國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在小浪底水庫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

許志輝 劉道芳 盧欣

摘 要：及時(shí)掌握小浪底水庫在不同水位運(yùn)用時(shí)的水域范圍和面積變化及水庫消落區(qū)地表附著物等情況，對(duì)于水庫調(diào)度和水庫管理具有重要意義。研究我國高分專項(xiàng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在小浪底水庫水域變化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并開展2017年小浪底水庫水域變化遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用，結(jié)果顯示：小浪底水庫水域面積2017年11月30日為230.61 km2，2017年7月13日為151.69 km2，水域面積增大78.92 km2，增大比例為52%;水庫消落區(qū)存在耕地等土地利用類型;庫區(qū)存在網(wǎng)箱養(yǎng)魚等漁業(yè)活動(dòng)。應(yīng)用表明，利用我國高分專項(xiàng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小浪底水庫水域范圍和面積變化，詳查水庫消落區(qū)地表附著物狀況，觀察庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚等情況，結(jié)合數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)可計(jì)算水庫蓄水量，為水庫調(diào)度和水庫管理提供信息支撐，提升水庫調(diào)度和水庫管理能力。

關(guān)鍵詞：水庫管理;水庫調(diào)度;遙感監(jiān)測(cè);水浪底水庫

中圖分類號(hào)：TV698.1;TP79 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.030

Abstract：The water coverage will change when Xiaolangdi Reservoir is operated at different water levels. It is significant for reservoir scheduling and reservoir management to timely collect data of water coverage and surface attachments of hydro-fluctuation zone. The technology and method of remote sensing monitoring in Xiaolangdi Reservoir was studied and the application of remote sensing monitoring was carried out in 2017. The water coverage area of Xiaolangdi Reservoir was 230.61 km2 on November 30， 2017， and 151.69 km2 on July 13， 2017， increasing 78.92 km2， with a ratio of 52%. And the surface attachments of hydro-fluctuation zone， as well as cage fish in the reservoir were monitored. The research and application prove that satellite remote sensing technology can dynamically monitor water coverage， surface attachments of hydro-fluctuation zone and the object of water administration such as cage fish， which provide technical support for reservoir scheduling and reservoir management.

Key words： reservoir management; reservoir scheduling; remote sensing monitoring; Xiaolangdi Reservoir

小浪底水庫是黃河干流三門峽以下唯一能夠取得較大庫容的控制性工程，以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電。水庫在不同水位運(yùn)用時(shí)，水域范圍和面積會(huì)發(fā)生變化，由此產(chǎn)生不同程度的自然影響和社會(huì)影響。及時(shí)掌握水域范圍和面積變化及水庫消落區(qū)地表附著物等情況，對(duì)于水庫調(diào)度和水庫管理具有十分重要的意義。當(dāng)前衛(wèi)星遙感技術(shù)快速發(fā)展，特別是隨著我國高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)（簡(jiǎn)稱高分專項(xiàng)）的實(shí)施，國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間分辨率和時(shí)間分辨率不斷提高，促進(jìn)了衛(wèi)星遙感技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用。高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星是高分專項(xiàng)系列衛(wèi)星的首發(fā)星，搭載2臺(tái)全色多光譜相機(jī)（PMS）、4臺(tái)寬幅多光譜相機(jī)（WFV），具有空間分辨率高、成像幅寬大和重訪周期短等特點(diǎn)。高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載2臺(tái)全色多光譜相機(jī)，具有亞米級(jí)空間分辨率和高定位精度等特點(diǎn)。筆者研究了小浪底水庫遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法，并采用高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星和高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)2017年小浪底水庫水域變化、消落區(qū)地表附著物、漁業(yè)活動(dòng)等開展遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用，為水庫調(diào)度和水庫管理提供信息支撐。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)域

小浪底水庫位于河南省洛陽市以北40 km的黃河干流上，控制流域面積69.4 萬km2，占黃河流域面積的92.3%。壩址所在地南岸為孟津縣小浪底村，北岸為濟(jì)源市蓼塢村，是黃河中游最后一段峽谷的出口。小浪底水庫大壩壩頂高程為281 m，正常高水位為275 m，庫容為126.5 億m3，淤沙庫容為75.5 億m3，長(zhǎng)期有效庫容為51.0 億m3，死水位為230 m，設(shè)計(jì)汛限水位為254 m。

