多源數(shù)據(jù)協(xié)同在南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水中的應(yīng)用分析

李鳳生 馬澤生 郟 建

（淮河水利委員會水文局（信息中心） 蚌埠 233001）

1 引言

2013年10月至2014年8月，受多種氣候因素的影響，南四湖地區(qū)降水持續(xù)偏少，致使南四湖出現(xiàn)繼2002年之后最嚴(yán)重的干旱年。針對南四湖的旱情，2014年8月1日國家防總在北京召集淮河防總、山東省防汛抗旱總指揮部、江蘇省防汛抗旱指揮部、國務(wù)院南水北調(diào)辦公室等單位應(yīng)急會商，討論形成了2014年南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水方案，決定啟用新建成的南水北調(diào)東線工程從長江向南四湖實施生態(tài)應(yīng)急調(diào)水。通過計量分析，2014年南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水水量為8069萬m3，有效緩解了南四湖地區(qū)的嚴(yán)重旱情。本文針對南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水專題分析的需要，提出多源數(shù)據(jù)協(xié)同的應(yīng)用與分析方法，綜合利用多種來源的基礎(chǔ)資料，以遙感影像為主，通過遙感手段精確提取關(guān)鍵水位時期湖區(qū)內(nèi)的主要水體，并結(jié)合相關(guān)資料聯(lián)合分析，比較調(diào)水前后水體的變化情況，從宏觀層面直觀地反映生態(tài)應(yīng)急調(diào)水的效果。

2 研究區(qū)概況

南四湖位于山東省西南部濟(jì)寧市，鄰接江蘇省徐州市，由西北向東南延伸，形如長帶，湖盆淺平，北高南低，自北向南由南陽湖、獨山湖、昭陽湖和微山湖串連組成，為淮河流域第二大淡水湖，湖面面積1280km2。湖腰最窄處（昭陽湖中部）修建了二級壩樞紐工程，將南四湖一分為二，壩上為上級湖，壩下為下級湖。湖區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，微山、獨山、南陽等主要島嶼以及其他零星小島坐落其中，入湖河道在湖口段因泥沙淤積形成許多淺灘，此外湖內(nèi)還綜合交錯、不規(guī)則地分布著航道、船溝及埝埂等。

3 多源數(shù)據(jù)協(xié)同的分析方法

針對專題分析的需要，提出基于多源數(shù)據(jù)協(xié)同應(yīng)用的分析方法，其流程如圖1所示。以遙感影像分析技術(shù)為主線，首先利用氣象、水文資料和遙感影像存檔數(shù)據(jù)，查找并篩選出調(diào)水期間關(guān)鍵時點可用的遙感影像數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上開展影像研判工作，初步分析調(diào)水前后的水體變化情況；根據(jù)影像類型，通過水體提取實驗，選取合適的水體提取方法，提取出調(diào)水期間湖區(qū)內(nèi)水體系列數(shù)據(jù)；進(jìn)一步結(jié)合調(diào)水水量、水文、水位面積關(guān)系等資料分析水體提取的合理性，客觀地評價調(diào)水效果。

4 數(shù)據(jù)收集與初步分析

4.1 數(shù)據(jù)資料收集

山站水位。

圖1 南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水多源數(shù)據(jù)協(xié)同分析流程圖

圖2 調(diào)水期間RADARSAT-2系列影像圖

收集南四湖地區(qū)的氣象、水文、調(diào)水量、遙感影像、水位面積關(guān)系等資料。其中，遙感影像作為主要的應(yīng)用數(shù)據(jù)，將收集調(diào)水期間的系列遙感影像和歷史遙感影像，以雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為主，以中高分辨率的光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充。選擇雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，因為其采用主動微波遙感方式獲取數(shù)據(jù)，具有全天候、全天時的探測能力，對水體較為敏感，有利于在云雨天氣的不利天氣條件下進(jìn)行大范圍的水體監(jiān)測。

根據(jù)調(diào)水期間的天氣情況，按照最低生態(tài)水位、最低水位和調(diào)水前后等關(guān)鍵水位控制時點的要求，經(jīng)過查找和篩選，最低水位選用7月26日加拿大RADARSAT-2雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；并選用該衛(wèi)星8月28日的影像作為調(diào)水結(jié)束后的數(shù)據(jù)；最低生態(tài)水位選用8月15日中國高分一號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)；歷史遙感影像采用法國SPOT5衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。各類遙感影像數(shù)據(jù)的基本情況見表1，表中水位均為下級湖微

