基于國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星全國地表水遙感監(jiān)測應(yīng)用

文 | 尤淑撐 劉克 杜磊 甘宇航 羅征宇

自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心

一、前言

地表水是人類賴以生存和社會發(fā)展中不可替代的戰(zhàn)略資源,全面掌握其空間分布特征，定期跟蹤其動態(tài)變化情況，對于提升水資源管理與保護水平，促進水資源合理開發(fā)利用，深化水循環(huán)和水平衡研究具有重要意義。

衛(wèi)星遙感具有客觀、宏觀、快速、及時等特點，在地表水調(diào)查與監(jiān)測方面具有重要優(yōu)勢，國外在利用衛(wèi)星遙感開展水資源調(diào)查與監(jiān)測方面開展了大量的研究和應(yīng)用工作，特別是利用美國陸地衛(wèi)星（Landsat）,歐洲哨兵衛(wèi)星（Sentinel）,美國冰、云和陸地高程衛(wèi)星（ICESat-1）數(shù)據(jù)在全球或區(qū)域尺度上的湖泊、河流、水庫、濕地等水資源調(diào)查監(jiān)測方面發(fā)布了很多成果，如Global Surface Water、THU Surface Water、THU FROM-GLC10、Global Lakes and Wetlands Database（GLWD）等[1-3]。國內(nèi)利用衛(wèi)星遙感在水資源調(diào)查監(jiān)測方面開展了很多研究及部分專題性或區(qū)域性應(yīng)用工作，但之前受限于國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)量和能力限制，全國性、大區(qū)域的衛(wèi)星遙感地表水資源調(diào)查及監(jiān)測業(yè)務(wù)化應(yīng)用還不多。

近年來隨著陸地遙感衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，尤其自2010年高分專項實施以來，高分衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射積累了海量遙感數(shù)據(jù)，隨著我國對地觀測體系不斷完善，逐步形成了立體、多維、高中低分辨率結(jié)合的全球綜合觀測能力，使得全國尺度、高頻次地表水監(jiān)測成為可能。當(dāng)前，我國陸地范圍2m分辨率衛(wèi)星影像云量小于20%,季度覆蓋率達90%以上，秦嶺—淮河一線以北地區(qū)基本可實現(xiàn)月度覆蓋，秦嶺—淮河一線以南多數(shù)地區(qū)基本可實現(xiàn)雙月度覆蓋，西南獲取困難區(qū)域基本可實現(xiàn)季度覆蓋，全國年度覆蓋率約99.8%；亞米分辨率衛(wèi)星影像季度覆蓋率約為30%～50%，年度覆蓋率約78.7%；16m分辨率覆蓋率約99.9%。

充分發(fā)揮高分衛(wèi)星遙感客觀、宏觀、快速等優(yōu)勢，構(gòu)建全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)體系，可為全面掌握我國地表水資源時空分布狀況、變化特征和發(fā)展趨勢提供基礎(chǔ)信息。本文探索了基于國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感的全國地表水衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)體系，建立了監(jiān)測技術(shù)方法流程，開展了2020年度全國十大江河流域1265條三級以上河流、相關(guān)聯(lián)的2128座水庫以及2953個1km2以上湖泊豐水期、枯水期監(jiān)測應(yīng)用試驗示范，為掌握我國地表水資源時空分布狀況、變化特征和發(fā)展趨勢提供了技術(shù)支撐，對提升自然資源治理能力水平和促進國產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感廣泛深入應(yīng)用具有重要意義。

二、監(jiān)測體系框架

本文以水資源保護和開發(fā)利用為目標，提出全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)體系框架（圖1）。該技術(shù)框架充分發(fā)揮自然資源衛(wèi)星遙感影像優(yōu)勢，建立高分辨率地表水資源遙感監(jiān)測本底數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)全國范圍河流、水庫、湖泊水面、水量、水位、流量變化監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上開展綜合監(jiān)測分析，為全面掌握全國地表水時空分布狀況、變化特征、變化原因和發(fā)展趨勢提供基礎(chǔ)信息。

圖1 全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)體系框架

針對不同區(qū)域、不同監(jiān)測對象，統(tǒng)籌獲取激光、光學(xué)、雷達等多源遙感影像，收集整理全國土地調(diào)查、地理國情監(jiān)測、濕地調(diào)查等行業(yè)專題數(shù)據(jù)。在開展數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，采用水體信息自動提取技術(shù)，水位、水量以及流量變化反演等技術(shù)手段，獲取江河湖庫塘等水資源要素的二維與三維信息，實現(xiàn)全國地表水高頻次、業(yè)務(wù)化監(jiān)測。

