基于遙感數(shù)據(jù)的東平湖面積變化監(jiān)測(cè)

王瑤瑤,譚秀翠,董 潔,徐新華,張 鳳

山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018

東平湖是山東省第二大淡水湖，是南水北調(diào)東線工程的必經(jīng)之路，有著及其重要的防洪、生態(tài)調(diào)蓄等功能。因此，對(duì)東平湖的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)及時(shí)掌握其水面面積的變化趨勢(shì)就顯得尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外多運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)水面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以勘察到人們難以實(shí)地考察的地方，提高了效率與質(zhì)量同時(shí)也提高了研究成果的可靠性與準(zhǔn)確性。McFeeters SK[1]提出的NDWI 法是提取水面面積普遍應(yīng)用的方法，但在結(jié)果中多混雜著許多非水體信息，特別是提取山區(qū)水體時(shí)，會(huì)混有山區(qū)陰影，因此會(huì)導(dǎo)致水面面積比真值偏大；徐涵秋[2]提出的MNDWI 法能揭示水體的細(xì)微特征，容易區(qū)分陰影與水體，相較于NDWI 法更能揭示水體的細(xì)微特征，在提取城鎮(zhèn)水體時(shí)更有優(yōu)勢(shì)；曹榮龍[3]提出的RNDWI 法比MNDWI 法的精度更高，能夠準(zhǔn)確提取狹窄條狀水體，更好地區(qū)分水陸邊界；丁志雄[4]通過(guò)遙感技術(shù)將水庫(kù)水位面積曲線表示出來(lái)，進(jìn)而可以通過(guò)此曲線進(jìn)行插值計(jì)算求出水面面積；李景剛[5]運(yùn)用歸一化植被指數(shù)（NDVI）以及閾值法提取洞庭湖的水面，但是未能提取出細(xì)條河網(wǎng)；Feyisa GL,et al.[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)不斷提高水面提取精度的指標(biāo)，引入了一種自動(dòng)提取水面指數(shù)（AWEI）法，相對(duì)于MNDWI 法可以更加準(zhǔn)確地提取水體邊界；都金康[7]利用SPOT 影像為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用決策樹分類的方法進(jìn)行水體的提??；Yao FF,et al.[8]結(jié)合了一個(gè)新的水指數(shù)和一個(gè)建筑陰影檢測(cè)，提出了一種高分辨率的水指數(shù)(HRWI)法，有效地區(qū)分了陰影建筑與水體，可以在復(fù)雜的環(huán)境條件下提取城市地表水的面積；Yang YH,et al.[9]將水體指數(shù)與改進(jìn)的FCM 相結(jié)合提取水面；Jawak SD,et al.[10]利用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行水面提?。魂愒坪11]利用一種新的提取水體的指數(shù)（AWEI），同時(shí)此指數(shù)還有對(duì)濕地進(jìn)行有效提取的功能；Fisher A,et al.[12]對(duì)多種水體指數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確性的評(píng)估。以上作者多注重于水體與其他地物界線的提取，而本文則是利用Landsat4-5 衛(wèi)星圖片，提取有效的水體面積，包括細(xì)小的條狀水體，有效地利用水資源，從而提出了計(jì)算簡(jiǎn)便、高精度的波段加和法，用來(lái)提取東平湖的水面面積，并與其他三種常用計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示是可行的。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)源

東平湖地處黃河下游，其位置處于北緯35°43′～36°7′，東經(jīng)116°2′～116°20′，東平湖主要注入河流是大汶河，大汶河由東平縣城西北入東平湖老湖，經(jīng)過(guò)東平湖的調(diào)蓄之后流入黃河，因此大汶河和老湖區(qū)屬黃河流域，新湖區(qū)微向南傾斜，屬淮河流域。東平湖位于東平縣境西部，北接清河口門，南達(dá)金線嶺圍堤，其西面則是濟(jì)梁運(yùn)河，東面與鳳凰山、黃花園、州城、吳桃園等村鎮(zhèn)相望。位于黃河、京杭大運(yùn)河和汶河的交匯處，它不僅對(duì)黃河下游防洪安全起著非常重要的作用[13]，而且還是南水北調(diào)工程極為重要的調(diào)蓄區(qū)。東平湖位置圖見圖1，其中紅色圈出的范圍是東平湖的研究區(qū)域。