研究區(qū)域從三門峽水庫大壩到小浪底水庫大壩，河長(zhǎng)130 km，覆蓋小浪底水庫。

1.2 數(shù)據(jù)源

（1）水域變化監(jiān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采集2017年11月30日和2017年7月13日的高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星數(shù)據(jù)分別作為高水位期和低水位期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）消落區(qū)本底衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采集2017年7月19日的高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)和2017年6月2日的高分一號(hào)（GF-1）衛(wèi)星數(shù)據(jù)作為消落區(qū)本底監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)及相應(yīng)時(shí)間的水情數(shù)據(jù)見表1。

2 監(jiān)測(cè)方法研究

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）水域范圍和變化。利用中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不同水位水域范圍和面積，形成水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果。將水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果與庫區(qū)淹沒樁、等高線等水利專題及基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，直觀地展現(xiàn)水域范圍和變化情況。

（2）消落區(qū)地表附著物。水庫消落區(qū)是一個(gè)特殊地帶。利用米級(jí)或亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，詳查消落區(qū)地表附著物狀況，獲取耕地分布、面積和種植作物等情況。

（3）水政關(guān)注對(duì)象。庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚、棄渣以及違建活動(dòng)等是水政監(jiān)察需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置的對(duì)象。利用米級(jí)或亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測(cè)庫區(qū)重點(diǎn)部位，獲取庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚、棄渣以及新增建筑物、構(gòu)筑物等水政關(guān)注對(duì)象的具體情況。

（4）蓄水量。水位和蓄水量是水庫調(diào)度運(yùn)用的重要決策依據(jù)。在水庫處于低水位期，利用衛(wèi)星遙感立體成像技術(shù)采集庫區(qū)立體影像，生成庫區(qū)三維地面模型（DEM），與水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果集成，采用空間計(jì)算技術(shù)計(jì)算不同水位之間水庫蓄水量，建立基于遙感技術(shù)的水庫水位—面積—蓄水量關(guān)系曲線。

2.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究主要涉及正射校正、影像融合等衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理。

（1）正射校正。獲取不同時(shí)間、不同類型的衛(wèi)星數(shù)據(jù)必須具有一致的地理坐標(biāo)和準(zhǔn)確的地理位置，這是形成可靠的水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果的基礎(chǔ)。對(duì)獲取的各類衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和正射校正等處理，保證衛(wèi)星數(shù)據(jù)地理位置精準(zhǔn)。

（2）影像融合。高分一號(hào)（GF-1）和高分二號(hào)（GF-2）等衛(wèi)星上均搭載全色多光譜相機(jī)（PMS），可同時(shí)獲取較高分辨率的全色衛(wèi)星數(shù)據(jù)和較低分辨率的多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用適合的影像融合方法將全色衛(wèi)星數(shù)據(jù)與多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，生成高分辨率多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以利于遙感解譯工作。研究中采用NNDiffuse Pan Sharpening方法進(jìn)行影像融合。

2.3 信息提取與解譯

2.3.1 水域范圍提取

水邊線是水域變化遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵性成果，水邊線的準(zhǔn)確程度決定著水域變化遙感監(jiān)測(cè)精度和應(yīng)用效果。通常水邊線提取有人工目視解譯和計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取兩種方式。小浪底水庫庫灣、庫汊較多，水陸邊界蜿蜒曲折，靠人工目視解譯耗時(shí)費(fèi)力，無法做到水邊線快速提取。由于水庫水體泥沙含量少，水體對(duì)近紅外波段產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，在近紅外波段衛(wèi)星數(shù)據(jù)上水陸邊界清晰，因此采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取技術(shù)快速準(zhǔn)確地提取水邊線成為可行的選擇。計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取水邊線關(guān)鍵技術(shù)包括水體二值圖像生成和柵格圖像轉(zhuǎn)換成矢量水邊線。水體二值圖像生成采用近紅外單波段閾值法或歸一化水體指數(shù)法（NDWI）[1]。柵格圖像轉(zhuǎn)換成矢量水邊線需要利用柵矢轉(zhuǎn)換和曲線平滑等圖形圖像處理技術(shù)。

2.3.2 消落區(qū)地表附著物詳查

小浪底庫區(qū)土地利用調(diào)查將土地利用分為耕地、園地、林地、牧草地、居民點(diǎn)及工礦占地、交通占地、水域和未利用土地等8個(gè)一級(jí)類型[2]，按照這一劃分標(biāo)準(zhǔn)，消落區(qū)主要分布著耕地、林地、牧草地、水域和未利用地等，其中耕地種植受水漲水落影響較大。根據(jù)小浪底庫區(qū)的自然地理?xiàng)l件和種植習(xí)慣，每年6月下旬至9月末種植玉米等秋收作物，10月初至翌年6月初種植小麥等夏收作物[3-4]。