全國地表水資源遙感監(jiān)測的主要內(nèi)容包括：

1）全國地表水變化遙感監(jiān)測。以2m分辨率影像為主，對全國五級以上河流、5000m2以上湖泊、水庫以及1000m2以上坑塘進行豐水期和枯水期兩期監(jiān)測，水體監(jiān)測面積精度90%以上。

2）新增湖庫遙感監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)全國范圍5000m2以上新增湖泊、水庫，更新全國湖泊、水庫數(shù)據(jù)庫；針對新增人工湖泊開展持續(xù)追蹤監(jiān)測，為“圈水造湖”督察提供信息支撐。監(jiān)測頻次為每個季度1次，水體監(jiān)測面積精度90%以上。

3）主要湖泊長時序監(jiān)測。結(jié)合中國湖泊編目數(shù)據(jù)，對全國1km2以上湖泊進行數(shù)量和面積長時序變化監(jiān)測，根據(jù)數(shù)據(jù)情況基本監(jiān)測頻次為5年1次。

4）大型湖泊水量監(jiān)測。采用資源三號（ZY-3）、高分七號（GF-7）等衛(wèi)星立體觀測數(shù)據(jù)，生成全國10km2以上大型湖泊枯水期高精度數(shù)字地表模型（DSM）數(shù)據(jù)。結(jié)合中國湖泊編目數(shù)據(jù)，估算20世紀60年代以來水量變化情況；結(jié)合豐水期、枯水期每年兩期監(jiān)測數(shù)據(jù)，估算年內(nèi)豐水期、枯水期水量變化情況。

5）重要河流流量變化監(jiān)測。充分發(fā)揮資源三號和高分七號立體測圖優(yōu)勢，綜合利用機載激光雷達和地面水文站觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建河道三維立體模型，建立流量與三維河道關(guān)系模型，反演重要河段豐水期與枯水期的流量變化情況。

6）河湖岸線利用情況監(jiān)測?；?m分辨率影像，構(gòu)建自然和人工岸線分類體系，結(jié)合高精度地形數(shù)據(jù)、全國國土調(diào)查、地理國情監(jiān)測、自然資源常態(tài)化監(jiān)測數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)，開展全國湖泊岸線監(jiān)測，獲取自然、人工岸線長度、灘涂占用情況及變化信息。

7）重要流域水資源綜合監(jiān)測。重要流域水資源年度綜合監(jiān)測以2m分辨率影像為主，開展流域內(nèi)河流、湖泊、水庫、坑塘、濕地、冰川等水資源要素的范圍、面積、空間分布動態(tài)監(jiān)測；開展湖泊、水庫水量變化監(jiān)測；開展冰川厚度、體積和儲量變化監(jiān)測。

三、監(jiān)測技術(shù)方法

基于自然資源常態(tài)化遙感監(jiān)測，充分利用已有地表水遙感監(jiān)測資料，發(fā)揮多源多傳感器衛(wèi)星遙感技術(shù)優(yōu)勢，運用成熟的遙感智能解譯和反演技術(shù)，開展全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測。主要技術(shù)流程包括數(shù)據(jù)獲取、影像處理、專題信息提取、信息核實、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)分析、產(chǎn)品制作和應(yīng)用服務(wù)等（圖2）。

圖2 全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)路線

1.數(shù)據(jù)獲取與處理

收集整理第一季度、第三季度2m級衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，根據(jù)每日推送的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（GF-1、GF-1 B/C/D、GF-2、GF-6、ZY-3 01/02、GF-7等）篩選全國一版衛(wèi)星影像，進行正射糾正、融合等處理；收集整理重要流域1986年以來豐水期的Landsat、Sentinel等中分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，篩選形成歷史影像數(shù)據(jù)集，進行正射糾正、融合等處理；收集地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、全國國土調(diào)查數(shù)據(jù)、濕地調(diào)查數(shù)據(jù)、水利行業(yè)數(shù)據(jù)；按照監(jiān)測指標抽取水域要素中的河流、湖泊、水庫、坑塘信息，形成全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測對象數(shù)據(jù) ；收集整理開源地圖（OSM）數(shù)據(jù)、DSM數(shù)據(jù)、公報數(shù)據(jù)、中國湖泊編目數(shù)據(jù)、氣象、水文等專題數(shù)據(jù)，進行空間化處理以及格式整合、屬性結(jié)構(gòu)整合等處理。