圖1 東平縣示意圖Fig.1 Dongping County map

由相關(guān)資料得知，全國(guó)大部分地區(qū)5～9 月豐水期、12～2 月枯水期，其余平水期。一般來(lái)說(shuō)湖面面積是平水期的標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http：//www.gscloud.cn)，數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為1985 年10 月份、1990 年10 月份、1995 年10 月份、2005 年10 月份，均為平水期數(shù)據(jù)。但2000 年和2010 年無(wú)平水期數(shù)據(jù)，采用的是2002 年10 月份及2009 年10 月份的數(shù)據(jù)。

2 研究方法

利用波段融合圖像準(zhǔn)確的判斷地物，同時(shí)結(jié)合提取的波段值，觀察水體、灘涂地與植被、河漫灘波段值相差最大的波段，但同時(shí)也為使差別更加明顯，于是選擇地物波段值相差較大的兩個(gè)波段的加和來(lái)提取和計(jì)算水面面積。數(shù)據(jù)源是由Landsat4-5TM 衛(wèi)星提供，采用453 波段融合，可以明顯地看出水體的分布位置[14]，同時(shí)可將水體與植被等地物的狀況很好地體現(xiàn)在波段融合圖中，從而更加有效地提取東平湖的水面面積。下面將1985、1990、1995、2002、2005、2009 年這六年波段值分布情況介紹如下。

圖2 1985 年不同地物波段值分布Fig.2 Fig.2 Distribution of different feature bands in 1985

圖3 1990 年不同地物波段值分布Fig.3 Fig.3 Distribution of different feature bands in 1990

圖4 1995 年不同地物波段值分布Fig.4 Fig.4 Distribution of different feature bands in 1995

圖5 2002 年不同地物波段值分布Fig.5 Distribution of different feature bands in 2002

圖6 2005 年不同地物波段值分布Fig.6 Distribution of different feature bands in 2005

圖7 2009 年不同地物波段值分布Fig.7 Distribution of different feature bands in 2009

本論文中將水體與灘涂地作為東平湖的水面面積進(jìn)行研究，從圖2 中可以看出，當(dāng)利用波段4和5 的和作為閾值時(shí)，水體、灘涂地與河漫灘不能明顯的分開，會(huì)有小部分的河漫灘被誤認(rèn)為水體，因此1985 年計(jì)算的東平湖水面面積偏大。

從圖3 至圖7 中可以看出，水體、灘涂地可以與植被明確的分開，水體與河漫灘在4、5 波段的值，明顯比其他地物的小，為提高地物之間波段值的差距，將4、5 波段的和作為閾值，從而將波段加和法總結(jié)出來(lái)，其公式如下：閾值=NIR+MIR(1)

其中NIR代表近紅外波段，MIR代表中紅外波段，分別是Landsat4-5 影像中4 波段和5 波段。

利用ERDAS 軟件的Raster 工具，通過(guò)4、5、3 波段的數(shù)據(jù)融合，得到東平湖及其附近地區(qū)圖像，從而更加清晰地看到東平湖水面面積的變化情況，輔助我們判斷東平湖水面。

圖8 不同時(shí)期東平湖水域波段融合數(shù)據(jù)結(jié)果（T453）Fig.8 Results of wideband fusion data of Dongping Lake at different periods（T453）

圖8 中紅色線所包圍的面積即為研究區(qū)域。在東平湖研究區(qū)域內(nèi)，根據(jù)圖像來(lái)確定提取東平湖面積的閾值，但在1985 年出現(xiàn)含水量較少的河漫灘與水體閾值相近，無(wú)法將此非水體部分提取出來(lái)，因此1985 年提取的東平湖的水面面積偏大。1990～2002 年，水面面積的減少主要是由于研究區(qū)域的東平湖的東部的細(xì)小條狀水體退化，以致東平湖的水面面積呈減少趨勢(shì)。2002 年到2009 年，東平湖水面面積有所增加，但水面面積總體呈緩慢減少的趨勢(shì)。運(yùn)用波段加和法的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 波段加和法提取的東平湖水面面積（km2）Table 1 Water surface area of Dongping Lake extracted by band addition method