小浪底水庫汛期水位低，非汛期水位高，即夏秋季水位低、冬春季水位高。按照防汛要求，小浪底水庫水位將在汛前降至汛限水位以下，整個(gè)汛期嚴(yán)格控制水位運(yùn)用，前汛期（7月1日—8月31日）汛限水位為230 m，后汛期（9月1日—10月31日）汛限水位為248 m[5]。綜合水庫運(yùn)用規(guī)律、作物種植特點(diǎn)以及水庫調(diào)度情況，采集7月底和10月底米級(jí)或亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用人工目視解譯方式，室內(nèi)作業(yè)與野外驗(yàn)證相結(jié)合，解譯耕地分布、面積和種植作物等信息。

2.3.3 水政關(guān)注對(duì)象觀測(cè)

綜合利用當(dāng)前各類高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)庫區(qū)開展動(dòng)態(tài)觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各類違禁違規(guī)活動(dòng)和現(xiàn)象。采用人工目視解譯方式，室內(nèi)作業(yè)與野外驗(yàn)證相結(jié)合，解譯網(wǎng)箱養(yǎng)魚、棄渣及新增建筑物、構(gòu)筑物等水政關(guān)注對(duì)象信息。

2.3.4 蓄水量計(jì)算

利用水邊線與庫區(qū)三維地面模型（DEM）融合生成庫區(qū)水面高程模型（waterDEM），生成水庫水深分布圖、計(jì)算不同水位之間水庫蓄水量。主要技術(shù)思路是根據(jù)水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果（水邊線），提取其所在位置的高程信息，采用克里金（Kriging）等內(nèi)插方法生成庫區(qū)水面高程模型，然后由庫區(qū)水面高程模型和三維地面模型計(jì)算蓄水量等[6]。

Depthi=waterDEMi-DEMi（1）

式中：Depthi為第i個(gè)格網(wǎng)的水深，Depthi≥0表示淹沒區(qū)及邊界，Depthi<0表示網(wǎng)格處于未淹沒區(qū);waterDEMi為第i個(gè)格網(wǎng)的水面高程;DEMi為第i個(gè)格網(wǎng)的地面高程。

VQ=Spix∑ni=1Depthi（2）

式中：VQ為蓄水量;Depthi為第i個(gè)格網(wǎng)的水深，若Depthi<0，則賦予Depthi=0;Spix為格網(wǎng)的面積。

2.4 套繪分析

在GIS支持下，利用空間分析技術(shù)，將水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果、遙感解譯成果、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)進(jìn)行套繪分析，獲取不同水位之間水域范圍和面積變化信息，不同水位之間、不同行政區(qū)域內(nèi)的消落區(qū)地表附著物信息，以及不同行政區(qū)域內(nèi)水政關(guān)注對(duì)象等信息。

2.5 成果展現(xiàn)

2.5.1 專題制圖

各類專題圖是遙感監(jiān)測(cè)成果最直觀的表達(dá)形式。小浪底水庫遙感監(jiān)測(cè)可形成水域變化監(jiān)測(cè)時(shí)序成果、消落區(qū)地表附著物詳查成果、網(wǎng)箱養(yǎng)魚等水政關(guān)注對(duì)象觀測(cè)成果等多種專題圖。在GIS支持下，利用制圖表達(dá)技術(shù)，可制作主題鮮明、主要監(jiān)測(cè)目標(biāo)突出的各類專題圖件。

2.5.2 報(bào)表統(tǒng)計(jì)

按照水位、行政區(qū)劃等，統(tǒng)計(jì)不同水位之間水域面積及變化信息，不同水位之間、不同行政區(qū)域內(nèi)的消落區(qū)地表附著物信息，以及不同行政區(qū)域內(nèi)水政關(guān)注對(duì)象等信息，制作層次分明、信息突出的各類監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

2.5.3 系統(tǒng)應(yīng)用

開發(fā)小浪底水庫遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，以智能手機(jī)為主要載體，將各類遙感監(jiān)測(cè)成果與“黃河一張圖”聚合發(fā)布，推送到智能手機(jī)應(yīng)用端，同時(shí)集成智能手機(jī)的移動(dòng)定位功能，在智能手機(jī)端實(shí)現(xiàn)各類遙感監(jiān)測(cè)成果專題圖可看、監(jiān)測(cè)目標(biāo)屬性可查、現(xiàn)場(chǎng)可定位等便捷化查詢查看和定位應(yīng)用。