2.專題信息提取

（1）水體信息自動提取

以高分系列、Landsat等衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，采用基于海量遙感影像多種子點快速區(qū)域生長技術(shù)，利用現(xiàn)有河流、湖泊、水庫矢量信息對海量影像進行水體切片，對相應(yīng)的種子面切片計算水體提取最優(yōu)門限并輸出水體指數(shù)圖像，結(jié)合最優(yōu)門限和指數(shù)圖像自動提取河流、湖泊、水庫邊界范圍。

（2）新增湖庫自動發(fā)現(xiàn)技術(shù)

全國新增湖泊、水庫自動提取利用遙感圖像模式識別、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)實現(xiàn)。基于海量遙感影像數(shù)據(jù)以及全國河流、湖泊和水庫本底數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在少量人工參與的情況下，自動完成全國新增湖泊、水庫的條件判斷、發(fā)現(xiàn)、邊界提取、水體編號、搜集統(tǒng)計等一系列操作步驟，且新增水體識別精度、邊界提取精度均滿足業(yè)務(wù)化生產(chǎn)要求。

（3）水量變化反演

利用資源三號、高分七號立體數(shù)據(jù)以及激光測高數(shù)據(jù)獲取湖庫高精度DSM數(shù)據(jù)。通過地理信息系統(tǒng)（GIS）空間分析，建立庫容-面積關(guān)系；讀取當(dāng)前片區(qū)兩個時期的湖泊面積及其庫容-面積關(guān)系，反推出當(dāng)前時間段內(nèi)湖庫的庫容，計算兩個時間段的湖庫庫容的差值，作為湖庫水量相對變化量。

（4）流量變化反演

利用資源三號、高分七號立體數(shù)據(jù)以及激光測高數(shù)據(jù)獲取河道枯水期高精度DSM數(shù)據(jù)。利用水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于河道橫斷面模型，利用物理和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，?gòu)建河道橫斷面、高程和流量間的關(guān)系模型，結(jié)合水面水位進行流量變化估算。

3.信息核實與精度驗證

針對地表水自動提取圖斑，利用ArcGIS系統(tǒng)，采用人機交互方法，疊加自動提取圖斑與當(dāng)期影像，結(jié)合遙感解譯經(jīng)驗，客觀對比圖斑與當(dāng)期影像是否一致，剔除錯提圖斑、補充明顯遺漏圖斑、圖斑屬性標記、圖斑邊界編輯與質(zhì)量檢查。

4.地表水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

利用全國河流、湖泊、水庫等地表水高頻次監(jiān)測數(shù)據(jù)，與行政區(qū)劃、流域等統(tǒng)計單元數(shù)據(jù)進行疊加分析，開展地表水現(xiàn)狀以及年內(nèi)、年際變化統(tǒng)計；利用20世紀60年代以來全國湖泊水面、水量監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行時間序列變化分析，結(jié)合氣象、水文、人類活動等數(shù)據(jù)，分析變化原因；利用重點流域河流、湖泊、水庫、冰川、濕地等水資源綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析多種水資源要素變化過程，挖掘變化驅(qū)動力，為水資源管理提供技術(shù)和信息支撐。

5.地表水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設(shè)

開展數(shù)據(jù)庫設(shè)計、監(jiān)測數(shù)據(jù)成果收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)空間化與整體處理、數(shù)據(jù)入庫檢查等工作，在此基礎(chǔ)上，進行全國地表水監(jiān)測本底數(shù)據(jù)入庫、全國地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)入庫，滿足全國地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)成果建庫與管理需求。

6.成果輸出與應(yīng)用服務(wù)

在監(jiān)測成果統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，編制監(jiān)測圖件和監(jiān)測報告，為政府事業(yè)單位、行業(yè)用戶、科研用戶提供遙感影像、監(jiān)測數(shù)據(jù)、成果報告、成果圖件等服務(wù)，支撐我國水資源管理利用和流域生態(tài)保護。

7.全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測平臺建設(shè)

收集江河湖庫塘、濕地、冰川等歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建水資源監(jiān)測本底數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫；利用衛(wèi)星影像開展全國河流、湖泊、水庫、坑塘常態(tài)化監(jiān)測以及重要流域水資源綜合監(jiān)測，形成地表水監(jiān)測成果數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)持續(xù)更新；基于國產(chǎn)高分衛(wèi)星影像、Landsat等多源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建一套高效的數(shù)據(jù)處理、模型構(gòu)建、成果展示的地表水業(yè)務(wù)化監(jiān)測系統(tǒng)，為地表水監(jiān)測提供平臺支撐。