4.2 數(shù)據(jù)初步分析

（1）高分一號

下級湖的最低生態(tài)水位為31.05m，出現(xiàn)在水位下降過程中的7月13～14日，以及水位上漲過程中的8月12～14日。最低生態(tài)水位選用8月15日的高分一號WFV2光學(xué)遙感影像數(shù)據(jù)，分辨率16m，對應(yīng)下級湖水位為31.09m，高出最低生態(tài)水位0.04m。

但該影像受天氣影響很大，云層多且厚，對下墊面遮擋嚴(yán)重，透過云層仍能看到南四湖湖水面的基本情況。相對于雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，高分一號數(shù)據(jù)對于水體的敏感性較弱，分辨率較低，難以清晰地區(qū)分水體與非水體，湖中細(xì)窄的隔堤、埝埂等無法辨識，影像上都表現(xiàn)為水體，導(dǎo)致湖面水體面積偏大，無法與高分辨率的雷達(dá)數(shù)據(jù)疊合分析。

（2）RADARSAT-2數(shù)據(jù)

RADARSAT-2具有合成孔徑雷達(dá)的特性，粗糙的陸地表面反射回波較強(qiáng)，影像上表現(xiàn)為較高的亮度，而相對光滑的水體表面反射回波較少，在影像上亮度較低，表現(xiàn)為暗黑色?？紤]南四湖地區(qū)得地勢較為平坦，因而可忽略地形因素影響。利用RADARSAT-2衛(wèi)星影像可以方便地辨別水體和非水體，進(jìn)而提取出水體的分布范圍。

本次收集的RADARSAT-2數(shù)據(jù)采用extra-fine單極化模式，空間分辨率5m，幅寬125km×125km。7月26日影像（圖2-a）對應(yīng)下級湖水位為30.77m，比最低水位高0.02m，可作為最低水位時點的參照數(shù)據(jù)；8月28日影像（圖2-b）對應(yīng)下級湖水位31.22m，較8月25日調(diào)水結(jié)束時上漲0.01m，可作為調(diào)水結(jié)束時點的參照數(shù)據(jù)。

兩景RADARSAT-2影像都成像于南四湖水位相對較低的時期，水體中孤島較多，加之圖像分辨率較高，受到一定噪聲影響，黑色水體中表現(xiàn)出許多白色斑點。從兩景數(shù)據(jù)的初步對比來看，水位相差0.45m，水體分布的邊界總體上未發(fā)生顯著變化。但在細(xì)節(jié)部位，由于水位上漲，下級湖湖心區(qū)高程較低的隔堤被淹沒，原來獨立水體連入湖區(qū)，湖心水體面積有所增大，如圖3所示；湖區(qū)內(nèi)的部分航道河段，則由原來低水位時近干涸斷流的狀態(tài)，變?yōu)榍逦倪B通水體。

（3）SPOT5數(shù)據(jù)

SPOT5歷史影像作為幾何校正和對比分析的參照，是經(jīng)處理的近自然色影像，空間分辨率2.5m，成像日期為2013年10月23日，對應(yīng)下級湖水位33.73m，比調(diào)水前最低水位高出近3m，水體表現(xiàn)較為清晰，其分布范圍也比調(diào)水期間明顯大出很多。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)基本情況表

5 水體提取及分析

湖區(qū)內(nèi)的特殊地形導(dǎo)致水體分布極為復(fù)雜。結(jié)合本次調(diào)水工作實際，主要提取湖心、湖內(nèi)航道和京杭大運河等連通水體；隔堤及湖區(qū)內(nèi)其他獨立封閉的水體，受調(diào)水影響小，不參與提取分析計算。

目前，水體提取方法主要有水體指數(shù)法、譜間關(guān)系法、決策樹法、密度分割法、圖像分類法、比值法、閾值法及差值法等，其中采用水體指數(shù)法、譜間關(guān)系法與決策樹法等應(yīng)用較為成熟。

經(jīng)多次實驗，發(fā)現(xiàn)采用單波段閾值與構(gòu)建二叉決策樹的方法提取水體效果較好。首先利用遙感軟件進(jìn)行濾波運算，選擇增強(qiáng)型Lee濾波器（Enhance Lee Filter）消除影像上噪音斑點，增強(qiáng)圖像；然后參照SPOT5影像進(jìn)行幾何校正，使兩景RADARSAT-2影像精確地配準(zhǔn)到一起，以便疊加比對；選擇水體樣本訓(xùn)練區(qū)，統(tǒng)計獲取水體與非水體的分界閾值，利用二叉決策樹分類方法提取出水體范圍；最后在軟件提取結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工選取和修正，確認(rèn)最終的湖心水體，其分布情況見圖4。