從表1 中可知，東平湖的水面面積總體呈下降趨勢(shì)，這樣對(duì)東平湖的水環(huán)境相當(dāng)不利，應(yīng)及時(shí)找準(zhǔn)問(wèn)題根源，采取措施，避免湖泊水環(huán)境的進(jìn)一步惡化。

3 幾種方法的對(duì)比分析

下面利用歸一化差異水體指數(shù)（NDWI）法、改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）法[2,15]、修訂型水體指數(shù)（RNDWI）法[3,16]這三種方法，分別提取東平湖水面面積，并將三種方法所得出的水面面積與波段加和法進(jìn)行對(duì)比，以明確波段加和法的適用性，其具體的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 四種方法計(jì)算得到的東平湖水面（km2）Table 2 Water surface of Dongping Lake calculated by four methods

用NDWI 法時(shí)，在2002 年?yáng)|平湖水面面積最少為114.66 km2，在1985 年?yáng)|平湖水面面積最大為146.84 km2；用MNDWI 法時(shí)，在2002 年?yáng)|平湖水面面積最少為114.51 km2，在1985 年?yáng)|平湖水面面積最大為147.19 km2；用RNDWI 法時(shí)，在2002 年?yáng)|平湖水面面積最少為113.68 km2，在1985年?yáng)|平湖水面面積最大為146.71 km2；用波段加和法時(shí)，在2002 年?yáng)|平湖水面面積最少為115.06 km2，在1985 年?yáng)|平湖水面面積最大為145.22 km2，從以上結(jié)果可以看出，四種方法所得出的面積最大值及最小值出現(xiàn)的年份相同，誤差最大為7.27%。

下面將計(jì)算得到的東平湖水面面積繪成折線圖，如圖9 所示。

圖9 東平湖水面面積變化趨勢(shì)圖Fig.9 Trends in surface area of Dongping Lake

從圖9 中可知，4 種水面面積計(jì)算方法所得的東平湖水面面積總體均呈下降的趨勢(shì)。同時(shí)，將NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法所得的水面面積求取平均值與波段加和法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)誤差0.68%～7.27%，從而得出波段加和法較為精確的結(jié)論。并且，波段加和法更能準(zhǔn)確的提取含水量較少的狹窄水體區(qū)域，使水體與其他地物的區(qū)分邊界更加明顯直觀。下面以2009 年?yáng)|平湖的水面面積的提取情況為例，分析4 種提取水面面積方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖10 不同方法提取東平湖水面方法比較Fig.10 Comparison of different methods of water surface extraction from Dongping Lake

從圖10 可知，以2009 年提取的東平湖的水面面積為例，在a 圖中，利用NDWI 法提取的水面，東平湖的北部的狹窄水體并沒(méi)有提取出來(lái)，存在誤差；在b 圖中，運(yùn)用MNDWI 法提取面積，其湖泊北部的水體有了小部分的輪廓，水體邊界漸漸清晰；在c 圖中，用RNDWI 法提取水面面積，可以提取出局部的小區(qū)域的水體，邊界較為清晰；在d 圖中，運(yùn)用本論文中新提出的波段加和法，可以清晰的看出，東平湖北部的狹窄水體的輪廓已經(jīng)非常明顯，可以將含水量較少的水體區(qū)域與其他地物明顯的區(qū)分開來(lái)。

4 結(jié)論

（1）波段加和法算法簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，使過(guò)程快捷方便。同時(shí)，將三種方法的平均值與波段加和法得出的水面面積進(jìn)行對(duì)比，誤差為0.68%～7.27%，從而證明波段加和法較為精確的結(jié)論。波段加和法比NDWI 法、MNDWI 法、RNDWI 法更能準(zhǔn)確的提取含水量較少的狹窄水體區(qū)域，使水體與其他地物的區(qū)分邊界更加明顯直觀。

（2）從計(jì)算結(jié)果顯示，1985-2009 年的東平湖水面面積總體正在呈緩慢的下降趨勢(shì)，其水面面積主要的變化區(qū)域是東平湖的北部、東南部。需要有關(guān)部門加強(qiáng)重視，有效控制面源的污染，對(duì)水量、水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)東平湖生態(tài)濕地的管理，健全相應(yīng)的水法規(guī)，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。