全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 全國地表水衛(wèi)星遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

四、應(yīng)用試驗示范

基于本文提出的監(jiān)測技術(shù)框架，采用2m級國產(chǎn)高分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展了2020年度全國十大江河流域1265條三級以上河流、相關(guān)聯(lián)的2128座水庫以及2953個1km2以上湖泊豐水期、枯水期監(jiān)測應(yīng)用試驗示范。結(jié)果如下：

1.豐水期監(jiān)測結(jié)果

2020年豐水期全國河流、水庫、湖泊水域監(jiān) 測 面 積 分 別 為 33671.60km2、14276.14km2、83854.52km2，共計131802.26km2。從流域分布看，水域面積主要集中在內(nèi)流區(qū)域諸河、長江流域、黑龍江流域，水域面積分別為47998.89km2、36061.23km2、18144.16km2，其次為西南西北國際河流、黃河流域、淮河流域，水域面積分別為 8001.97km2、6026.34km2、5803.44 km2； 再次為珠江流域、浙閩臺諸河、海河流域、遼河流域，水域面積分別為4910.64km2、2068.84km2、1438.56km2、1348.19km2。

從?。▍^(qū)、市）分布看，水域面積主要集中在西藏、青海、黑龍江，水域面積分別為33906.46km2、16495.43km2、12459.05km2， 其 次 為新疆、江蘇、湖北，水域面積分別為8460.83 km2、7962.96km2、6729.83km2；再次為內(nèi)蒙古、江西、安徽，水域面積分別為6340.00km2、6145.62km2、6055.46km2。

河流水域面積最大的為長江流域，面積為13665.62km2，占比40.58%；其次為黑龍江流域，面積為6399.08km2，占比為19.00%；河流水域面積最小的為遼河流域，面積為622.45km2，占比為1.85%；其次為海河流域，面積為715.87km2，占比為2.13%。

水庫水域面積最大的為長江流域，面積為4578.95km2，占比32.07%；其次為珠江流域，面積為2494.30km2，占比17.47%；最小的為內(nèi)流區(qū)域諸河，面積為421.43km2，其次為海河流域，面積為573.82km2。

湖泊水域面積最大的為內(nèi)流區(qū)域諸河，其次為長江流域，面積分別為45769.99km2、17816.66km2，占比分別為54.58%、21.25%；最小的為浙閩臺諸河，其次為遼河流域，面積分別為17.16km2、103.25km2。

2.豐枯期變化分析

相比枯水期，全國地表水豐水期總面積增加6.49%。不同水資源要素水域面積增減情況不同。水域面積增加最多的流域為長江流域、西南西北國際河流、黃河流域，增加面積分別為8369.73km2、685.63km2、631.18km2；水域面積增加幅度最大的流域為長江流域、黃河流域、西南西北國際河流，增幅分別為30.22%、11.70%、9.37%。

相比枯水期，水域面積增加最多的省份為江西、湖南、湖北，增加面積分別為3197.63 km2、2077.49km2、1246.30km2；水域面積增加幅度最大的省份為江西、湖南、寧夏，增幅分別為108.47%、63.15%、27.38%。水域面積減少最多的省份為新疆、吉林、內(nèi)蒙古，減少面積分別為1042.63km2、483.22km2、465.69km2；水域面積減少幅度最大的省份為山西、海南、吉林，減幅分別為19.73%、18.29%、17.50%。

五、結(jié)果與討論

高分衛(wèi)星遙感在開展高頻次地表水變化監(jiān)測上具有顯著優(yōu)勢，可快速掌握全國地表水時空分布特征，可服務(wù)支撐水資源管理與保護、水資源合理開發(fā)利用等工作。此外，結(jié)合歷史影像資料，開展江河湖庫長時序變化分析，監(jiān)測河道斷流、湖泊濕地萎縮、河湖開發(fā)利用等狀況；結(jié)合濕地、冰川等其他水資源專題數(shù)據(jù)，開展水資源綜合變化監(jiān)測，將深化拓展地表水遙感監(jiān)測應(yīng)用水平和范圍，進一步服務(wù)氣候變化和區(qū)域水循環(huán)與水平衡研究。