配，2016年1月份水庫可供水量明顯比2015同期可供水量有所下降，因此對于第二個(gè)調(diào)度年的調(diào)水計(jì)劃需要做出相應(yīng)的調(diào)整以保證受水區(qū)用水的合理分配。

4結(jié)論與討論

在丹江口水庫向北方正式調(diào)水以來，水面面積-蓄水量-水位之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性和依賴性；根據(jù)構(gòu)建的關(guān)系模型能夠推算出庫區(qū)正式通水前后庫區(qū)面積變化，自從2012年壩頂高度抬高以后，水庫蓄水能力不斷刷新紀(jì)錄，在2014年10月到2015年11月首個(gè)調(diào)度年內(nèi)，庫區(qū)水面面積一直保持在650～830 km²的穩(wěn)定可控范圍內(nèi)。同時(shí)，通過計(jì)算死水位線下的理論蓄水量，可以看出庫區(qū)一年來的可調(diào)水量完全滿足年度調(diào)水計(jì)劃的需求。

第一個(gè)調(diào)度年已平穩(wěn)度過，可以將本文所得擬合曲線作為目前水庫形態(tài)下實(shí)時(shí)評價(jià)庫區(qū)調(diào)水狀況是否合理的參考標(biāo)準(zhǔn)，如果蓄水量、水位、水面面積之間能夠滿足上述擬合曲線關(guān)系，也可同時(shí)說明水庫維持在一個(gè)相對平衡的水量調(diào)節(jié)狀態(tài)。同時(shí)，水庫的形態(tài)同樣影響著庫區(qū)的蓄水能力，不同的壩高以及防御堤岸的變化也會反映出水位、水面面積、蓄水量之間不同的相關(guān)性，這也是研究需要考慮的一個(gè)因素。

作為中線工程調(diào)水源地，丹江口庫區(qū)的水源補(bǔ)給主要受到漢江及其支流丹江的影響。其調(diào)水系統(tǒng)不僅要對北方四省市及沿線地區(qū)的供水補(bǔ)給提供一定的保障，漢江中下游的防洪、作物灌溉、生活用水、環(huán)境、航運(yùn)以及發(fā)電等相關(guān)社會生產(chǎn)活動同樣對丹江口水庫的水量調(diào)節(jié)分配具有很強(qiáng)依賴性，水庫水位、面積以及蓄水量三個(gè)變量之間的關(guān)系是一定程度上受到人為制約后呈現(xiàn)的一種狀態(tài)，可以根據(jù)三者的曲線關(guān)系圖看出，它們之間并沒有呈現(xiàn)變化完全一致的態(tài)勢，因此中線工程調(diào)水并不能完全滿足北方供水區(qū)的規(guī)劃需水要求，是“以供定需的”系統(tǒng)。

對丹江口水庫的水位-面積-蓄水量三個(gè)變量之間關(guān)系研究可以幫助決策者宏觀把握庫區(qū)環(huán)境變化及供水情況。日后有望將GF_1衛(wèi)星的8 m多光譜數(shù)據(jù)和2 m全色影像數(shù)據(jù)融合提高水體分類精度，同時(shí)借助衛(wèi)星較高的時(shí)間分辨率（重訪周期4天），實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)精確觀測庫區(qū)信息，為庫區(qū)環(huán)境變化以及水量調(diào)度提供決策保障。endprint