小浪底水庫遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)路線見圖1。

3 監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

（1）水域變化。2017年7月27日8時(shí)，小浪底水庫出現(xiàn)2017年最低水位（237.77 m）、最小蓄水量（18.99 億m3）。2017年8月下旬以后，上游來水充足，小浪底水庫水位一直處于上漲過程，至2017年12月1日8時(shí)，小浪底水庫出現(xiàn)2017年最高水位（267.59 m）、最大蓄水量（76.47 億m3），這也是2015年3月12日以來出現(xiàn)的最高水位和最大蓄水量。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，小浪底水庫水域面積2017年11月30日為230.61 km2，2017年7月13日為151.69 km2，水域面積增大78.92 km2，增大比例為52%，其中庫區(qū)北岸毫清河、允西河、西陽河、逢石河和南岸畛河等支流河口水域面積增加較大。圖2為小浪底水庫水域變化遙感監(jiān)測(cè)專題圖。

（2）消落區(qū)地表附著物。2017年6月2日和2017年7月19日高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示，在消落區(qū)存在耕地等土地利用類型。耕地有兩個(gè)明顯分布區(qū)域：一是在坡度較緩區(qū)域存在梯田，二是在庫區(qū)北岸允西河、毫清河和南岸畛河等支流河口河漫灘區(qū)域存在川地。這些耕地在水庫高水位時(shí)處于淹沒狀態(tài)，低水位時(shí)出露。

（3）漁業(yè)活動(dòng)。小浪底水庫漁業(yè)活動(dòng)的主要方式有捕撈、網(wǎng)箱養(yǎng)魚、增殖放流、圍欄養(yǎng)魚等，現(xiàn)在庫區(qū)已有數(shù)目較為龐大的捕撈隊(duì)伍[7]。根據(jù)養(yǎng)殖需要，所設(shè)置的養(yǎng)魚網(wǎng)箱包括6 m×6 m、6 m×7 m、7 m×7 m、7 m×10 m、10 m×10 m、10 m×15 m、15 m×20 m、20 m×20 m等多種規(guī)格[8]。在庫區(qū)靠岸水域存在較多抬網(wǎng)捕魚情況;在北岸某支流河口存在兩處養(yǎng)魚網(wǎng)箱，分別由10 m×10 m、10 m×15 m規(guī)格的網(wǎng)箱組合而成。上述情況在2017年7月19日的高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)上顯示明顯。

3.2 精度驗(yàn)證

遙感監(jiān)測(cè)成果精度采用兩種方式驗(yàn)證：①與實(shí)地情況比對(duì)。2017年11月下旬小浪底水庫處于高水位運(yùn)行時(shí)，有關(guān)部門進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，在庫區(qū)北岸古城鎮(zhèn)和南岸支流畛河河口畛河新村等地觀察到的水邊線位置與從2017年11月30日衛(wèi)星數(shù)據(jù)上提取的水邊線位置一致。②不同時(shí)間衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果比對(duì)。比較2017年11月30日和2017年7月13日兩期衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的水邊線可知，在進(jìn)水塔位置兩期水邊線能夠準(zhǔn)確重合，而在堆石壩位置2017年11月30日的水邊線更加接近壩頂。究其原因，進(jìn)水塔是垂直建筑物，水庫水位上升時(shí)水體在進(jìn)水塔位置只會(huì)在垂直方向上升高，而堆石壩迎水面具有一定坡度，水庫水位上升時(shí)水體在堆石壩位置除了在垂直方向上升高外，還會(huì)向水平方向上擴(kuò)展，遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確反映了這一客觀特點(diǎn)。上述情況都驗(yàn)證了遙感監(jiān)測(cè)成果的可靠性。

4 結(jié) 語

（1）利用國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)小浪底水庫水域范圍和面積變化，詳查水庫消落區(qū)地表附著物狀況，觀測(cè)庫區(qū)網(wǎng)箱養(yǎng)魚、棄渣等水政關(guān)注對(duì)象，為水庫調(diào)度和水庫管理提供技術(shù)支撐。

（2）遙感與數(shù)字地面高程數(shù)據(jù)集成應(yīng)用，能夠計(jì)算不同水位對(duì)應(yīng)的水庫蓄水量。

（3）建立小浪底水庫遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)，開展小浪底水庫常態(tài)化遙感監(jiān)測(cè)作業(yè)，能夠提升水庫調(diào)度和水庫管理能力。

（4）利用光學(xué)衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)庫區(qū)生態(tài)環(huán)境變化和水質(zhì)情況，利用雷達(dá)衛(wèi)星干涉測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)大壩沉降和變形，是今后值得研究和應(yīng)用的方向。

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【責(zé)任編輯 張華巖】