在遙感影像提取的水體成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用GIS軟件分別計算出上級湖和下級湖的水體面積，結(jié)果如表2所示。將該計算結(jié)果與2014年版《淮河流域沂沭泗水系實用水文預(yù)報方案》中南四湖水位～面積曲線的查算面積進(jìn)行比對，分析遙感影像提取結(jié)果的合理性，以客觀地反映調(diào)水效果。

從表2中可以看出，提取面積均比預(yù)報方案中查算面積值偏小，主要因為此次影像分析僅提取了湖心及相關(guān)河道內(nèi)的連通水體，從而導(dǎo)致提取結(jié)果整體偏小。

圖3 最低水位時期和調(diào)水結(jié)束后RADARSAT-2對比圖

表2 南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水水體提取成果對比分析表

上級湖7月26日水體提取面積為269km2，比查算面積少72km2，偏少21.1%；8月28日提取結(jié)果為259km2，較查算面積少73km2，偏少21.9%。前后兩期數(shù)據(jù)的面積差值及偏差率都比較接近。

下級湖7月26日水體提取面積為182km2，比查算面積小30km2，偏少14.2%；8月28日提取結(jié)果為212km2，較查算面積少86km2，偏少28.9%。前后兩期數(shù)據(jù)的面積差值和偏差率相對較大。對比下級湖調(diào)水前后的水體空間分布情況，如圖5所示，在7月26日（圖5-a）和8月28日（圖5-b）兩個不同水位時，下級湖內(nèi)水體分布并未發(fā)生顯著變化，但水位上漲0.45m后，湖心主要水體發(fā)生變化，面積從182km2增加至 212km2，擴(kuò)大 30km2。

從數(shù)據(jù)對比分析的偏差情況來看，結(jié)合調(diào)水水量跟水位、面積變化之間的關(guān)系，水體提取的結(jié)果比較客觀合理。但跟預(yù)報方案中查算面積相比，本次遙感影像提取結(jié)果整體偏小，主要有三方面原因：（1）本次水體提取的特殊性，未包含湖區(qū)內(nèi)獨立封閉水體，導(dǎo)致整體結(jié)果偏小。（2）遙感影像基于2014年現(xiàn)狀成像拍攝，而預(yù)報方案中水位～庫容、面積關(guān)系曲線為20世紀(jì)70年代初的水下地形測繪成果編制，其相關(guān)關(guān)系已很難反映當(dāng)前下墊面的情況，尤其經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人類活動干預(yù)限制了湖心水體的范圍，下級湖尤為明顯，這是造成偏差的主要原因。（3）遙感影像的數(shù)據(jù)質(zhì)量、提取方法和水體分界閾值等諸多因素，也對遙感影像水體的提取結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

6 結(jié)論與展望

圖4 湖心主要水體分布對比圖

圖5 南四湖下級湖調(diào)水前后湖心水體分布情況對比圖

通過多源數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用，提取關(guān)鍵時點的水體，對調(diào)水前后、最低水位、最低生態(tài)水位等不同時間節(jié)點進(jìn)行分析計算，能夠客觀地反映調(diào)水前后湖區(qū)水體分布的真實情況。結(jié)果表明，調(diào)水結(jié)束后南四湖下級湖水面面積比最低水位時增加30km2，通過生態(tài)應(yīng)急調(diào)水，較短時間抬升了湖區(qū)水位，有效擴(kuò)大了湖區(qū)水面面積。

2014年南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水計量與分析工作，未能準(zhǔn)確獲取關(guān)鍵水位時刻點遙感影像，而采用了最近時點的存檔數(shù)據(jù)，對于大范圍的宏觀評價可以忽略影像資料時相上的差異，但對于局部地區(qū)精細(xì)化的評估應(yīng)用，將很難滿足精度要求。在今后類似的工作中應(yīng)盡早部署，及時獲取準(zhǔn)確時點的系列數(shù)據(jù)，以便更好地開展動態(tài)跟蹤監(jiān)測和精確評估分析。另外，本次分析工作主要采用了雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，隨著國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用，未來工作中基于國產(chǎn)高分的光學(xué)遙感影像，結(jié)合面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒▽⒅档锰剿骱蛧L試。

基于多源數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)用與分析，在南四湖生態(tài)應(yīng)急調(diào)水計量工作中取得良好成效。綜合利用多種類型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過水體系列資料的對比分析，不僅適用于類似應(yīng)急管理與響應(yīng)工作，也可進(jìn)行大范圍全過程的動態(tài)跟蹤監(jiān)測、事中預(yù)評估和事后精細(xì)評估，其數(shù)據(jù)協(xié)作與分析機(jī)制可為應(yīng)急或常態(tài)化應(yīng)用提供客觀真實的依據(jù)■